我是一名雷达工程师。我来解释一下火控雷达和相控阵雷达!
火控雷达
目前,许多武器已经不再由人控制。比如不再用人来控制武器的瞄准、跟踪和开火,而是用计算机来控制。然而,计算机无法自行发现、跟踪和锁定目标。这时候我们就需要一个先进的辅助设备,那就是雷达。
雷达的工作原理很简单,就像我们日常生活中常见的蝙蝠一样。雷达发射电磁波,电磁波遇到目标会反射。理论上,只要不同于空气体这种介质,就会反射,云也是如此。
反射回来的信号会再次被雷达接收到,此时返回的信号包含了目标的各种信息。简单解释一下,比如目标的距离。雷达波的速度就是光速。记录发射信号的时间和接收信号的时间的时间差,乘以光速。获得的数据有一半是雷达到目标的距离。相信这个大家都很容易理解。但是这个时候假设目标是不动的,因为即使目标再快,在光速面前也根本不算什么。
其他信息,如目标的移动速度和方向,也可以通过其他计算方法或理论获得。我们再举一个例子来说明目标的移动速度。还是和上面说的距离有关。雷达连续发射两次信号。取两个发射信号的间隔时间,然后计算两个接收目标的距离,除以两个信号的间隔时间,基本就是目标的速度。至于运动方向,用的多普勒效应也很简单。当目标远离雷达时,返回信号的频率变小,当目标靠近雷达时,返回信号的频率变大。
当然,真实雷达的工作原理要比这复杂得多,算法也很复杂,但基本原理如下。通过雷达,已经可以获得目标的移动速度、方向、距离等信息。此时,如果将信息传输给武器的计算机,计算机就可以根据雷达提供的信息向目标开火。而且由于雷达在不断工作,信息不断更新,武器可以自动跟踪目标并进行射击。这个雷达是火控雷达。
上述常见的火炮武器,比如军舰的近防炮,非常需要火控雷达的支援,因为反舰导弹的速度极快,人根本来不及反应,只能依靠电脑和火控雷达来完成射击。
同样,很多导弹也需要火控雷达的支持,因为有些导弹没有雷达发射机,只有接收机,需要火控雷达对目标进行持续照射,获取目标的各种信息后传输给导弹,这样导弹才能对目标进行跟踪。这种制导方式也被称为半主动雷达制导。比如下图就是半主动制导的原理。
如果有半主动引导,当然有主动引导。这种制导方式的导弹本身装有雷达发射机,相当于在弹头中安装了火控雷达,也就是俗称的发射后无管导弹。但这种导弹在发射前仍需要其他火控雷达的辅助。毕竟其雷达探测搜索能力有限,需要机载或舰载火控雷达的辅助。
相控阵雷达相控阵雷达是一种新型雷达。简单来说,它可以在不旋转天线的情况下,通过控制相位实现雷达波束指向不同的方向。当然,如果你不明白这里是什么阶段也没关系。我打个简单的比方给你解释一下。
传统的雷达相当于一个非常大的探照灯,相信大家都能理解。你要看哪里,就得照那个方向,而且只能照某个固定的方向。如果要实现水平360度覆盖,也就是需要不停的转动探照灯。这种雷达探测角度有限,跟踪目标有限。
至于相控阵雷达,它是由许多小型探照灯组成的阵列,例如以10X10排列,共有100个小型探照灯(小型雷达)。每个雷达独立工作,可以独立发射和接收。此时整个探照灯系统可以同时照射同一个方向或者同一个目标,也可以通过旋转小探照灯照射其他方向(实际雷达是静止的,这里的比喻有些不恰当)。这样,整个探照灯就可以不动,还能照亮其他方向。
你也可以把这100盏探照灯分成不动的组,比如每组十盏探照灯,这样你就可以把它们分成十组,每组可以照射不同的目标或者方向。这时候就可以实现对多个方向多个目标的探测、跟踪和锁定。
相控阵雷达其实基本就是上述原理,只不过相控阵雷达的天线不旋转,它控制模拟信号的相位来实现不同的发射方向和雷达波束的分组。一般三面或四面相控阵天线可以实现水平方向360度的覆盖和一定的俯仰角。比如大家熟知的舰载相控阵雷达天线,一般有四个相控阵雷达天线。
这里先说一下什么是有源相控阵,什么是无源相控阵。其实上面说的就是有源相控阵雷达。每个小雷达都有自己的发射和接收组件(T/R),每个小雷达都可以独立工作,这样即使一部分坏了,整个相控阵仍然可以正常工作,可靠性高,但技术含量最大。
无源相控阵,整个雷达只有一个中心收发机,所以技术要求不高,但是一旦中心收发机系统坏了,这个雷达就不行了,可靠性不高。目前飞机或舰船上的主流相控阵雷达一般都是有源相控阵雷达。
目前很多相控阵雷达还具有火控雷达的功能,比如机载相控阵雷达,可以为空空导弹提供火控服务。
以上是导演的个人解释。或许解释的不是那么专业和准确。如果你有更好的解释,请评论。如果想了解更多关于雷达的知识,比如什么是合成孔径雷达,什么是交通测速雷达,什么是汽车防撞雷达,请关注导演。