Aktywna elektronicznie skanowana macierz - Active electronically scanned array

Eurofighter Typhoon samolotów bojowych z nosa opływowa obudowa usunięta, odsłaniając jego Euroradar wychwytującego antenę radarową AESA

Aktywny skanowana elektronicznie tablica ( AESA ) jest typu fazowanych anteny, który jest sterowany komputerowo szyku antenowego , w którym wiązka fal radiowych może być sterowany elektronicznie do punktu w różnych kierunkach, bez przenoszenia anteny. W AESA każdy element anteny jest podłączony do małego półprzewodnikowego modułu nadawczo-odbiorczego (TRM) pod kontrolą komputera, który pełni funkcje nadajnika i/lub odbiornika anteny. Kontrastuje to z pasywną elektronicznie skanowaną macierzą (PESA), w której wszystkie elementy anteny są połączone z pojedynczym nadajnikiem i/lub odbiornikiem poprzez przesuwniki fazowe pod kontrolą komputera. Głównym zastosowaniem AESA jest radar , znany jako radar z aktywnym układem fazowym (APAR).

AESA to bardziej zaawansowana, wyrafinowana druga generacja oryginalnej technologii fazowanego układu PESA. PESA mogą jednocześnie emitować tylko jedną wiązkę fal radiowych o jednej częstotliwości. PESA musi korzystać z matrycy Butlera, jeśli wymagane jest użycie wielu wiązek. AESA może emitować wiele wiązek fal radiowych na wielu częstotliwościach jednocześnie. Radary AESA mogą rozprzestrzeniać emisje sygnału w szerszym zakresie częstotliwości, co sprawia, że ​​są trudniejsze do wykrycia na tle szumu tła , dzięki czemu statki i samoloty mogą emitować silne sygnały radarowe, zachowując jednocześnie ukrycie, a także są bardziej odporne na zagłuszanie.

Historia

Szkic koncepcyjny ZMAR, 1962
Widok z lotu ptaka na trzy kopuły prototypu Multifunction Array Radar, otoczone płotem , w White Sands Missile Range, Nowy Meksyk
Szkic radaru antybalistycznego FLAT TWIN

Firma Bell Labs zaproponowała zastąpienie radarów Nike Zeus systemem z fazowanym układem szyków w 1960 roku i otrzymała zielone światło do opracowania w czerwcu 1961 roku. sterowany układ radarowy. ZMAR stał się MAR, gdy program Zeus zakończył się na korzyść systemu Nike-X w 1963 roku. MAR (Multi-function Array Radar) składał się z dużej liczby małych anten, z których każda była podłączona do oddzielnego, sterowanego komputerowo nadajnika lub odbiornika . Korzystając z różnych etapów kształtowania wiązki i przetwarzania sygnału , pojedynczy MAR był w stanie przeprowadzić detekcję na duże odległości, generowanie śladów, odróżnienie głowic od wabików oraz śledzenie wychodzących pocisków przechwytujących.

MAR pozwolił na kontrolowanie całej bitwy na dużej przestrzeni z jednego miejsca. Każdy MAR i powiązane z nim centrum bojowe przetwarzałyby ślady setek celów. System wybierał wtedy najbardziej odpowiednią baterię dla każdego z nich i przekazywał poszczególne cele do ataku. Jedna bateria byłaby zwykle powiązana z MAR, podczas gdy inne byłyby rozmieszczone wokół niej. Zdalne baterie zostały wyposażone w znacznie prostszy radar, którego głównym celem było śledzenie wylatujących pocisków Sprint, zanim staną się widoczne dla potencjalnie odległego MAR. Te mniejsze radary rakietowe (MSR) były pasywnie skanowane, tworząc tylko pojedynczą wiązkę zamiast wielu wiązek MAR.

Chociaż MAR odniósł ostatecznie sukces, koszt systemu był ogromny. Kiedy problem ABM stał się tak złożony, że nawet system taki jak MAR nie mógł już dłużej radzić sobie z realistycznymi scenariuszami ataku, koncepcja Nike-X została porzucona na rzecz znacznie prostszych koncepcji, takich jak program Sentinel , który nie korzystał z MAR. Drugi przykład, MAR-II, został porzucony na atolu Kwajalein .

Pierwszy radziecki APAR, 5N65 , został opracowany w latach 1963-1965 jako część systemu ABM S-225. Po pewnych modyfikacjach koncepcji systemu w 1967 roku został zbudowany na poligonie Sary Shagan w latach 1970-1971 i na Zachodzie nazywany Flat Twin. Cztery lata później na poligonie Kura zbudowano kolejny radar tej konstrukcji , a system S-225 nigdy nie został oddany do eksploatacji.

