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相控陣?yán)走_(dá)在 20 世紀(jì) 60 年代開始問世,當(dāng)時(shí)的目的是為了實(shí)現(xiàn)對洲際導(dǎo)彈的預(yù)警。上世紀(jì) 80 年代,隨著電子計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、固態(tài)功率器件、電子移相器等技術(shù)和產(chǎn)品的日趨成熟和成本的大幅度降低,以及數(shù)字波束形成、自適應(yīng)技術(shù)、低旁瓣技術(shù)、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,相控陣?yán)走_(dá)得到了更進(jìn)一步的應(yīng)用,在已裝備和正在研制的新一代中、遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中大多采用多功能相控陣?yán)走_(dá),相控陣?yán)走_(dá)已成為第三代中、遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志。
經(jīng)過近幾十年的不斷探索,不同用途的雷達(dá)逐漸開始采用相控陣技術(shù)。目前,軍用雷達(dá)已經(jīng)廣泛地采用了相控陣技術(shù),幾乎所有的陸基、海基、空基和天基武器平臺(tái)均裝備了相控陣?yán)走_(dá)產(chǎn)品,因此軍事用途是相控陣?yán)走_(dá)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
由于在各種天氣現(xiàn)象的快速識(shí)別中顯示出了不可比擬的優(yōu)勢,相控陣?yán)走_(dá)受到世界上大多數(shù)國家和包括世界氣象組織在內(nèi)的氣象、水文和相關(guān)學(xué)科的國際組織的高度重視,目前在民用領(lǐng)域的應(yīng)用已處在起步階段。
1、全球領(lǐng)域民用相控陣?yán)走_(dá)概況
全球領(lǐng)域民用相控陣?yán)走_(dá)研究進(jìn)展較快的主要國家為美國和日本:20 世紀(jì) 90 年代初,美國國家氣象局(NWS)與美國國防部(DoD)和美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)合作,部署了 WSR-88D雷達(dá),這是一種具有多普勒能力的機(jī)械掃描常規(guī)天氣雷達(dá),以滿足美國主要?dú)庀蟊O(jiān)視需求。
大約在同一時(shí)間,美國聯(lián)邦航空局部署了終端多普勒天氣雷達(dá)(TDWR),為易受微爆和風(fēng)切變影響的美國大型機(jī)場提供專門的危害航空安全的大氣活動(dòng)探測。通過從 1988年到 2000 年實(shí)施的氣象現(xiàn)代化項(xiàng)目,美國已經(jīng)完成了全國 165 部多普勒雷達(dá)的布點(diǎn)建設(shè),覆蓋美國大陸以及部分沿海海域和島嶼。此外,聯(lián)邦航空管理局還
在全美 45個(gè)機(jī)場建成了專用于民航的高性能終端多普勒天氣雷達(dá)。由于相控陣天氣雷達(dá)相比于其他天氣雷達(dá)或空管雷達(dá)在探測精度和快速反應(yīng)能力方面具有較大的優(yōu)勢,美國正在開展研究部署通用相控陣的可行性,通過先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解決國家雷達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期替代問題。
2002 年,美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家單位把一部宙斯盾艦船上的相控陣?yán)走_(dá)(SPY-1A)改裝成相控陣天氣雷達(dá)(NWRT),并進(jìn)行了外場探測試驗(yàn),這是天氣雷達(dá)歷史上的第一部具有相控陣快速掃描的雷達(dá),隨著相控陣天氣雷達(dá)(NWRT)外場試驗(yàn)展現(xiàn)出的精細(xì)化探測效果,相控陣技術(shù)逐漸走入天氣雷達(dá)領(lǐng)域。2011 年,美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的雷達(dá)研究與開發(fā)部門以“其在運(yùn)用軍事相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)以改善美國氣象雷達(dá)能力方面的卓越科學(xué)和工程技術(shù)”被美國的商務(wù)部授予金獎(jiǎng)?wù)隆?
美國 2006 年開始啟動(dòng)資助多功能有源相控陣?yán)走_(dá)研究計(jì)劃(MPAR),主要任務(wù)是服務(wù)于國家安全、天氣監(jiān)測、空中交通管制等,其可同時(shí)監(jiān)測氣象目標(biāo)和非氣象目標(biāo),非氣象目標(biāo)的探測包括空中飛行器的跟蹤、生物探測等,還可以探測飛機(jī)尾流等威脅飛行安全的大氣環(huán)境。如果未來的雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)采用這樣一部多功能多任務(wù)的相控陣?yán)走_(dá)替代多種單任務(wù)雷達(dá)(包括氣象雷達(dá)、空管雷達(dá)和邊境防御雷達(dá)等),可有效減少美國本土的雷達(dá)總數(shù)。
美國構(gòu)想的多功能相控陣?yán)走_(dá)工作圖示
資料來源:美國強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)
2014 年開始,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)共同資助“先進(jìn)技術(shù)演示器”(ATD)的設(shè)計(jì)與研究,主要組件于2018 年 7 月安裝在美國的國家氣象雷達(dá)測試臺(tái)設(shè)施上,是首款完全從頭構(gòu)建的專為氣象雷達(dá)設(shè)計(jì)的全尺寸 S 波段雙極化相控陣?yán)走_(dá)。該雷達(dá)將用于氣象研究,并幫助研究人員評估平面相控陣?yán)走_(dá)的極化性能。
日本大坂大學(xué)和東芝公司等機(jī)構(gòu)研制了 X 波段的相控陣天氣雷達(dá)(PAWR),第一部安裝在大阪大學(xué),并于 2012 年 7 月開始進(jìn)行場外試驗(yàn)。該雷達(dá)可以在 1分鐘內(nèi)對積雨云進(jìn)行三維探測,通過該雷達(dá)的探測數(shù)據(jù),證明了雷電活動(dòng)和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
日本跨部門戰(zhàn)略創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃(SIP)成立的研究小組包括東芝公司等機(jī)構(gòu)還開發(fā)了一臺(tái)實(shí)用的多參數(shù)相控陣天氣雷達(dá)(MP-PAWR),具有雙極化功能,其具備了多參數(shù)和相控陣氣象雷達(dá)的綜合優(yōu)勢,可以更早、更準(zhǔn)確地檢測到暴雨跡象,并于 2017 年 12 月安裝在日本的埼玉大學(xué)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。
2、我國民用相控陣?yán)走_(dá)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展起步較晚,近年來相控陣技術(shù)發(fā)展迅速,相控陣?yán)走_(dá)在多個(gè)國防新型號(hào)裝備中得到廣泛運(yùn)用。目前,我國相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)主要應(yīng)用于軍事、航天等軍用領(lǐng)域,相控陣?yán)走_(dá)高昂的制作成本限制了其進(jìn)一步市場化的應(yīng)用,民用相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展相對緩慢。
為了探索擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng),我國開展了相控陣技術(shù)在天氣雷達(dá)領(lǐng)域的相關(guān)研究。同國外相比,我國的相控陣天氣雷達(dá)研究相對較晚,在近些年的研究中已經(jīng)取得了初步成果,并在積極地向應(yīng)用化研究和業(yè)務(wù)化發(fā)展的方向推進(jìn)。
近年來,隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、成熟,在民用領(lǐng)域應(yīng)用的例子越來越多,但總體而言,我國民用領(lǐng)域應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)還處于起步的階段。