APAR多功能主動相位陣列雷達

 

荷蘭LCF七省級飛彈巡防艦特龍普號(Tromp F803)的APAR相位陣列雷達。

德國海軍薩克森級巡防艦薩克森號(FGS Sachsen F219)的APAR相位陣列雷達塔。

 

APAR
形式 主動式相位陣列雷達
操作波段/

波長(cm)

X(I/J)/

I頻:3~3.75

J頻:1.5~3

天線構型 固定式陣列天線*4
天線轉速(s/r)

每面天線之外型/尺寸(m) 圓形/直徑1m
天線陣列T/R單元數量 每面天線856個T/R模組(每個模組由四個T/R件構成)
輸出功率(kw)
每面天線涵蓋之橫向方位角(度) 90(四面天線涵蓋360度全方位)
搜索仰角(度) 大於70
最大搜索距離(km) 對空150

對海平面75

搜索能力 在150km內同時追蹤250個目標
同時偵測目標數 250
同時追蹤(優先處理)目標數
同時導引飛彈數 32
同時接戰目標數 16
管制武器/飛彈導引方式 標準SM-2/海麻雀ESSM防空飛彈

艦砲

參考資料:尖端科技211、212─新世代艦載相位陣列雷達與21世紀防空艦(張明德著)

 ──by  Captian Picard


回「PAAMS主要防空飛彈系統」

回「TFC三國巡防艦計畫」

 

起源

在英、法、義三國聯合開發PAAMS以裝備於各自的新一代中型防空艦艇上時,德國、荷蘭 開始合作新一代的艦載防空系統;此方案源於荷蘭信號(Signnal)參與先前美國為NFR-90巡防艦計畫 而在1987年推動的「北約主要防空系統」(NAAWS,詳見NFR-90一文),其核心是主動相陣雷達(Active Phased Array Radar,APAR),搭配一具SMART-L L/D波段長程監視雷達(另有專文介紹),防空飛彈則使用美製標準SM-2與ESSM,整套系統稱為防空戰鬥系統(Anti Air Warfare Systems,AAWS),荷蘭文為LVD(lucht ver Dedings Systeem)。在1993年7月,德國與荷蘭的相關開發團隊簽署APAR的研發合約,主承包商自然是荷蘭信號公司。

以這套防空系統為基礎,德國、荷蘭、西班牙在1994年初簽署三國巡防艦(TFC)的合作備忘錄,德國版為F124,荷蘭版為LCF,西班牙的版本為F-100;日後西班牙認為從頭開發主動相位陣列雷達與作戰系統的風險過高,在1995年6月退出TFC,轉而與美國合作,將神盾系統與AN/SPY-1D相位陣列雷達與F-100結合。不過同樣在1996年,加拿大 加入APAR的研發團隊,使APAR雷達的合作國家維持在三個。

在1999年,APAR正式展開裝艦測試,最後從2002年4月隨著荷蘭海軍LCF首艦 七省號(De Zeven Provincien F-802)開始服役,是全世界第一種實用化的主動式艦載相陣雷達系統。

APAR主動相位陣列雷達

APAR採用四面固定式相陣天線,所有的方位角同時都完全在掌握之中;由於APAR身兼照明工作,勢必無法採用單面旋轉天線,因為若天線需固定在某方位執行照明時,其他方位的偵測就無法進行了。APAR的四面天線安裝在一個塔狀桅杆結構的頂端,每面天線體積也不大,整個系統算是十分輕巧緊致,相當適合使用在四千噸級的艦艇上。APAR得以輕量化、小型化並置於全艦最高位置(可增加水平偵測距離),除了歸功於電子科技的進步外,主動相陣雷達無需被動相陣雷達的導波管、集中式發射機等麻煩裝置也是重要原因之一。

