中國海軍艦載防空雷達系統

054A導彈驅逐艦湘潭艦(531)的382型三座標對空雷達特寫,攝於2019年新加坡國際防務展(IMDEX 2019)。

382型是中國參考俄羅斯頂板(Top-Plate)三座標雷達研製而成。

──by captain Picard

 


 

381型三座標對空監視雷達

051Z的381甲型雷達又稱海鷹雷達,是中國開發的第一種國產艦載三座標對空預警雷達,北約代號Rice Screen。

在1967年3月,中國國防科學技術委員會、第六機械工業部(簡稱六機部)等軍工科研單位在北京聯合召開會議,議事中正式確定研發一種三座標警戒指示雷達 ,代號381;在1967年內,國防科學技術委員會將381雷達的戰術技術論證任務交給706研究所。在1968年,第四機械工業部1014所、 724所、西北工程學院展開新雷達的方案論證;在1969年底,根據當時的地區配套的原則,確定381雷達由1014所進行設計,並與上海試驗設備廠合作研制。在1970年8月,724所組建成並主動要求承擔新型三座標的研製任務,381雷達的設計任務就由1014所移交至724所,稱為381甲型雷達,同年11月起由上海試驗設備廠展開試製(724所與西北工程學院也參與)。724所根據中國海軍的需要和國外雷達的水平,擬定了381甲雷達的戰術技術指標,並展開方案論證,送交七院組織審查,通過了選定的方案,並於1972年正式下達381甲雷達的戰術技術任務書和研制計劃。在上海試驗設備廠、724所與西北工程學院的合作下,1974年試製出381雷達的原理樣機。

在1975年,為了加快研製進度並加強設計生產力量,雷達原理樣機交由上海無線電四廠繼續試製生產,由該廠100多名技術人員、生產工人全力投入雷達試製生產作業。該廠工程與技術人員在研製過程中努力不懈,逐一解決許多技術關鍵,包括相位陣列掃瞄天線陣面、大功率鐵氧體移相器、磁通反饋式激勵器、波束控制器、高功率分配器、縫隙天線等等。在1977年,上海無線電四廠完成381甲雷達的設計定型樣機,並在053K護衛艦鷹潭號 (531)上測試。在1978年底,第一台381甲雷達樣機完成整架調試,1979年底到1980年初完成陸上實驗,1983年5月安裝在051Z的合肥號(132)上,同年12月到1984年1月完成海上聯調試驗,達到設計指標。在1981年,381甲雷達曾獲國家科技進步三等獎。在1984年7月0日,第二部381甲雷達完成調試,1985年4月至7月通過各項試驗,同年10月在錦西試驗場完成設計定型試驗,並在1986年10月安裝於051Z的大連號(110),同年底在大連號上完成海上試驗。在1987年12月12日,381甲在南京召開的設計定型審查會議上被批准定型;隨後,又陸續生產了兩台381甲雷達,分別安裝於最後兩艘051湛江(165)、珠海(166)艦上。

此外,在1974年4月,中國總參謀部召開全國雷達電子對抗研製會,確定以381甲型三坐標雷達為突破口,解決戰術雷達自適應捷變頻技術等難關,並確定以381甲雷達為對像,研製頻率合成器,待條件成熟後再衍生小H頻段的系列產品。此後,在381雷達的研製過程中,又增加自適應捷變頻技術的項目。經過七年的努力,一種以計算機為核心、在軟件編程控制下實時分析干擾頻譜、自適應地快速調整雷達工作頻率、適時修正波束指向和終端參數的雷達反干擾系統終於研製成功。