Amerykańscy producenci radarów AESA stosowanych w F-22 i Super Hornet to Northrop Grumman i Raytheon. Firmy te również projektują, rozwijają i produkują moduły nadawczo-odbiorcze, które składają się na „elementy konstrukcyjne” radaru AESA. Wymagana technologia elektroniczna została opracowana we własnym zakresie w ramach programów badawczych Departamentu Obrony, takich jak Program MMIC .

Podstawowy pomysł

Podstawowy schemat AESA

Systemy radarowe zazwyczaj działają poprzez podłączenie anteny do potężnego nadajnika radiowego, aby wyemitować krótki impuls sygnału. Nadajnik jest następnie odłączany, a antena jest podłączona do czułego odbiornika, który wzmacnia wszelkie echa od obiektów docelowych. Mierząc czas powrotu sygnału, odbiornik radarowy może określić odległość do obiektu. Odbiornik następnie wysyła wynikowe dane wyjściowe do pewnego rodzaju wyświetlacza . Elementami nadajnika były zazwyczaj lampy klistronowe lub magnetrony , które nadają się do wzmacniania lub generowania w wąskim zakresie częstotliwości do wysokich poziomów mocy. Aby przeskanować część nieba, antena radaru musi być fizycznie przesunięta w różnych kierunkach.

Począwszy od roku 1960 nowych półprzewodnikowych urządzeń zdolnych do opóźniania sygnału nadajnika, w sposób kontrolowany wprowadza. Doprowadziło to do powstania pierwszego praktycznego, wielkoskalowego pasywnego, elektronicznie skanowanego układu (PESA) lub po prostu radaru z układem fazowanym. PESA pobierały sygnał z jednego źródła, dzieliły go na setki ścieżek, selektywnie opóźniały niektóre z nich i wysyłały do ​​poszczególnych anten. Sygnały radiowe z oddzielnych anten nakładały się w przestrzeni, a wzorce interferencji między poszczególnymi sygnałami były kontrolowane w celu wzmocnienia sygnału w niektórych kierunkach i wyciszenia go we wszystkich innych. Opóźnienia można łatwo kontrolować elektronicznie, co pozwala na bardzo szybkie sterowanie wiązką bez przesuwania anteny. PESA może skanować przestrzeń znacznie szybciej niż tradycyjny system mechaniczny. Dodatkowo, dzięki postępom w elektronice, PESA dodały możliwość wytwarzania kilku aktywnych wiązek, co pozwalało im na dalsze skanowanie nieba, jednocześnie skupiając mniejsze wiązki na określonych celach w celu śledzenia lub naprowadzania półaktywnych radarowych pocisków samonaprowadzających . PESA szybko rozpowszechniły się na statkach i dużych stałych stanowiskach w latach 60., a wraz z kurczeniem się elektroniki pojawiły się czujniki powietrzne.

AESA są wynikiem dalszego rozwoju elektroniki półprzewodnikowej. We wcześniejszych systemach przesyłany sygnał był pierwotnie wytwarzany w klistronie lub rurze o fali bieżącej lub podobnym urządzeniu, które są stosunkowo duże. Elektronika odbiornika była również duża ze względu na wysokie częstotliwości, z którymi pracowała. Wprowadzenie mikroelektroniki z arsenku galu w latach 80. XX wieku przyczyniło się do znacznego zmniejszenia rozmiarów elementów odbiorczych, aż do momentu, gdy efektywne elementy można było zbudować o rozmiarach podobnych do radiotelefonów przenośnych, o objętości zaledwie kilku centymetrów sześciennych. Wprowadzenie JFET i MESFET zrobiło to samo również po stronie nadajnika systemów. Dało to początek wzmacniaczom-nadajnikom z generatorem przebiegów półprzewodnikowych o małej mocy zasilającym wzmacniacz, dzięki czemu każdy tak wyposażony radar może nadawać w znacznie szerszym zakresie częstotliwości, aż do zmiany częstotliwości roboczej z każdym wysłanym impulsem. Zmniejszenie całego zespołu (nadajnika, odbiornika i anteny) w jeden „moduł nadawczo-odbiorczy” (TRM) o wielkości kartonu mleka i ułożenie tych elementów w szeregu daje AESA.

