從近代戰爭來看,雷達是空戰、陸戰和海戰中極為重要的作戰“軟”武器,在幾十年的發展歷程中,始終存在著雷達與反雷達的斗爭。雷達系有源探測技術,又稱無線電定位儀,它是利用電磁波來探測目標的距離、方位及其運動狀態的。

世界上第一臺雷達誕生于20世紀30年代末期;然后一直到60年代,常規雷達由于二戰的刺激以及60年代新革命浪潮的推動而飛速發展。其中,60年代初引入移相器和陣列天線而發展出相控陣雷達,解決了常規雷達由于機械掃描和天線慣性造成的掃描速度緩慢以及精度低、可靠性不高等問題,頓時成為國際研究熱點,目前美、日、英、法、俄等各的軍事裝備中已廣泛應用;但是由于其波束出射角受到微波頻率的影響而造成波束偏斜的現象,無法滿足寬帶寬的要求。1985年,美國GardoneLeo最早提出了光學真延時相控陣雷達的思想[1],真延時技術可以很好地解決寬帶寬的問題,并且將光電子技術引入相控陣雷達還解決了電纜饋電帶來的尺寸和重量的限制以及導電電纜干擾發射單元輻射方向的問題、提高雷達性能、降低成本等;到90年代中后期隨著光電技術的日益成熟,相控陣雷達中的光學真延時技術得到了快速發展。

1　相控陣雷達

雷達在搜索目標時,需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統方法是轉動天線,使波束掃過一定的空域、地面或海面,稱為機械掃描。利用機械掃描方式工作的雷達即常規雷達,由于天線的慣性,掃描速度緩慢、精度低、可靠性不高。現代通信和軍事技術的發展對雷達和天線提出了越來越高的要求,傳統的機械掃描雷達已經無法滿足實際應用的需要;隨著60年代初移相器和相位-相位掃描體制的發展,相控陣雷達應運而生。

相控陣即“相位控制陣列天線”,由許多輻射單元排列而成,輻射單元少的有幾百,多的則可達幾千、甚至上萬,其天線排列可以是線陣、平面陣、共形陣,相控陣雷達因其天線為相控陣型而得名。相控陣雷達是一種新型的有源電掃描陣列多功能雷達,每個陣元(或一組陣元)后面接有一個可控移相器,其掃描原理是利用控制這些移相器相移量的方法來改變各陣元間的相對饋電相位,從而改變天線陣面上電磁波的相位分布,使得波束在空間按一定規律掃描[2]。如圖2相控陣原理圖所示:

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圖1　相控陣一般發射單元原理結構簡圖

傳統相控陣天線實施電掃描的關鍵器件之一是移相器。對移相器的要求是有足夠的移相精度、性能穩定、插入損耗小,用于發射陣時有足夠的功率容量,頻帶足夠寬、開關時間短、易于控制等。其種類很多,按材料分有PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、場效應晶體管移相器、鐵電陶瓷移相器以及分子極化控制移相器等;按傳輸形式分有波導移相器、同軸線移相器、集中參數移相器以及分布參數移相器等;按功率電平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模擬式、數字式以及模擬2數字控制式移相器等。與機械掃描天線系統相比,相控陣雷達有許多顯著的優點:適用于多目標、多方向、多層次空襲的作戰環境,可同時實現掃描、跟蹤、搜索等等多種功能,反應時間短、數據率高,抗干擾能力強、可靠性高等。如圖2所示的是設在美國CapeCod、每個陣元呈金字塔形的相控陣雷達[3]。它有兩個平面陣列,每個天線陣列可作扇形的微波束掃描。它能探測到3000海里范圍內10平方米大小的物體,掃描迅速,能同時跟蹤很多個物體。在相控陣天線中,對于單色或窄帶的微波信號,其發射方向由下式決定:

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圖2 　相控陣雷達天線

其中y表示發射單元的位置,Ψ是此發射單元信號的相位,f為微波頻率。可以看出,為了獲得固定的出射角度θ0,Ψ必須與f成正比[4]。在窄帶微波信號中這是沒有問題的;但是在寬帶信號中,對某個固定的發射單元來說,其發射信號的相移是不變的,而不同頻率的信號將會得到不同的發射角度,從而沿不同的方向輻射,造成波束傾斜,這是我們不愿意看到的結果。

然而當今國際形勢的新發展、新格局以及各國軍事技術力量的提高,都迫切需要提高雷達性能:為了提高抗干擾能力,相控陣雷達必須具有盡可能大的帶寬;為了提高雷達的分辨率、識別能力和解決多目標成像問題,相控陣雷達必須具有大的瞬時帶寬;為了對抗反輻射導彈的威脅,也要求采用大瞬時帶寬的擴頻信號。但是由于傳統的相控陣雷達的波束指向隨頻率的變化而偏移,不能滿足寬帶寬的要求。