381甲是一種單維度脈衝信號相位掃瞄雷達,採用平面陣列天線,波束由移向器合成,可在垂直軸進行掃瞄,而水平掃瞄則仰賴旋轉基座來轉動天線,能快速測出目標的方位、距離、仰角,提供給艦上的戰情與射控系統。381甲運用大量當時 中國最新開發的技術,包括雙波束同時掃描數字式寬帶、全固態前向波放大鏈發射機、以計算機編程控制的頻率捷變波束控制技術數字式動目標顯示機能等等,所有元件都為固態晶體,並局部採用數位積體電路整套381甲雷達系統包含後端計算機、雷達天線與高精度穩定平台系統、發射機、接收機、波束控制器、液壓控制系統、顯示系統、電子反反制系統等23個部分;雷達信號經過後端計算機外推、平滑、補點、運算等處理後,自動追蹤目標動態,供艦上指揮員觀察戰場態勢變化並下達攻擊方案。整套381甲全系統重量達10噸,雷達天線系統重3.3噸,各次系統或終端分佈於艦桿桅高頻室、雷達室、機組室和駕駛台等各個戰位。381甲採用G波段(4000~6000Hz)操作,在低角度的波束俯仰範圍是0~17.2度,高角度為0~28.8度,低角度模式下對雷達截面積(RCS)一平方公尺目標的真測距離為120km,高角度模式下則為180km,最大探測高度25000m,波束方位/俯仰角度為正負0.8度,誤差100m以內,脈衝寬度0.5~0.8cm,脈衝頻率10次/秒,天線轉速5轉/分,能同時監視50~80個空中目標 ,並對其中20個進行精確度較高的追蹤。

在381甲雷達方案論證初期,一個關鍵問題是相位掃描運作的數據更新速率低,僅影響雷達的探測範圍,而且對天線波束寬度、覆蓋空域、脈衝工作周期等一系列指標產生不良影響。經過反復論證與實驗,研製的技術人員合理地分配天線陣功率分配器兩端的饋電,終於獲得了兩個交叉的理想波束,實現雙波束同時掃描,將掃描時間縮短一半,提高了數據更新速率。為了實現雷達寬頻帶、低電壓大功率等要求,381甲型雷達採用前向波放大鏈發射機,但當時中國並沒有現成堪用的大功率前向波管器件,也沒有使用經驗供參考。因此,前向波管成為中國科學研究院電子研究所、四機部722和778廠的重點試製項目,研制過程遇到許多困難,試制的前向波管樣管在雷達整機測試中不斷地燒毀。724所的技術人員仔蒐集、研究國外關於前向波雷達發射機的技術性能和使用條件,調整了指標要求,並改善使用條件,和試製廠的人員一起反復試驗並改進管型工藝結構,提高發射機調脈衝波形和冷卻系統液的質量,終於使381甲型雷達發射機能穩定可靠地工作,為中國寬頻帶、大功率前向波放大式雷達發射機的領域奠定良好基礎。

381甲的雷達陣面為平板形,面積約10平方公尺;由於此天線重量大、風阻高,又置於桅杆高處,相關單位花了一番功夫研製高精確度的天線穩定平台,才為雷達天線提供較高的穩定精確度。最初381甲的 由銅製造,爾後為減輕重量,改用鋁質波導。由於需要將64根大功率分配器焊接在一根長波導上,使得天線焊接工作面臨難題;經過數十次反復試驗,最後採用煤氣焊接而獲得成功。

051Z艦二號艦大連號(132)加裝了381甲雷達,但並未裝設673-II戰情中心。除了051Z之外,當時 中國新研製的053K鷹潭號(531)防空護衛艦也裝備了381甲型雷達。 在1985年,大連號(132)與福清級補給艦X-615號完成中國海軍史上首度遠航出訪任務,訪問了巴基斯坦、孟加拉、斯里蘭卡等國。在1988年3月14日的西沙海戰中,鷹潭號負責編隊的對空警戒,艦上的381甲也即時提供空域情報,其效能獲得解放軍海軍肯定。

海鷹381甲的搜索精確度遠勝過515型,而使用距離則高於354型雷達,並且能同時提供方位、距離與俯仰資訊,使得051型的防空監視能力大增 ;不過,由於381甲雷達問世時,對於當時中國電子技術水平而言太過先進,實際運作時可靠度依舊不足,因此日後052旅滬級驅逐艦並未繼續採用381甲雷達 。

深圳號的381乙三座標對空監視雷達,是中國國產的一維相位掃描雷達。

 

最後一艘採用381雷達的是唯一的一艘051B驅逐艦深圳號(167),該艦採用的381乙雷達提高了抗干擾與多目標追蹤等能力,並且改善了雷達系統的可靠度。 深圳號在2010年代的現代化改裝時拆除了381乙雷達,改用仿自俄羅斯頂板雷達的382型三座標頻率掃描雷達。

 

 

俄羅斯頂板(Top-Plate)S波段三座標對空搜索雷達

在1990年代,中國從俄羅斯先後購入四艘現代級導彈驅逐艦,艦上的頂板(Top Plate)三座標對空搜索雷達 成為中國之後發展艦載長程對空搜索雷達的重要參考對象。

「頂板」是前蘇聯第三代頻率掃瞄(Frequency Scaning)雷達。蘇聯第一代的頻率掃瞄雷達是Top Sail,採用兩個背接式天線,兩天線各自有自己的波導,其中一面是半圓柱狀的3D天線,天線中央焦點處有一垂直的波導,它的背面則是一具拋物面2D天線,其中2D天線負責中長程對空搜索,3D天線負責中短距離偵測追蹤;第二代的Plate Stere發展自Top Sail,將半圓柱狀3D反射天線換成一個平板式陣列天線,背接的仍是拋物面2D天線,平板天線採用歪斜安裝,使得雷達波束以對角線狀掃瞄四周空域,經過處理之後,便可獲得波束在垂直向掃瞄的效果;而第三代的頂板雷達則進一步將Plate Stere的2D拋物面天線也換成一個比較小的平板陣列天線,整個天線組由兩個歪斜安裝的平板陣列天線組成 。雙面背接天線能使目標更新速率提高一倍,可一定程度地強化低空目標偵測性能,而兩個天線的互補也能部分抵銷機械旋轉造成的輻射干擾;當然,兩面天線採用不同的頻率操作,以增強電子反反制能力。

頂板雷達有許多型號,第一代的是MR-710 Fregat,兩面背接天線中包括一組掃描水平面的Head Net-A二維天線,以及一組負責垂直向掃描的三維天線,兩組天線分別使用不同的波導,頻率也不相同頻率,構成垂直相交,達成測高的效果;MR-710最大偵測距離約300km, 掃描俯仰範圍為0到45度與70度,水平迴旋速率6-12rpm,系統全重17噸;爾後頂板又有MR-710M Fregat-M,以及用更新型且較為成熟的MR-750 Fregat-MA。Fregat-MA採用數位化信號處理技術,具備脈衝壓縮(Pulse Compression)能力,以及可克服干擾雜訊的自適應性,系統後端還整合了Poima-E自動偵測與追蹤(Automatic Detection and Trackint,ADT)處理器,能儲存20個目標的偵測軌跡。Fregat-MA的兩個背接天線使用單一波導,較大的天線負責高度偵測,較小的天線進行掃描。Fregat-MA具有全自動與半自動模式,全自動模式下,雷達系統可自動追蹤20個目標,目標追蹤數量還可藉由擴充後端工作站而增加;而在半自動模式下,操作人員則能以手動選擇方式追蹤至少四個目標。在雷達指揮官顯控台上,可顯示的資訊包括目標追蹤軌跡、武器接戰範圍,以及射控系統分派的接戰計畫。MR-750採用S(E/F)頻操作,旁波瓣小於30dB,尖峰功率30KW,波束垂直搜索範圍55度,能偵測到水平距離130km外、高度5km、雷達截面積7平方公尺的空中目標,或者距離30km外、雷達截面積500平方公尺的船艦目標 ,分辨率為1.5倍波束寬,測量角度的精度是水平方位6~7mils、垂直俯仰7~8mils,測距精度150m;全系統重7.5噸,天線重2.2噸。此外,前蘇聯還推出MR-750的輕量簡化版──MR-755,只採用一 個頻率掃描的平板陣列天線與一具識別天線,北約代號半板(Half Plate),全重6.5噸,最大偵測距離150km,波束的垂直向偵測範圍55度,天線轉速15rpm,此雷達裝備於克里瓦克(Krivak)系列護衛艦與印度德里級(Delhi class)導彈驅逐艦上。Fregat-MA的平均失效間隔(MTBF)約150小時。

