相控阵雷达与多普勒雷达相比,优势劣势是什么?:我是雷达工程师,我可以来回答这个问题!其实相控阵雷达和多普勒雷达并不是两个并列的分类,而是一种包含的关系
我是雷达工程师,我可以来回答这个问题!其实相控阵雷达和多普勒雷达并不是两个并列的分类,而是一种包含的关系,相控阵雷达就是多普勒雷达,或者说相控阵雷达工作的基本原理里面用到了多普勒原理!
这种雷达主要采用的就是一种叫做多普勒效应的原理,而多普勒效应简单的来说,就当雷达的发射机部分发射某一固定频率的信号源,通过天线发射出去,然后在空中遇到目标发生反射,反射的回波信号被雷达的接收机接收。如果目标是移动的话,返回的信号频率就会和发射信号的频率不一样!当回波信号频率比发射的信号频率高一些的时候,证明目标是在向雷达这个方向移动,当回波信号频率比发射信号频率低一些的时候,那就代表目标是向远离雷达方面移动。
而且还可以根据回波信号和发射信号的频率差或者时间差的情况,计算出来目标的运动速度,这个时候雷达就可以获得目标的运动方向和速度等重要的信息了。
现在的多普勒雷达大多也都是脉冲多普勒雷达,相比普通的雷达,可以理解脉冲多普勒雷达不是连续的发射雷达波,而是隔一段时间发射一个较强的脉冲信号,功率比较大,这个时候目标反射的信号功率也是比较大,就非常方便的被接收机接收到分析处理。因为如果是普通的连续波雷达,功率就比较小,回波信号特别弱,很容易被空气当中的杂波覆盖,这样接收机就接收不了。而且这样也就导致了脉冲多普勒抗干扰能力比较强。
可以说相控阵雷达,就是很多的小多普勒雷达组成的。因为相控阵雷达也是需要获得目标的速度、距离和运动方向等信息的,而其中一些信息的获取也是需要利用到多普勒效应。
相控阵雷达主要是通过控制模拟信号的相位来控制雷达的波束(探测方向),这里我们进行了比喻,来解释一下什么是相控阵雷达。
前面的多普勒雷达,就是一个普通手电筒,照射哪里,就必须要对着哪里,也就是需要转动手电筒,这就是传统的雷达,一次只能照射探测固定的方向,要想探测水平方向或者上下的方向,天线就需要不停的转动了,这个就是我们经常在新闻当中看到的在不断旋转的雷达天线。
但是相控阵,里面是成百上千个小雷达,也就是小手电筒,比如10X10这样的排列,组合在一起形成了大的手电。不过这里面的小手电,每个都是可以独立工作的,并且都是可以进行转动的(实际相控阵雷达天线不转动,这里比喻不当)。
当需要朝着一个方向的时候或者只有一个目标的时候,大家同时工作,也可以根据目标的不同情况,其中一部分工作。这个时候所有的小手电可以一起朝着同一方向转动,指向目标,这样就可以实现,整个大的手电筒指向不动的情况下,可以实现不同方向的探测。这里的手电照射出来的光,就好像是和雷达辐射的波束是一样的。
如果目标是不同的方向,这个时候就可以把100个小手电灯进行分组,比如分成10个小组,每组都是相邻的10个手电灯,这个时候这10个小组也可以独立的工作,一部雷达瞬间变成了十部雷达,也就是可以探测跟踪十个方向的十个不同的目标,每个小组也都是可以实现不同方向的照射,在一定的角度内,想照哪里照哪里!
