相控阵雷达与光控相控阵雷达的详细分析与发展前景

从近代战争来看,雷达是空战、陆战和海战中极为重要的作战“软”武器,在几十年的发展历程中,始终存在着雷达与反雷达的斗争。雷达系有源探测技术,又称无线电定位仪,它是利用电磁波来探测目标的距离、方位及其运动状态的。

世界上第一台雷达诞生于20世纪30年代末期;然后一直到60年代,常规雷达由于二战的刺激以及60年代新革命浪潮的推动而飞速发展。其中,60年代初引入移相器和阵列天线而发展出相控阵雷达,解决了常规雷达由于机械扫描和天线惯性造成的扫描速度缓慢以及精度低、可靠性不高等问题,顿时成为国际研究热点,目前美、日、英、法、俄等各的军事装备中已广泛应用;但是由于其波束出射角受到微波频率的影响而造成波束偏斜的现象,无法满足宽带宽的要求。1985年,美国GardoneLeo最早提出了光学真延时相控阵雷达的思想[1],真延时技术可以很好地解决宽带宽的问题,并且将光电子技术引入相控阵雷达还解决了电缆馈电带来的尺寸和重量的限制以及导电电缆干扰发射单元辐射方向的问题、提高雷达性能、降低成本等;到90年代中后期随着光电技术的日益成熟,相控阵雷达中的光学真延时技术得到了快速发展。

1　相控阵雷达

雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描。利用机械扫描方式工作的雷达即常规雷达,由于天线的惯性,扫描速度缓慢、精度低、可靠性不高。现代通信和军事技术的发展对雷达和天线提出了越来越高的要求,传统的机械扫描雷达已经无法满足实际应用的需要;随着60年代初移相器和相位-相位扫描体制的发展,相控阵雷达应运而生。

相控阵即“相位控制阵列天线”,由许多辐射单元排列而成,辐射单元少的有几百,多的则可达几千、甚至上万,其天线排列可以是线阵、平面阵、共形阵,相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。相控阵雷达是一种新型的有源电扫描阵列多功能雷达,每个阵元(或一组阵元)后面接有一个可控移相器,其扫描原理是利用控制这些移相器相移量的方法来改变各阵元间的相对馈电相位,从而改变天线阵面上电磁波的相位分布,使得波束在空间按一定规律扫描[2]。如图2相控阵原理图所示:

 

 

图1　相控阵一般发射单元原理结构简图

传统相控阵天线实施电扫描的关键器件之一是移相器。对移相器的要求是有足够的移相精度、性能稳定、插入损耗小,用于发射阵时有足够的功率容量,频带足够宽、开关时间短、易于控制等。其种类很多,按材料分有PIN二极管移相器、铁氧体移相器、场效应晶体管移相器、铁电陶瓷移相器以及分子极化控制移相器等;按传输形式分有波导移相器、同轴线移相器、集中参数移相器以及分布参数移相器等;按功率电平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模拟式、数字式以及模拟2数字控制式移相器等。与机械扫描天线系统相比,相控阵雷达有许多显著的优点:适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境,可同时实现扫描、跟踪、搜索等等多种功能,反应时间短、数据率高,抗干扰能力强、可靠性高等。如图2所示的是设在美国CapeCod、每个阵元呈金字塔形的相控阵雷达[3]。它有两个平面阵列,每个天线阵列可作扇形的微波束扫描。它能探测到3000海里范围内10平方米大小的物体,扫描迅速,能同时跟踪很多个物体。在相控阵天线中,对于单色或窄带的微波信号,其发射方向由下式决定:

 

 

 

图2 　相控阵雷达天线

其中y表示发射单元的位置,Ψ是此发射单元信号的相位,f为微波频率。可以看出,为了获得固定的出射角度θ0,Ψ必须与f成正比[4]。在窄带微波信号中这是没有问题的;但是在宽带信号中,对某个固定的发射单元来说,其发射信号的相移是不变的,而不同频率的信号将会得到不同的发射角度,从而沿不同的方向辐射,造成波束倾斜,这是我们不愿意看到的结果。

然而当今国际形势的新发展、新格局以及各国军事技术力量的提高,都迫切需要提高雷达性能:为了提高抗干扰能力,相控阵雷达必须具有尽可能大的带宽;为了提高雷达的分辨率、识别能力和解决多目标成像问题,相控阵雷达必须具有大的瞬时带宽;为了对抗反辐射导弹的威胁,也要求采用大瞬时带宽的扩频信号。但是由于传统的相控阵雷达的波束指向随频率的变化而偏移,不能满足宽带宽的要求。

2　光控相控阵雷达的光学真延时技术

将光学技术引入的光学真延时相控阵雷达便能够解决上述问题,满足宽带宽的要求。由于相移是正比于频率的,频率不同相移也不同,二者的关系可以表示为

可以看出,由于相移正比于频率,在各个单元间用延时来取代相移,每个频率分量都将在同一方向射出,这种方法就称为真延时(TTD)[4]。采用这种方法,能更好地应用于宽带信号处理中,因此TTD是高性能雷达系统进行无偏斜宽瞬时带宽工作的关键。