Podstawową przewagą AESA nad PESA jest zdolność różnych modułów do działania na różnych częstotliwościach. W przeciwieństwie do PESA, gdzie sygnał jest generowany na pojedynczych częstotliwościach przez niewielką liczbę nadajników, w AESA każdy moduł generuje i emituje własny, niezależny sygnał. Pozwala to AESA na jednoczesne wytwarzanie wielu „podwiązek”, które może rozpoznać dzięki różnym częstotliwościom i aktywnie śledzić znacznie większą liczbę celów. AESA mogą również wytwarzać wiązki, które składają się z wielu różnych częstotliwości jednocześnie, wykorzystując przetwarzanie końcowe połączonego sygnału z wielu TRM w celu odtworzenia obrazu tak, jakby wysyłana była pojedyncza wiązka o dużej mocy. Oznacza to jednak, że szum obecny w każdej częstotliwości jest również odbierany i dodawany.

Zalety

AESA dodają wiele własnych możliwości do PESA. Należą do nich: możliwość jednoczesnego formowania wielu wiązek, jednoczesne używanie grup TRM do różnych ról, takich jak wykrywanie radarów, a co ważniejsze, ich wielokrotne jednoczesne wysyłanie wiązek i częstotliwości skanowania stwarzają trudności dla tradycyjnych, korelacyjnych detektorów radarowych.

Niskie prawdopodobieństwo przechwycenia

Zobacz też: niskie prawdopodobieństwo przechwycenia radaru

Systemy radarowe działają, wysyłając sygnał, a następnie nasłuchując jego echa od odległych obiektów. Każda z tych ścieżek, do i od celu, podlega prawom propagacji odwrotnego kwadratu zarówno w przesyłanym sygnale, jak i sygnale odbitym. Oznacza to, że energia odbierana przez radar spada wraz z czwartą potęgą odległości, dlatego systemy radarowe wymagają dużych mocy, często rzędu megawatów, aby były skuteczne na dalekim zasięgu.

Wysyłany sygnał radarowy jest prostym sygnałem radiowym i może być odbierany za pomocą prostego odbiornika radiowego . Samoloty i okręty wojskowe są wyposażone w odbiorniki obronne, zwane „ odbiornikami ostrzegania o radarach ” (RWR), które wykrywają, gdy na nie znajduje się wiązka radaru wroga, ujawniając w ten sposób pozycję wroga. W przeciwieństwie do radaru, który musi wysłać impuls, a następnie odebrać jego odbicie, odbiornik celu nie potrzebuje odbicia, a zatem sygnał spada tylko w postaci kwadratu odległości. Oznacza to, że odbiornik ma zawsze przewagę [pomijając rozbieżność w wielkości anteny] nad radarem pod względem zasięgu – zawsze będzie w stanie wykryć sygnał na długo przed tym, zanim radar dostrzeże echo celu. Ponieważ pozycja radaru jest niezwykle przydatną informacją podczas ataku na tę platformę, oznacza to, że radary muszą być wyłączone na dłuższy czas, jeśli są przedmiotem ataku; jest to powszechne na przykład na statkach.

W przeciwieństwie do radaru, który wie, w jakim kierunku wysyła sygnał, odbiornik po prostu otrzymuje impuls energii i musi go zinterpretować. Ponieważ widmo radiowe jest wypełnione szumem, sygnał odbiornika jest integrowany w krótkim czasie, dzięki czemu źródła okresowe, takie jak radar, sumują się i wyróżniają na losowym tle. Przybliżony kierunek można obliczyć za pomocą anteny obrotowej lub podobnego układu pasywnego przy użyciu porównania fazy lub amplitudy . Zazwyczaj RWR przechowują wykryte impulsy przez krótki okres czasu i porównują ich częstotliwość rozgłaszania i częstotliwość powtarzania impulsów z bazą danych znanych radarów. Kierunek źródła jest zwykle połączony z symboliki wskazujący prawdopodobny cel radaru - AWACS , pocisk ziemia-powietrze , itd.

Ta technika jest znacznie mniej przydatna w przypadku radaru z nadajnikiem zwinnym pod względem częstotliwości (półprzewodnikowym). Ponieważ AESA (lub PESA) może zmieniać swoją częstotliwość z każdym impulsem (z wyjątkiem korzystania z filtrowania dopplerowskiego) i generalnie robi to przy użyciu losowej sekwencji, integracja w czasie nie pomaga wyciągnąć sygnału z szumu tła. Ponadto można zaprojektować radar, aby wydłużyć czas trwania impulsu i obniżyć jego moc szczytową. AESA lub nowoczesna PESA często mają możliwość zmiany tych parametrów podczas pracy. Nie ma to wpływu na całkowitą energię odbitą przez cel, ale zmniejsza prawdopodobieństwo wykrycia impulsu przez system RWR. AESA nie ma również żadnego rodzaju stałej częstotliwości powtarzania impulsów, która może być również zmieniana, a tym samym ukrywać wszelkie okresowe rozjaśnienia w całym widmie. RWR starszej generacji są zasadniczo bezużyteczne w walce z radarami AESA, dlatego są one również znane jako radary o niskim prawdopodobieństwie przechwycenia . Nowoczesne RWR muszą być bardzo czułe (małe kąty i szerokości pasma dla poszczególnych anten, niskie straty transmisji i szumy) i dodawać kolejne impulsy poprzez przetwarzanie czasowo-częstotliwościowe, aby uzyskać użyteczne współczynniki wykrywania.