日後外銷版Fregat-MA稱為MAE系列,分為多種尺寸、性能不同的衍生型,總共有S(E)頻與X頻兩種型號,其中S(E)頻的短波天線尺寸為3.4X3.3(m),增益36dB,長波天線尺寸3.54X2.42m,增益33dB,後端為三級,包括一個TWT與兩個放大器,功率峰值30KW;而X頻天線則為1.5X1.5m,增益36dB,後端為兩級,包括一個TWT與一個klystron短波放大器,峰值功率60kW。MAE系列的後端顯控台使用Baget系列電腦,採用開放式架構,與PC規格的電腦組件相容。MAE各型號諸元分別如下:

MAE MAE-1 MAE-4K MAE-3 M2EM
操作頻率(GHz) S(E)頻(2~3GHz) X頻(6~8GHz) S(E)頻(2~3GHz)
天線形式 單面 單面 單面 雙面背接
系統重量(天線/後端)(kg) 2.2/2.9 1/3.1 0.4/2.6 2.5/6.6 2.5/9.6
波束最大仰角(度) 40(高頻)/55(低頻) 30 40 55 55
對戰機偵測距離(km) 130(高頻)/120(低頻) 125 200 180 230
對導彈偵測距離(km) 30(高頻)/27(低頻) 27 27 43 38
最小偵測距離(km) 2 2 1.5 2 2
水平向精確度(度) 0.4 0.4 0.23 0.4 0.4
垂直向精確度(度) 0.43(高頻)/0.67(低頻) 0.72 0.33 0.5 0.5
水平迴旋速率(rpm) 15 15 30 6-12 6-12

M2EM是MAE中最主要、最完整的版本,與MR-750同級,被印度塔瓦級(Talwar class)與敘瓦利克級(Shivalik class)導彈護衛艦採用,型號為MR-760;而M2EM另一種較新的MAE-5(北約代號為頂板-2B)D/E頻雷達也被中國採用,裝備於2000年代初期建造的052B、051C導彈驅逐艦上。頂板MAE-5型發射功率較早期型號增加一倍,達到90KW,最大對空搜索距離維持在300km左右,不過對戰機與 導彈目標的探測距離增加了20%;其波束的垂直搜索範圍為55度角,最大搜索高度達30km,能在220km外偵測到雷達截面積2平方公尺的目標,對反艦導彈偵測距離約35~50km,最小搜索距離2km,能同時搜索100個目標,並對其中25個目標進行精確追蹤。MAE-5採用背接式天線,天線重2.5ton,轉速為6或12rpm。

在1990年代後期,中國參考頂板-2B雷達,自行研製出382型三座標對空搜索雷達,於2004年完成測試,隨後裝備於054A導彈護衛艦上。

 

382型三座標對空監視雷達

(上與下)054A湘潭艦(531)的382型雷達

 

382型三座標對空搜索雷達是中國參考俄羅斯「頂板」三座標雷達研製而成,外銷型號據說為海鷹S/C型(Sea Eagle S/C)。

382 型雷達 立項於1990年代中後期,2002年完成正樣機的研製工作,於2004年完成 所有測試定型,隨後就裝備於054A導彈護衛艦上。382明顯參考了從俄羅斯引進的MR-750 FREGAT-M2EM三座標對空搜索雷達(北約代號頂板,Top Plate), 例如兩面接背天線的構型,並使用頻率掃描技術來使波束在垂直方向移動,但兩者的運作原理不完全相同。相較於頂板,382型硬體、各次系統與後端等都做了改 進,發射機功率增加,最大偵測距離、高度、資料處理與分辨能力都優於原裝的MR-750雷達。382型雷達的功能包括對空搜索警戒、超低空搜索和對海搜索等、為HQ-16防空導彈系統提供修正參數等,具備兩種目標指示工作方式。382型的天線的波束最大俯仰角度約70度,後端擁有兩部發射機, 每部發射機的尖峰發射功率100KW;天線每轉一圈能處理超過100個目標軌跡,能同時精確追蹤高於20個目標軌跡,對空探測距離超過250km。相較於俄羅斯原版頂板,382型的天線外觀有所不同,外型比較簡潔,省略了原裝頂板 雷達轉軸頂端的一個小型一座標接收天線,天線的機械結構也有所變更。

