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武備巡禮

【武備巡禮】國機國造新能量─主動電子掃描陣列雷達

  2017年初,中科院首度對媒體展示我國自行研發的「主動電子掃描陣列」(Active Electronically Scanned Array, AESA)雷達,藉以彰顯新一代戰機的先進雷達、短場起降及空中匿蹤等3項必要條件,目前已逐步累積到「國機國造」的科技能量。本文即針對主動電子掃描陣列雷達的研發生產背景、陸海空軍廣泛運用、未來發展趨勢等範疇,依序為讀者做深入的介紹。

 研發生產背景

 回顧第一次世界大戰,早已在空中發生相當激烈的戰鬥,但只能依賴前線監視的地面觀察,以及飛行員在空中的目視等原始方式,才能獲得接戰的相關情資。第二次世界大戰時,因德國對英國發動猛烈的空中轟炸,促成防空雷達的加速研發。第二次世界大戰後,更發展出各種先進的雷達技術,諸如:單脈衝角度追蹤系統、脈衝都卜勒訊號系統、敵我識別雷達迴波器、高解析度合成孔徑與脈衝壓縮系統、電腦自動火控系統、地形迴避與追蹤系統,以及本文所要介紹的電子掃描陣列雷達等系統。

 檢視「雷達」這個專業名詞,來自Radio Detection and Ranging英文縮寫RADAR,以及縮寫字的音譯;其功能就是使用無線電磁波來偵測目標的類型、方位、高度、距離與速度等資訊,如此才能盡早準備攻擊與反制等諸般行動。至於雷達發射電磁波的頻率範圍稱為「雷達波段」(Radar Frequency Band),其度量單位是「赫茲」(Hz)。大多數雷達運用超短波與微波等波段,頻率範圍在3MHz-300GHz、相對波長為1mm-100m之間。

 簡述雷達偵測目標的流程:先由雷達天線朝向偵測目標的位置,以發射機對著目標發射無線電磁波,再由接收機回收偵測目標的反射回波信號,最後在顯示器上展現目標的相關資料以供運用。因此,傳統雷達系統的主要架構為:旋轉式雷達天線、無線電磁波發射機、無線電磁波反射回波接收機,以及目標顯示器等裝備。

 對照電子掃描陣列雷達,其架構會與傳統的雷達略有差異。主要的是其雷達天線可以不旋轉,經由改變雷達天線的掃描頻率或相位,進而變更其合成波束的發射方向,所以其傑出的特性是,加快雷達天線掃描與改變波束方向的速率;因此,提升了偵測目標的精確性與對多目標的接戰能力,可以同時運用對空與對地的搜索模式,以及鎖定部分目標並持續追蹤其他目標等功能。此外,電子掃描陣列雷達的天線仍可保持機械性的旋轉,如此更可擴大其偵測範圍,並排除了旋轉式雷達天線因機械故障而影響到偵測範圍。

  其次是,電子掃描陣列雷達的天線具有2種掃描模式,第一種是改變掃描的頻率,進而改變其合成波束的發射方向;然而,軍用雷達很少使用這種掃描模式,只有在早期與第2種掃描模式合併使用,也就是改變掃描的相位,進而改變其合成波束的發射方向。

 諸如像是美國企業號航空母艦與長灘號飛彈巡洋艦,其艦上雷達系統對目標的追蹤功能,在偵測目標的高度時,採用變更頻率的掃描模式,而在偵測目標的方位時,則採用改變相位的掃描模式;這2種雷達天線的掃描模式,同樣都可以改變其合成波束的發射方向。

 有關改變掃描相位的陣列雷達亦有2種模式,第1種是「被動相位雷達」(Passive Phased Array Radar, PPAR),意指雷達天線的陣列單元只是改變電磁波的相位,並沒有發射電磁波的能力,係依靠雷達天線後方的信號產生器,把電磁波傳給信號放大器而發射出去;至於反射回波信號的接收方式,則如前述的流程反向行之。第2種是「主動相位雷達」(Active Phased Array Radar, APAR),意指雷達天線的陣列單元,全都具備電磁波的信號產生、發射,以及接收的功能;亦即把電磁波的信號產生器、放大器和接收機等功能,完全整合在每一個陣列單元中,雷達天線即可主動發射電磁波與接收反射回波信號。

 比對主動與被動相位雷達的功能差異,主動相位雷達降低了電磁波在傳送過程中的能量損失,除了可以增加工作效率與偵測距離之外,更能把雷達天線分成幾個陣列區塊,採用多工模式以同時獨自發出合成波束,據以執行不同目標的鎖定與追蹤等多重任務。因此,主動相位雷達是當前開發電子掃描陣列雷達的主流趨勢。

 各軍種廣泛運用

 當電子掃描陣列雷達的功能日愈成熟,全世界大多數國家在各軍種的偵測系統上廣泛運用。以在陸上的運用而言,美軍率先把較大尺寸的該型雷達運用在長程預警雷達上;比如美國在1975年為因應前蘇聯的彈道飛彈增加射程,開始研發簡稱舖路爪雷達的「相位陣列預警系統」(Phased Array Warning System, PAWS)。

  自1979年起,美軍陸續在麻州、加州、喬治亞州、阿拉斯加州及德州等地建造了5座舖路爪雷達站,以反制前蘇聯的彈道飛彈威脅。隨後在「後冷戰期」,先後拆除喬治亞州與德州的雷達站,目前只部署在加州的比爾(Beale)、麻州的科德角(Cape Cod)、阿拉斯加州的科利爾(Clear)等3處空軍基地,並且在英國、格陵蘭等地區部署。2013年美國在亞洲,完成舖路爪AN/FPS-115型長程預警雷達的部署,可以偵測2000公里以外的長程彈道飛彈、低空巡弋飛彈,以及空中戰轟機等威脅目標,並因部署在高山上,同時也能俯視偵測到水面上艦艇的活動情況。

 再以美海軍的「神盾戰鬥系統」(Aegis combat system)來看海上的運用。該系統的核心是AN/SPY-1 3D型相位陣列雷達,此型雷達於1965年開始發展,1974年進行海上作戰測評,1983年加入提康德羅加級飛彈巡洋艦服役,1991年加入勃克級驅逐艦服役。獲得重用的原因是,此型相位陣列雷達能以多工模式,同時偵測海面與空中的目標,並掌控多目標之火力控制系統,是神盾戰鬥系統發揮強大戰力的基石。

 未來發展趨勢

 整體而言,目前通稱雷達的偵測技術已不再是單一採用無線電磁波來偵測目標,更發展至採用紅外線、紫外線、雷射,以及其他光學偵測等技術的整合運用。然而,最成熟的還是傳統無線電磁波的運用,所以美國目前還正在進行「可變敏捷波束雷達」(Scalable Agile Beam Radar, SABR)的研發與展示。

  這種先進的全方位射控雷達,不但具備主動電子掃描陣列雷達的多功能優點,也因為相關科技的延續應用而大幅節省研發成本。有趣的是,它的設計原本是針對F-16戰機提升的龐大市場,成果卻也適用於其他先進戰機的作戰需求,值得我們觀察其未來的發展趨勢。

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