Wysoka odporność na zacinanie

Główny artykuł: zagłuszanie i oszustwo radarowe

Zagłuszanie jest również znacznie trudniejsze przeciwko AESA. Tradycyjnie, zagłuszacze działały poprzez określenie częstotliwości pracy radaru, a następnie nadawanie na nim sygnału, aby zmylić odbiornik co do tego, który jest „prawdziwym” impulsem, a który zagłuszacz. Ta technika działa tak długo, jak system radarowy nie może łatwo zmienić częstotliwości pracy. Kiedy nadajniki były oparte na lampach klistronowych, było to generalnie prawdą, a radary, zwłaszcza lotnicze, miały do ​​wyboru tylko kilka częstotliwości. Zagłuszacz mógłby nasłuchiwać tych możliwych częstotliwości i wybrać tę, która zostanie użyta do zagłuszania.

Większość radarów wykorzystujących nowoczesną elektronikę jest w stanie zmieniać swoją częstotliwość roboczą z każdym impulsem. Może to sprawić, że zagłuszanie będzie mniej skuteczne; chociaż możliwe jest wysyłanie szerokopasmowego białego szumu w celu zagłuszania zaporowego na wszystkich możliwych częstotliwościach, zmniejsza to ilość energii zakłócającej na dowolnej częstotliwości. AESA ma dodatkową możliwość rozprzestrzeniania swoich częstotliwości w szerokim paśmie nawet w jednym impulsie, technika znana jako „ćwierkanie”. W takim przypadku zagłuszanie będzie miało tę samą częstotliwość co radar tylko przez krótki okres, podczas gdy reszta impulsu radaru jest niezakłócona.

AESA można również przełączyć w tryb tylko do odbioru i używać tych potężnych sygnałów zakłócających do śledzenia ich źródła, co w starszych platformach wymagało osobnego odbiornika. Integrując odebrane sygnały z własnego radaru celu z mniejszą szybkością danych z własnych transmisji, system wykrywania z precyzyjnym RWR, takim jak AESA, może generować więcej danych przy mniejszym zużyciu energii. Niektóre systemy zdolne do kształtowania wiązki, zwykle naziemne, mogą nawet całkowicie odrzucić nadajnik.

Jednak użycie pojedynczej anteny odbiorczej podaje tylko kierunek. Uzyskanie zasięgu i wektora docelowego wymaga co najmniej dwóch fizycznie oddzielnych urządzeń pasywnych do triangulacji w celu zapewnienia natychmiastowych oznaczeń, chyba że stosuje się interferometrię fazową . Analiza ruchu celu może oszacować te wielkości poprzez uwzględnienie wielu pomiarów kierunkowych w czasie, wraz ze znajomością pozycji odbiornika i ograniczeń dotyczących możliwego ruchu celu.

Inne zalety

Ponieważ każdy element w AESA jest potężnym odbiornikiem radiowym, aktywne układy mają wiele ról poza tradycyjnym radarem. Jednym z zastosowań jest przeznaczenie kilku elementów na odbiór powszechnych sygnałów radarowych, eliminując potrzebę stosowania oddzielnego odbiornika ostrzegającego przed radarami. Ta sama podstawowa koncepcja może być wykorzystana do zapewnienia tradycyjnej obsługi radiowej, a przy niektórych elementach również nadawania, tworząc łącze danych o bardzo dużej przepustowości . F-35 wykorzystuje ten mechanizm do przesyłania danych z czujników między samolotami w celu uzyskania syntetycznego obrazu o wyższej rozdzielczości i zasięgu, niż mógłby wygenerować jakikolwiek radar. W 2007 roku testy przeprowadzone przez Northrop Grumman , Lockheed Martin i L-3 Communications umożliwiły systemowi AESA Raptora działanie jak punkt dostępu Wi- Fi, zdolny do przesyłania danych z prędkością 548 megabitów na sekundę i odbierania z prędkością gigabitową; jest to znacznie szybsze niż system Link 16 używany przez samoloty amerykańskie i sojusznicze, który przesyła dane z prędkością nieco ponad 1 Mbit/s. Aby osiągnąć te wysokie szybkości transmisji danych, wymagana jest wysoce kierunkowa antena, którą zapewnia AESA, ale która uniemożliwia odbiór przez inne jednostki spoza szerokości wiązki anteny, podczas gdy podobnie jak większość konstrukcji Wi-Fi, Link-16 przesyła swój sygnał dookólnie, aby zapewnić wszystkie jednostki w zasięgu może otrzymać dane.