因为相控阵里面各个小雷达都是独立工作的,所以即使坏了一些,整体不受太大的影响,也就是具有可靠性高的优点。而传统雷达,一旦出现问题,整个雷达就失效了。
相控阵雷达可以在不转动天线的情况下,实现不同方向的探测跟踪和对不同目标的探测跟踪,这也是相控阵的优势了,多目标和多方向。目前的相控阵雷达,同时跟踪几百个目标都没有问题。
而传统的多普勒雷达,只能探测跟踪一个目标或者极少数目标,探测的角度也是非常的有限。不过脉冲多普勒雷达相比较相控阵雷达,技术要求要低一些,也就是成本比较低,适合大规模装备。相控阵雷达技术含量很高,也就导致成本费用高,适合高端装备按照,比如战斗机和军舰。
目前全球能够研制和生产相控阵雷达的国家不多,就算是没有能力研制的国家,购买也可能没有足够的资金购买,因为太贵了。
上面就是所长关于多普勒雷达和相控阵雷达的简单解释,我本人还有更多关于雷达方向的文章,有些比本文解释的更详细,包括雷达的基本工作原理等,还有解释什么是火控雷达和测速雷达等文章,欢迎大家关注。
纸上的宣仔,为您解答。
脉冲多普勒雷达和相控阵雷达其实概念并不在一个层次上,更不是互斥相对的。脉冲多普勒指的是用高重复频率脉冲的多普勒效应来过滤杂波,识别出空中目标的技术;而相控阵雷达指的是用多个振子的相位控制来实现波阵面偏转,指的是天线的形式和波束控制。就技术先进性而言,相控阵出现的更晚,功能更多技术更复杂,也更先进。脉冲多普勒本身就是相控阵的一个工作模式。当然它的功能更加高级,能干的也不止脉冲多普勒一种。总之,二者的概念上不是对立互斥的。比如现在的一款先进的有源相控阵机载雷达,你完全可以认为是一个用了相控阵天线的多普勒脉冲雷达(当然实际包括SAR、ISAR等更复杂的功能)。
脉冲多普勒雷达(Pulse Dolpler)是上个世纪60年代,比相控阵雷达早得多,是为了解决雷达下视问题而研发的。我们都知道,雷达是靠回波来检测敌方战机目标的。那么如果回波打到的不是战斗机,而是一颗树,一个岩石,那怎么分辨呢?早期的机载雷达还真就解决不了这个问题。所以早期的战机下视能力都很差,一旦有敌方目标飞到了比自己还低的空域,凭雷达几乎很难把战机和地面背景分辨出来。而脉冲多普勒雷达就是为了解决这个问题应运而生的。虽然雷达下视的时候会引入很多背景杂波,但是有一点是可以和战机区分开的,那就是不同速度的目标其回波的多普勒频移不同。由于地面是静止的,其多普勒频移几乎都是一样的,而飞机因为可以快速移动,则回波可以产生一个较强的多普勒频移,与地面背景杂波区分开。找到这个特定频率的回波,就相当于发现了飞机目标。要想实现这个能力,需要多普勒脉冲雷达拥有足够高的重复频率。多普勒脉冲雷达的发射机用的是行波管技术,早期天线采用倒置卡塞格伦天线,后期平板缝隙天线,一直到相控阵天线的出现,才彻底取代了这些天线。
倒置卡塞格伦天线
歼-8II上使用的1471 平板缝隙雷达
而相控阵雷达(ESA)是目前较新体制的一种雷达,也是最先进的,具体可以分为有源相控阵(AESA)和无源相控阵(PESA)。PESA还使用行波管的中央发射机,而AESA的MMIC本身就相当于一个小发射机/接收机。相控阵雷达利用数字处理终端,通过对时间的延迟实现每个天线振子进行相位控制,最终实现波阵面合成,每个天线阵子的相位不同,最终导致的波阵面不同,表现为增益最大点的方向不同,也就是说实现了雷达波的偏转。而整个过程不需要机械旋转,天线阵面始终是静止的。
F-22 AN/APG-77 有源相控阵雷达,每一个单元都是一个小天线
无源相控阵雷达的工作原理
与多普勒雷达相比,相控阵雷达是一种新体制的雷达,具有无可比拟的优势。
多普勒雷达是利用目标运动产生的频率变化来探测目标运动状态的。但是,多普勒雷达对杂波抑制能力和抗干扰能力都有限,主要原因是传统的脉冲多普勒雷达能够提供的信息仅限于二维:距离和速度。但是,由于平台本身是运动的,多普勒雷达存在距离模糊和速度模糊无法有效解决的问题。因此,多普勒雷达对电磁环境的适应性差。
而相控阵雷达尽管也利用多普勒效应提供速度维度的信息,但是有源相控阵的阵列天线提供了比传统多普勒雷达更多的信息:频率、波形、空间、距离、时间、角度和相关性维度的信息。因此,其原理上与普通多普勒雷达是完全不同的,是本质不同的两种雷达。
相控阵雷达可以利用频率分集、波形分集、空间分集、角度分集等分集技术,能够提供更多维度的系统自由度,对于杂波和干扰都有良好的抑制效果,这是普通多普勒雷达没有条件做到的。这是因为相控阵雷达阵列天线可以分成不同的组,每一组单独发射确定的频率和波形的脉冲信号,不同组之间相互独立,在探测同一目标所得到的信号可以通过概率分析的方法抑制杂波和干扰信号。
因此,有源相控阵雷达的抗干扰能力远远优于多普勒雷达。可以通俗一点说吧,多普勒雷达是二维度信号雷达,而相控阵雷达属于多维度信号雷达,相控阵雷达的信号检查研究空间巨大,现在先进的机载相控阵雷达趋向于采用神经网络来检测特定电磁信号,可以从复杂电磁环境中检测出微弱的隐身战机目标信号。
要说缺点,相控阵雷达最大的缺点就是运算量大,且随着信号检测算法不断更新,其对计算速度的需求越来越高。相控阵雷达的机载计算机的性能要远远高于多普勒雷达。
相控阵雷达提供的信息远比多普勒要多,其工作模式也大大增加。因此,对操作系统的要求也越来越高。相控阵雷达是一种高度智能化的电子系统,已经脱离了单纯的目标信号探测,而且具备通信组网、电子战与网络战的能力。
F35的机载相控阵雷达可以探测对方通信基站的通信频率和波形,并自动分析其编码,然后建立与该通信基站的链接,从而侵入对方电信网络,发送虚假信息,进行网络战。
【鶇飞天】
很长时间没有回答的问题了!因为近期工作太忙!但看了今天的题目,我不得不针对“相控”与“多普勒”说上两句!
1、相控阵雷达中的“相控”两个字,指的是控制雷达波束改变发射方向的方法。
传统机械式雷达,通过安装在天线下端的旋转机构,来改变雷达天线对空指示方向,从而达到扩大雷达监视空域的宽度,因此,传统机械式雷达要想实现360度空域监视,就必须需要让雷达天线不停的旋转。
而相控阵雷达可以不用改变雷达天线方向,通过算法就能实现雷达波束的偏转,以此实现扩大雷达监视空域宽度的目的。这个能够改变雷达波束方向的算法被称为“相移”。
在模拟型无源相控阵雷达中,雷达波束的“相移”是通过相移器实现的。而相移器是一个耗能且很占空间设备。发展的今天最高水平的全数字化有源相控阵雷达,相移器已经没有了,完全通过软件运算来实现。因此,全数字化有源相控阵雷达也被称为“数字化软件雷达”。
通过“相控”来实现雷达波束偏转,实现扩大雷达监控空域是有限度的。雷达波束的偏转后,其法线方向垂直雷达天线截面存在夹角,因此会造成雷达增益的大幅度降低,严重影响对目标的探测效果与探测距离。例如,当利用“相控”使得雷达波束偏转到60度夹角方向时,该雷达的增益只有雷达波束为偏转时的一半。所以,相控阵雷达在雷达天线固定不动的情况下,最大探测宽度只有120度空域。这也是为何空警2000预警机的大圆盘中需要按放三部相控阵雷达的原因。
2、“多普勒”是一套算法,也被称为多普勒效应。其算法的目的是根据多普勒效应,能够精确的计算出雷达波束发现高速运动目标的速度。
但多普勒效应也存在一个bug,即,当高速运动的目标,其运动方向与雷达波束的扫描方向平行,相对位移处于静止状态,那么,多普勒效应就会被大量抵消,因此,在“多普勒算法”看来是静止目标。
而对空作战的雷达会自动将静止目标做为杂波直接过滤掉。这也就是战斗机在被对方雷达锁定后,会连续做水平机动或者垂直机动的原因。
其目的就是通过这些水平(垂直)机动,找到自身战斗机运动方向与对手雷达波束扫描方向平行的状态。以此实现己方战斗机在对方雷达上的短暂脱锁,让对方雷达瞬间丢失目标。使其雷达的跟踪运算中断,让雷达的目标锁定工作流程只能从头开始,从而给己方逃离危急提供条件,再加上其他的干扰手段,让己方能够逃之夭夭,甚至实现攻防转换,实现大逆转……
3、综上所述,“相控”实现的是改变雷达波束偏转的方向,“多普勒”则是实现发现目标、分辨目标与计算目标运动速度的方法。因此,“相控”与“多普勒”完全是不相干的两回事,各干各的事儿,互补对立、互不干扰。相控阵雷达也用“多普勒”进行目标运算,机械式雷达也会用“多普勒”算法。
如果非要类比的话,以手机举例,“相控”可视为处理器“多核技术”,“多普勒”可看做“高清触摸屏”技术。两者相互配合,才能给操作者呈现五彩缤纷、包罗万象的使用体验。
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相控阵雷达虽然发现目标的能力很高,但他自己也相对的容易被发现。所以现在的战斗机一般情况下都是保持“无线电静默”。不会主动去搜索对方的。
缺点,技术要求高,造价高。
普勒雷达与传统雷达的一个区别在于它的发射机一直处于开启状态,这种类型的雷达称为连续波或CW雷达。发射机之所以必须一直开启,因为它不像传统雷达,需计算发射与接收间的时间,多普勒雷达寻找频率变化。而频率变化不会持续很长时间,因此发射机必须一直处于开启状态。
缺点,航区测量范围偏小,不能连续跟踪。
相控阵雷达是从雷达天线技术角度说的,多普勒雷达通常专指脉冲多普勒雷达,题中所问应该是指这种雷达,是从雷达信号检测角度说的。多普勒雷达可以用相控阵技术实现,也可以用普通天线技术实现。相控阵雷达肯定会使用多普勒技术来过滤杂波,但不一定是多普勒雷达。
雷达一是靠天线波束扫描来确定敌方飞机在哪个方向,道理如同手电筒光束照到北边,只能看见北边的人,确定这个人在我北面一样。二是靠发射脉冲状电磁波来测距,道理如同一个人在一个山洞里边大吼一声,通过回音,可以判断山洞那头是不是堵了,赌点离我的距离有多远一样。
相控阵雷达是用许许多多小天线组成一个阵列,叫做相控阵天线来实现测向的。它的好处是天线波束扫描不再需要通过转动天线来实现了,只需要控制各个小天线互相之间的相位关系,就可以实现波束扫描。从而实现空间快速搜索。这个可以用蜻蜓的眼睛和人的眼睛对比来说明。蜻蜓的眼睛是由许许多多小眼睛组成的,因此它的视眼非常宽,头不动也能看到侧面的东西。可是人的眼睛视眼很窄,要看到侧面的物体,只能靠转过头去看。
多普勒雷达通常是指采用脉冲多普勒技术实现信号检测来发现目标的雷达。普通雷达通过发射一个脉冲,然后检测有没有这个脉冲的回波,来确定前方空中有没有飞机,以及飞机离我有多远。这种技术对于地面雷达观察空中的飞机那是没有问题的。但是对于机载雷达,当它往下看的时候,它大部分时间或者说几乎全部时间,它看到的都是地面。也就是说,它发射一个脉冲,发射完了以后的时间里,它几乎只能收到地面的回波。如果一架飞机在它前下方飞行,飞机回波就会混到地面回波里边,飞机又比地面小很多,你根本就分辨不出来有没有飞机,也就发现不了它,更谈不上测距了。在这种情况下,脉冲多普勒技术就可以派上用场了。脉冲多普勒技术不是利用时间上的空档去发现目标,而是利用飞机速度和地面不一样,把飞机和地面区分开。具体来说,由于飞机和地面对我机载雷达来说,相对速度是不一样的,因此根据多普勒效应,它们回波的多普勒频率也是不一样的,这样我就可以从多普勒频率的不同,也就是速度的不同,把飞机和地面区分开了,这样也就发现了目标。或者说,普通雷达是利用雷达回波时间上的空档来发现目标,脉冲多普勒雷达是利用多普勒频率上的空档来发现目标。
因此,通常只有机载雷达需要使用脉冲多普勒技术来过滤地杂波,这时候,脉冲会非常密集,单位时间脉冲数比普通雷达多几十倍到上百倍,这样的雷达才叫脉冲多普勒雷达,这个应该就是题中所问的多普勒雷达。
结论:相控阵雷达和多普勒雷达哪个优劣是没有可比性的。
脉冲多普勒雷达一般用在三代机上,由于利用多普勒雷达能将地面运动目标从地物雷达回波背景中分辨出来,可以使战机拥有下视下射能力,该能力也是区分二代机和三代机的标准。
相控阵雷达通过控制很多按波长一半距离间隔排列的小雷达的相位,达到不需转动天线而控制波束方向的目的。前三代战机使用的雷达,雷达天线是强反射源,但是相控阵雷达可以将雷达天线反射截面较小的方向朝向目标,从而达到隐身的目的。是四代隐身战机的必备雷达。
有源相控阵雷达每个雷达单元都能自己产生雷达波,,而无源相控阵雷达每个发射单元不能产生雷达波,需要从同一行波管获取雷达波,因此有源相控阵雷达可以通过增加雷达单元数量来提高发射功率和探测距离,而无源雷达的功率却受到行波管的限制,探测距离受到限制。在可靠性上有源雷达也强于无源雷达,因为只要行波管出现故障,无源雷达就废了,但是有源雷达即使有数百个雷达单元损坏,仍然可以依靠其他雷达单元正常工作。
多普勒和相控阵不是对立的关系,而是并行不悖的。
多普勒是测量原理,相控阵是信号波形式。相控阵雷达可以采用多普勒原理测量目标运动速度和方向。
只不过多普勒技术首先成熟应用,相控阵技术因为设备体积庞大,在小型化后才能在舰船飞机上采用。好像相控阵比多普勒更新更先进一样。
多普勒技术利用反射信号与发射信号的频率变化,测量目标的相对速度。原先的多普勒雷达采用机械扫描天线,扫描一周需要几秒到几十秒。
相控阵雷达的雷达波采用多发射元合成技术,通过改变每个发射元的信号,合成一个定向的雷达波。通过改变发射元信号的相位,改变合成信号的方向,形成扫描效果。所以扫描速度快每秒可以扫描几十次,上百次由于发射元相位是计算机控制的,信号接收也是计算机控制检测。可以分时处理几十个、几百个目标信号,同时跟踪测量几百个目标。也可以同时制导几十枚几百枚导弹攻击目标。并且可以选择其中威胁最大的目标,进行首先攻击。次要目标的攻击放在后面。即目标具有优先级。
速度快,多目标能力,智能化控制,这是相控阵的优点。
这个问题有趣,这是不了解雷达基础知识才有的疑问。就像问你,男人和老人相比,优劣如何一样。相控阵雷达包括脉冲雷达和连续波,脉冲雷达包括多普勒雷达。多普勒雷达包括多天线雷达和单天线雷达,多天线雷达包括相控阵雷达。
在我看来,由于军事领域时间往往具有决定性,跳出雷达的思维方式,可以做得更好。大约在8年前,我就有了新的概念,对雷达是革命性的,其探测原理与处理信号的原理要先进很多,可惜官方没人相信我的话。要知道,我虽然不是该领域的专家,也没有搞过一天雷达,但并不能说明我提不出更好的概念来,我同样不是水工专家,但如果当年三峡船闸使用我的发明,只需一级船闸就行了,过闸时间要节省一大半,可惜当年官方听不进我的话,只有张光斗教授给我回过信。船闸的发明在2004年获得国家专利,名称就是一种新型船闸,不信可以搜索得到。
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