上為052B導彈驅逐艦上的俄羅斯原裝的頂板雷達,下為054A的382雷達,兩者天線構型類似。

在外觀上,382雷達省略頂板雷達頂部的一個一座標天線,是最大的區別。

(上與下二張)上為俄羅斯原裝頂板雷達天線(攝於印度Project 17導彈護衛艦)

,下為中國382型雷達。注意兩者的背接天線結構類似,而且都使用頻率掃描天線陣面,

天線橫向波導由側面的蛇形延遲線連結。

 

在382雷達之前,中國第一種國產的三維 對空監視雷達381型雖然看似採用較為先進的相位掃描體制,但由於中國電子科技不成熟,可靠度無法讓軍方滿意,因此只有兩艘實驗性的051Z防空指揮艦以 及唯一的一艘051B導彈驅逐艦深圳號採用。而382雷達則是中國海軍第一種性能成熟可靠並且大量裝備的三座標對空監視雷達,裝備於054A導彈護衛艦上。

 

364型X波段二維對空/對海搜索雷達

054A導彈驅逐艦湘潭艦(531)的364型X波段近程追蹤雷達,安裝在後桅杆頂不的大型球型外罩裡。

攝於2019年新加坡國際防務展(IMDEX 2019)。

 

為了強化短距離低空目標搜索能力,彌補長程雷達波長較大、解析度較差 、目標更新率較慢的不足,中國海軍2000年代以來的052B/C/D及051C導彈驅逐艦、054系列護衛艦等等,都裝有364型X波段二維近程對空/對海搜索雷達 。364型雷達天線安裝在一個球狀保護罩內,用於搜索與追蹤中/低空目標以及海面目標 ,能偵測超音速掠海目標。

364型雷達系統的各部分。雷達天線設置於球型保護罩內。

 

早期的364雷達只有單頻操作,爾後改進為雙波段,廣域搜索與精確追蹤模式下分別使用不同波段。364型雷達系統由天線總成(含天線座、天線罩、饋線等)、兩部不同波段的發射機櫃、處理機櫃、伺服機櫃、顯控機櫃、冷卻機櫃、配電系統等構成。依照任務型態的不同,364型雷達具有每分鐘60轉、30轉與15轉三種工作模式。364型雷達最大使用距離約100km以上,最大搜索高度約8000m,對掠海反艦飛彈之類的小型目標(雷達截面積小於0.1平方公尺)偵測距離約12到18km(在60轉/分模式下,對雷達截面積0.1平方公尺、飛行速率1至3馬赫的掠海目標,偵測距離不小於13km),主要用來做近程防空(如730近迫武器系統或艦砲)的先期指引。364型雷達採用 雙頻分集、全相參非線性脈衝壓縮、自適應MTD技術,具有抗異步脈衝干擾、抗寬窄頻帶阻塞干擾、抗海浪雜波和氣像干擾的能力。364雷達的外銷版型號為SR-64,只能以單波段工作,不像364雷達以雙波段工作。

X波段平板陣列近程對空/對海搜索雷達雷達

(上與下)2010年左右裝在華羅庚號後桅杆頂部的對空搜索雷達,應為某種電子掃瞄雷達,

可能是用來為紅旗-10防空導彈、近防砲提供目標指引的近距離追蹤雷達。

2019年9月中旬的075兩棲攻擊艦首艦施工照片,後桅杆頂裝置了一個新型

背靠背的旋轉平板陣列雷達,應該是中國新開發的近程追蹤雷達。

 

在2011年3月,照片顯示中國海軍試驗艦華羅庚號(983)經改裝後,艦上增設若干前所未見的雷達與武器系統。首先,煙囪後方的桅杆設置了一個平板狀的電子掃瞄式機械旋轉對空搜索雷達,推測這可能是用來為紅旗-10防空 導彈、近防砲提供目標指引的X波段近距離追蹤雷達,將取代364型X波段近程追蹤雷達 。

在2019年9月,網路出現首艘在滬東造船廠建造的075兩棲攻擊艦照片,桅杆上出現一座使用背靠背平板陣列天線的新型雷達,估計就是X波段近程追蹤雷達,用來監視近程空域以及指揮海紅旗-10防空導彈與30mm近防砲接戰來襲導彈。075是首艘裝備此種雷達的中國海軍艦艇。