AESA są również znacznie bardziej niezawodne niż PESA lub starsze projekty. Ponieważ każdy moduł działa niezależnie od innych, pojedyncze awarie mają niewielki wpływ na działanie systemu jako całości. Dodatkowo, moduły pracują indywidualnie przy niskich mocach, być może od 40 do 60 watów, dzięki czemu wyeliminowane jest zapotrzebowanie na duży zasilacz wysokonapięciowy.

Zastąpienie mechanicznie skanowanej matrycy stałym mocowaniem AESA (takim jak Boeing F/A-18E/F Super Hornet ) może pomóc w zmniejszeniu całkowitego przekroju radaru samolotu (RCS), ale niektóre konstrukcje (takie jak Eurofighter Typhoon ) zrezygnuj z tej przewagi, aby połączyć skanowanie mechaniczne ze skanowaniem elektronicznym i zapewnić szerszy kąt całkowitego pokrycia. To wysokie ustawienie poza nosem umożliwia myśliwcowi wyposażonemu w AESA wykonanie manewru „ Przekroczenie litery T” , często określanego jako „promieniowanie” w kontekście walki powietrze-powietrze, przeciwko mechanicznie skanowanemu radarowi, który odfiltrowałby niską prędkość zamykania. lotu prostopadłego jako bałaganu naziemnego, podczas gdy AESA obraca się o 40 stopni w kierunku celu, aby utrzymać go w limicie kąta 60 stopni AESA.

Ograniczenia

Przy połowie długości fali między elementami maksymalny kąt wiązki wynosi około °. Przy krótszej odległości elementu najwyższe pole widzenia (FOV) dla płaskiej anteny z układem fazowanym wynosi obecnie 120° ( °), chociaż można to połączyć ze sterowaniem mechanicznym, jak wspomniano powyżej.

Lista istniejących systemów

Systemy powietrzne

Zbliżenie na Thalès RBE2-AA zamontowany na Rafale od standardu F3R. Znajdujący się za nim OSF nie jest częścią radaru
HAL Tejas samolot bojowy wyposażony Uttam AESA radar

Systemy powierzchniowe (lądowe, morskie)

Pierwszym radarem AESA zastosowanym na działającym okręcie wojennym był japoński OPS-24 produkowany przez Mitsubishi Electric, wprowadzony na JDS Hamagiri (DD-155), pierwszy okręt z ostatniej partii niszczyciela klasy Asagiri , zwodowanego w 1988 roku.

  • APAR (Active Phased Array Radar): Wielofunkcyjny radar Thales Netherlands jest głównym czujnikiem fregat typu De Zeven Provinciën Królewskiej Marynarki Wojennej, fregat typu Sachsen niemieckiej Marynarki Wojennej oraz Ivar Huitfeldt należących do Królewskiej Marynarki Wojennej . APAR jest pierwszym aktywnym, elektronicznie skanowanym wielofunkcyjnym radarem stosowanym na czynnym okręcie wojennym.
EL/M-2248 MF-STAR na pokładzie niszczyciela klasy Kalkuta
Radar szyku fazowanego AN/TPQ-53
System radarowy dalekiego zasięgu 3DELRR
  • Toshiba
    • J/FPS-4 Tańszy niż J/FPS-3, wyprodukowany przez Toshiba
    • JMPQ-P13 Radar z licznikiem baterii, Toshiba
  • Radar kierowania ogniem MEADS
SAMPSON AESA na pokładzie niszczyciela Typ 45
  • J/TPS-102 Samobieżny radar naziemny, antena cylindryczna, NEC
  • Technologie CEA
    • CEAFAR 4-tej generacji, wielofunkcyjny cyfrowy radar z aktywnym układem fazowym S-Band, zainstalowany na wszystkich fregatach klasy RAN ANZAC.
  • NNIIRT 1L119 Nebo SVU mobilny 3-wymiarowy radar nadzoru AESA
  • Mobilny, trójwymiarowy, półprzewodnikowy radar dozorowania AESA VNIIRT Gamma DE

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki