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写在前面：之前发过两篇关于大型雷达的文章，字里行间难掩我对于这些巨大精密之盾的喜爱。一方面这是最能直观呈现人类在微波射频领域技术和工程成就力的结晶，另一方面，这些巨大的建筑本身就有一种独特的科技之美。后面的话……我也会更新一些其他题材的翻译作品，当然也有原创作品。至于为什么连发两篇，主要是我不幸患上流感，哪都去不了，只能在家里混论坛水贴。因为生病的原因，有事实性及文笔错误，还望大家多多理解，提前谢过各位。
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提起“铺路爪”这款雷达，大家可能会比较陌生，但如果说“宙斯盾”的话，那大家应该会相对熟悉一些。作为世界最知名的舰载相控阵雷达系统，宙斯盾的名号可谓十分响亮。而“铺路爪”，某种程度上是宙斯盾的前辈和究极放大体，也是世界上第一款实用化的大型有源相控阵雷达系统，它的传奇，无须多言。
目录：
一.有源相控阵与无源相控阵
二.铺路爪概况
三.铺路爪参观
四.后续发展
一.有源相控阵与无源相控阵
相控阵雷达有多种形式，最常见的两种，是无源电子扫描阵列 (PESA)和有源电子扫描阵列 (AESA)。
第一种是无源相控阵，又叫无源电子扫描阵列(PESA)，其天线阵连接到单个发射器和/或接收器。发射器发射出的不同波束，通过独立的移相器进行位置调整。使得雷达可以同时跟踪不同的目标，只需要调整不同移相器即可。无源相控阵是最常见的相控阵类型。
美国从上世纪60-70年代，开始无源相控阵雷达的研发，早期的无源相控阵雷达，包括之前提到的斯坦利.R.米克尔森反导综合体，AN/FPS-108 Cobra Dane远程预警雷达，以及安装在航天测控船上的AN/SPQ-11 Cobra Judy，前者主要用于跟踪苏联的弹道导弹，后者则主要用于跟踪再入地球的航天器。
AN/FPS-108 Cobra Dane相控阵雷达
AN/SPQ-11 Cobra Judy相控阵雷达
但无源相控阵雷达有一个问题，那就是无法对每个波束进行更精确的控制，且如果发射接收机被毁，则整个天线阵也随之变成废铁，这就催生了有源相控阵或有源电子扫描阵列(AESA) 。其每个天线元件都有一个模拟发射器/接收器 (T/R) 模块，它产生电子控制天线波束所需的相移。有源阵列是更先进的第二代相控阵技术，用于军事应用；与无源相控阵不同，它们可以同时向不同方向发射多个频率的无线电波束。有源相控阵比起无源相控阵，其不管是性能还是可维护性都要高很多。
一张图，直观呈现了无源相控阵和有源相控阵的区别，左为无源，右为有源
美国的第一个大型有源相控阵雷达是著名的AN/FPS-85，用独立的发射/接收元件代替了大型发射/接收机，但该雷达尚不足以称为真正的有源相控阵，因为该雷达并没有将T/R组件合二为一，而是发射天线一个阵列，接收天线一个阵列，所以该雷达的实验意味非常明显。但尽管如此，该雷达还是在建成后，成为了世界上探测能力最强的远程预警雷达。
AN/FPS-85相控阵雷达
AN/FPS-85功能展示图，左边较小的阵列是发射阵列，右边较大的阵列为接收阵列
AN/FPS-85的接收阵列，一个一个的方形模块就是接收模块
AN/FPS-85的控制中心
而真正将T/R组件大规模普及化的，便是我们今天提到的AN/FPS-85继承者，鼎鼎大名的“铺路爪”系统。
二.铺路爪概况
和很多科技成就一样，铺路爪雷达是在冷战时期建造的，目的是对核攻击发出预警，为美国轰炸机起飞和发射美国陆基导弹留出时间，以减少先发制人的打击摧毁美国的机会。
20世纪70年代，苏联部署了潜射弹道导弹(SLBM)，大大缩短了检测到敌方导弹到其到达目标之间的可用警告时间，因为潜射弹道导弹可以比以前更靠近美国发射洲际弹道导弹。因此，需要一种反应时间比现有雷达更快的雷达系统——也就是后来的铺路爪系统，后来铺路爪雷达获得了第二项任务，即跟踪地球轨道上的卫星和其他物体，作为美国太空监视网络的一部分。
该系统的一个显着特点是其相控阵天线技术，它是最早的大型相控阵雷达之一。使用相控阵是因为传统的机械旋转雷达天线转动速度不够快，无法跟踪多枚弹道导弹。对美国的核打击，将包括数百枚洲际弹道导弹和潜射弹道导弹同时袭来，而相控阵雷达的波束通过电子方式控制，无需移动固定天线，因此可以在几毫秒内指向不同的方向，从而能够同时跟踪许多来袭导弹。
铺路爪雷达由两个相控阵天线面组成，安装在 105 英尺高的发射机大楼的两个倾斜侧面，方位角相距 120°。每个阵列的波束可以从阵列的中心视轴偏转最多 60°，从而使每个阵列能够覆盖 120° 的方位角，因此整个雷达可以覆盖 240° 的方位角。
每个阵列是一个直径 72.5 英尺（22.1 m）的圆圈，由 2677 个交叉偶极子天线元件组成，其中 1792 个并用作发射和接收天线，其余用作接收天线。由于干扰现象，来自单独元件的无线电波在天线前面组合形成波束。该阵列的增益为38.6 dB，波束宽度仅为2.2°。每个天线元件的驱动电流由中央计算机控制。通过改变提供给每个天线元件的电流脉冲的相对定时，计算机可以立即将波束转向不同的方向。
铺路爪是一个真正的有源相控阵雷达；1792个发射元件中的每一个都有自己的固态发射器/接收器模块，雷达中的每一个组件，都可以检测到小型汽车大小的物体，以及更近距离的较小物体。
雷达的运行是完全自动的，由四台计算机控制。该软件将不同的波束划分为“监视”和“跟踪”功能，在不同任务之间快速来回切换光束。在监视模式下，雷达以 3° 至 10° 仰角的模式在其整个 240° 方位角上重复扫描地平线，形成一个“监视栅栏”，以立即检测到进入雷达视野的导弹。在跟踪模式下，雷达波束通常会消耗 18% 占空比中的另外 7%，从而确定其轨迹，计算其发射点和目标点。
三.铺路爪参观
第一个铺路爪系统，部署于科德角的比尔空军基地，用于监视来自美国东海岸一侧的可疑目标，该系统于1979年达到作战能力。而我们今天参观的，正是位于科德角的这个初代铺路爪雷达系统。
雷达主体，巨大壮观
换个视角看看雷达
这个视角能很清楚的看到雷达的两个天线阵列面
雷达正面
铺路爪雷达的模型
天线，一个铺路爪系统由1792个这样的天线组件组成
安装在天线上的T/R组件特写(两个银色类圆柱体)
整齐排列的天线模组
雷达一侧的空调机房
空调机房特写
雷达另一侧的冷却机房
冷却机房特写，里面是水冷系统的冷水机和热交换系统
进入参观，首先是会客厅部分，有一座雷达系统的雕像，和一些纪念品
这是雷达系统总负责人的办公室/会议室，趁没人爬到boss的座位上感受一下，注意别弄脏boss的皮大衣
控制中心入口，警示标志很显眼
一号控制分区，负责雷达的参数监控及日常维护
二号控制分区，负责辨识跟踪轨道上的太空物体
二号控制分区的大型计算机，存储介质以磁带为主
二号控制分区的可更换磁盘特写，当时的硬盘是可以更换盘片的，盘片装在这样的塑料容器里
二号控制分区的信号传输电缆通道
罕见彩图，这是二号控制分区忙碌时的情况，画面前端的女士正在更换硬盘盘片
三号控制分区，该分区专门跟踪高威胁目标，譬如腾空而起的弹道导弹
巨大的阴极显示器
三号控制分区总负责人的独立工位
阴极显示器特写
彩图，展示了三号控制分区工作时的情况
看完控制中心，接下来是雷达设备层，先来一个概况图
给T/R组件及天线供电冷却的相关部件特写
巨大的钢梁有利于保证建筑结构的稳固
信号传输同轴电缆特写
液冷系统是保证雷达站正常运作的关键，所以设备层张贴有直观的液冷系统结构图，附有维护告示
液冷系统热交换器
液冷系统控制面板
独立于电网的柴油发电机
发电机特写
发电机控制室
参观结束，从空中俯瞰一眼科德角的铺路爪雷达
四.后续发展
随着科技的不断发展，旧的第一代铺路爪系统，已逐渐开始显示出疲态。进入20世纪80年代后，固态相控阵雷达系统 (SSPARS) ，也就是新的雷神 AN/FPS-123雷达开始取代铺路爪，英国RAF Fylingdales和阿拉斯加的雷达站，分别于1982年和1985年换装更先进的雷达系统，成为了第一批SSPARS雷达站。
更换AN/FPS-123雷达以后的英国铺路爪雷达站
进入21世纪后，AN/FPS-123逐渐被雷神公司AN/FPS-132 升级型预警雷达(UEWR)所替换——其中第一个完成汰换的，是位于美国本土的Beale雷达站，更新内容包括电子设备、发射-接收模块、接收器激励器/测试目标生成器、波束转向生成器、信号处理计算机等。这是最先进的美国远程预警雷达之一，其很多技术细节依旧处于保密状态。
AN/FPS-132 UEWR远程预警雷达
现在美国最新的远程预警雷达，是2006年完成部署的海基X波段预警雷达，这是一种安装在类似钻井平台的驳船上的有源相控阵雷达。雷达天线有384 ㎡，它有 45000 个固态发射-接收模块安装在八角形平坦底座上，可以在方位角和 0 至 85 度仰角上移动 ±270 度（尽管软件目前将最大物理仰角限制为 80 度）。最大方位角和仰角速度约为每秒 5-8 度。除了底座的物理运动之外，光束还可以通过电子方式偏离视轴（详细信息保密）。
目前雷达上安装了22000个模块。每个模块有一个发射接收馈源喇叭和一个用于第二极化的辅助接收馈源喇叭，总共44000个馈源喇叭。当前的模块集中在中心，以最大限度地减少栅瓣。为了民众的健康，雷达永远不会指向陆地。
海基X波段雷达的天线阵列
结语：
如果说无源相控阵雷达，是70年代的科技奇迹，那以铺路爪雷达系统为代表的有源相控阵雷达，则是上世纪80年代的科技奇迹。它的诞生，标志着人类真正实现了类似昆虫复眼般对电磁波束的精确控制，对微波，射频领域有着不可估量的意义。
铺路爪雷达为之后的宙斯盾系统，以及爱国者导弹的雷达系统铺平了道路，随着电子技术和固态半导体元件的小型化，有源相控阵雷达体积越来越小，性能越来越强，在相同面积的天线阵列下能容纳的模组也越来越多。
随着相控阵技术逐渐民用化，相关领域的市场也会越来越广，毕竟对战争的恐惧，是驱动科技发展的重要动力，但和平与发展，才是当今时代的主题。
(完) |
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雷达卡
发表于 2024-1-23 14:57:37
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