2　光控相控陣雷達的光學真延時技術

將光學技術引入的光學真延時相控陣雷達便能夠解決上述問題,滿足寬帶寬的要求。由于相移是正比于頻率的,頻率不同相移也不同,二者的關系可以表示為

可以看出,由于相移正比于頻率,在各個單元間用延時來取代相移,每個頻率分量都將在同一方向射出,這種方法就稱為真延時(TTD)[4]。采用這種方法,能更好地應用于寬帶信號處理中,因此TTD是高性能雷達系統進行無偏斜寬瞬時帶寬工作的關鍵。

光控相控陣雷達的基本工作過程是:來自在雷達頻率下工作的微波發生器的信號與來自激光器的光信號經過電光調制器得到調制光信號,此調制信號被分配到一個信道陣列;陣列中的每條天線通道分配到一個調制光信號,每個調制光信號在輸出到天線發射單元之前被延時、解調和放大(各調制光信號經過不同的延時單元得到各不相同的延時,調制光信號之間產生延時差;那么再經過探測得到的不同信道的微波信號之間就產生不同的相移)。如圖4所示為光控相控陣雷達發射單元的基本結構圖。

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圖3 　光控相控陣雷達的基本結構圖

將光學技術引入到相控陣天線中帶來了很多優點:以光纖作為傳輸介質重量輕、尺寸小、靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖(EMP)能力強、損耗小;解決了電纜饋電帶來的尺寸和重量的限制以及導電電纜干擾發射單元輻射方向等問題;提高了雷達性能,簡化設計,降低成本;并且由于其控向角與微波頻率無關而消除了天線方向性斜偏,非常適用于寬帶雷達。目前主要可以通過以下幾種方法實現光學真延時:

(1)光纖延時線[5]:其結構是采用光纖作為延時線,選用數根不同長度的光纖,把它們連到光開關或MEMS上,在使用時根據要求利用開關選擇合適長度的光纖,從而得到不同的延時。此外,也可以將光纖繞在壓電晶柱上,通過改變電壓的大小來控制光纖長度的變化,從而得到不同的延時。目前常用的光纖延時線有普通光纖延時線[6]和色散光纖延時線[7]。光纖延時線具有時間帶寬積大、被延時的信號頻率高、線性好、損耗小、結構簡單等優點。缺點是延時難以調節。

(2)自由空間段光學延時[8]:其原理與光纖延時線的情況相同,只是用不同長度的自由空間段來取代光纖。調節自由空間段的長度就可以得到不同的延時,從而產生相移實現波束掃描。其缺點是元件多裝置復雜。

(3)聲光技術延時[9]:其實質是通過一個空間光調制器改變光程,用光學外差的方法將光信號的相位延遲轉移到微波信號中,從而實現延遲。但是此方法由于是自由空間傳播易受干擾,機械調制反射鏡使得調節精度較低。

(4)平面波導技術光學延時[10]:利用波導實現延時其實質就是當光在波導中傳播時,通過選取不同的光程來實現延時。這項技術需要很高的波導制作工藝水平。

(5)光纖光柵光學延時:利用短周期光纖光柵的反射特性得到不同的延時。光纖光柵憑借其優良的選頻特性及可調諧特性在在各種光學真延時方法中占據著重要的地位。通常可以采用光纖布拉格光柵[11]和啁啾光柵[12]。優點是成本低且結構設計靈活。其難點技術是光柵在光纖中的位置的精確控制以及各種不同啁啾率的光纖光柵的制作。
從上個世紀80年代到90年代中期,國際上光控相控陣研究的主要方向是采用光纖延時線以及聲光技術、波導技術來實現延時:1990年美國海軍實驗室采用基于聲光技術的光學外差方法實現了真延時,并且實現了系統的集成化[13];1991年,休斯實驗室提出了一種采用激光二極管作為開關切換光纖延時線的結構,可以工作于L波段和X波段[6];1995年加州大學的DennisT.K.Tong等人提出了波分復用技術與多波長激光器相結合的辦法,采用色散光纖作為延時線[14]。同年,加利福尼亞大學的研究人員提出了基于液晶空間光調制器的光開關網絡,在X波段角精度可達1.4°[8]。1994年前后,美國進行了大量的理論和實驗研究,證實了采用光纖光柵光學延時的的可行性[15]。

現今光控相控陣領域的研究依然活躍,美國、英國、加拿大、西班牙、法國、日本、韓國、新加坡、印度、俄羅斯等等國家都投入了大量的人力、物力進行相控陣雷達尤其是光控相控陣雷達的研究,無論對已有技術的改進還是對新技術的探索都有了新的發展。目前采用集成光學技術來實現光控相控陣雷達的方案已經被提出來[16],由于其集成度高、體積小、性能好等優點更加適應現代機載、艦載雷達的要求,可以預見集成光學相控陣雷達必將成為未來雷達研究的焦點!

3　結束語

總之,相控陣雷達憑借其相對于傳統機械掃描雷達的優勢得到了各國的青睞并快速發展,在有的國家已經達到了實際應用的水平;而光控相控陣雷達的出現更加適應了現代國際形勢發展的需要,解決了一些傳統相控陣雷達所不能解決的問題,可以預見不久的將來將會有大量的光控相控陣雷達正式登上國際軍備競爭的舞臺。