光控相控阵雷达的基本工作过程是:来自在雷达频率下工作的微波发生器的信号与来自激光器的光信号经过电光调制器得到调制光信号,此调制信号被分配到一个信道阵列;阵列中的每条天线通道分配到一个调制光信号,每个调制光信号在输出到天线发射单元之前被延时、解调和放大(各调制光信号经过不同的延时单元得到各不相同的延时,调制光信号之间产生延时差;那么再经过探测得到的不同信道的微波信号之间就产生不同的相移)。如图4所示为光控相控阵雷达发射单元的基本结构图。

 

 

图3 　光控相控阵雷达的基本结构图

将光学技术引入到相控阵天线中带来了很多优点:以光纤作为传输介质重量轻、尺寸小、灵活性好、抗电磁干扰(EMI)和电磁脉冲(EMP)能力强、损耗小;解决了电缆馈电带来的尺寸和重量的限制以及导电电缆干扰发射单元辐射方向等问题;提高了雷达性能,简化设计,降低成本;并且由于其控向角与微波频率无关而消除了天线方向性斜偏,非常适用于宽带雷达。目前主要可以通过以下几种方法实现光学真延时:

(1)光纤延时线[5]:其结构是采用光纤作为延时线,选用数根不同长度的光纤,把它们连到光开关或MEMS上,在使用时根据要求利用开关选择合适长度的光纤,从而得到不同的延时。此外,也可以将光纤绕在压电晶柱上,通过改变电压的大小来控制光纤长度的变化,从而得到不同的延时。目前常用的光纤延时线有普通光纤延时线[6]和色散光纤延时线[7]。光纤延时线具有时间带宽积大、被延时的信号频率高、线性好、损耗小、结构简单等优点。缺点是延时难以调节。

(2)自由空间段光学延时[8]:其原理与光纤延时线的情况相同,只是用不同长度的自由空间段来取代光纤。调节自由空间段的长度就可以得到不同的延时,从而产生相移实现波束扫描。其缺点是元件多装置复杂。

(3)声光技术延时[9]:其实质是通过一个空间光调制器改变光程,用光学外差的方法将光信号的相位延迟转移到微波信号中,从而实现延迟。但是此方法由于是自由空间传播易受干扰,机械调制反射镜使得调节精度较低。

(4)平面波导技术光学延时[10]:利用波导实现延时其实质就是当光在波导中传播时,通过选取不同的光程来实现延时。这项技术需要很高的波导制作工艺水平。

(5)光纤光栅光学延时:利用短周期光纤光栅的反射特性得到不同的延时。光纤光栅凭借其优良的选频特性及可调谐特性在在各种光学真延时方法中占据着重要的地位。通常可以采用光纤布拉格光栅[11]和啁啾光栅[12]。优点是成本低且结构设计灵活。其难点技术是光栅在光纤中的位置的精确控制以及各种不同啁啾率的光纤光栅的制作。
从上个世纪80年代到90年代中期,国际上光控相控阵研究的主要方向是采用光纤延时线以及声光技术、波导技术来实现延时:1990年美国海军实验室采用基于声光技术的光学外差方法实现了真延时,并且实现了系统的集成化[13];1991年,休斯实验室提出了一种采用激光二极管作为开关切换光纤延时线的结构,可以工作于L波段和X波段[6];1995年加州大学的DennisT.K.Tong等人提出了波分复用技术与多波长激光器相结合的办法,采用色散光纤作为延时线[14]。同年,加利福尼亚大学的研究人员提出了基于液晶空间光调制器的光开关网络,在X波段角精度可达1.4°[8]。1994年前后,美国进行了大量的理论和实验研究,证实了采用光纤光栅光学延时的的可行性[15]。

现今光控相控阵领域的研究依然活跃,美国、英国、加拿大、西班牙、法国、日本、韩国、新加坡、印度、俄罗斯等等国家都投入了大量的人力、物力进行相控阵雷达尤其是光控相控阵雷达的研究,无论对已有技术的改进还是对新技术的探索都有了新的发展。目前采用集成光学技术来实现光控相控阵雷达的方案已经被提出来[16],由于其集成度高、体积小、性能好等优点更加适应现代机载、舰载雷达的要求,可以预见集成光学相控阵雷达必将成为未来雷达研究的焦点!

3　结束语

总之,相控阵雷达凭借其相对于传统机械扫描雷达的优势得到了各国的青睐并快速发展,在有的国家已经达到了实际应用的水平;而光控相控阵雷达的出现更加适应了现代国际形势发展的需要,解决了一些传统相控阵雷达所不能解决的问题,可以预见不久的将来将会有大量的光控相控阵雷达正式登上国际军备竞争的舞台。