APAR的正式編號為9600-M,為了配合飛彈尋標器的照射工作,而採用波長較短、較精確但使用距離較低的X(I/J)頻(I頻:波長3~3.75cm;J頻:波長1.5~3cm)操作 ,頻率10GHz,使用四面直徑約一公尺的固定式圓形相陣天線來涵蓋360度方位 ,而由於單面天線的水平搜索角度為120度,故每面天線與兩側相鄰的天線各有15度方位角的重合,降低了目標在交角處漏失的機率。APAR每面天線由856個接收/發射(T/R)模組、一具波形產生器以及兩具專用於飛彈資料鏈傳輸與照明的波形產生器構成,而每個T/R模組由四個 天線組件構成,故每面天線陣列 總共由3424個天線組件構成;波形產生器只負責控制雷達波形,使脈衝頻率與發射間隔不斷變換,而雷達波束本身則由T/R組件構成的天線陣面產生。APAR的最大搜索仰角大於70度 ,對周遭空域的搜索監視距離為150km,對海平面搜索 的最大距離為75km;對空偵測時,可同時偵測、監控250個在150km距離外的目標 ,而對海平面目標偵測時,能在32km的距離上同時追蹤超過150個目標。APAR每面天線能以分時多工方式同時照射4個目標,故理論上整套系統能同時接戰16個目標, 前提是這16個目標必須平均分佈於四個相限上。

APAR雷達系統包括四個電力單元、四個信號與資料處理單元,以及四個位於天線表面的 氣冷裝置(對於主動相位陣列雷達而言,天線是射頻發射源,因此需要針對T/R元件實施冷卻);每面天線外部都裝有一個保護外罩,內部流通經處理的冷空氣,以維持天線的均勻散熱,保護罩內有鐵氟龍 絕熱塗層。在容損能力方面,只要失效的T/R模組數量不超過總數的5%,都不會影響APAR的性能。透過具有先進自適應技術的訊號處理電腦控制,APAR能最大限度地提高信噪比,有效降低旁波瓣外洩與干擾的情況;發現目標時,雷達便自動提高增益,以更窄的波束或者更長時間停駐於該處來追蹤並確認目標;遭遇干擾時,APAR能根據背景環境雜波或人為干擾的強度,採取增加波束駐留時間或採取相對應的增益來與之對抗。值得一提的是,雖然APAR使用在空中耗損較大的X波段,但是拜主動相位陣列雷達適應性技術與精準的波束控制能力,APAR的最大對空偵測距離仍高於波長較長(C波段)的 法製EMPAR被動相位陣列雷達。關於主動相位陣列雷達的優勢,請見相位陣列雷達概述一文。

德國、荷蘭合作發展的TFC飛彈巡防艦使用美製標準SM-2  Block 3A區域防空飛彈以及海麻雀ESSM短程防空飛彈作為主要防空武器,而這兩種飛彈都採用半主動雷達導引模式;由於採用X波段操作的APAR雷達擁有極佳的鑑別率,因此本身就能能勝任前述兩種半主動雷達導引飛彈的終端照明工作,毋須另外加裝照明雷達。因此,APAR是全球第一種能以分時多工方式同時遂行 偵測追蹤、飛彈中途導引與終端照明的雷達。

有別於傳統的專用照明雷達,APAR是多功能雷達,為防空飛彈提供終端照射波時,仍得繼續進行搜索、追蹤乃至於其他飛彈的中途上/下鏈傳輸等工作,所以波束也會在其他方向掃瞄,無法毫無間斷地照射目標 (其波束甚至無法停留在同一個目標上一秒鐘),所以不能提供傳統的連續照明波(Continuous Wave Illumination,CWI)(傳統照明雷達即便在終端階段以分時方式為多枚飛彈提供照明,每次照射也會持續數秒鐘,與相位陣列雷達截然不同)。而APAR的照射波束稱為間斷照明間斷式連續雷達波照明技術 (Interrupted Continuous Wave Illumination,ICWI)。為了配合APAR之類的X波段多功能相位陣列雷達的ICWI照射波束,SM-2與ESSM防空飛彈的尋標器後端也必須配合修改(較晚開發的海麻雀ESSM飛彈一開始就能配合ICWI照射波束)。從2000年起,荷蘭將ICWI版的SM-2與ESSM尋標器掛載於一架李爾(Learjet)小型商務噴射機上進行測試。除了導引飛彈之外,APAR也能支援艦砲射擊的指揮工作。根據日後的測試證實,APAR的ICWI照明功能可讓SM-2 Block 3防空飛彈發揮超過80%的射程。除了終端照射之外,APAR也負責SM-2與ESSM飛彈的中途上/下鏈資料傳輸工作,因此搭配的SM-2與ESSM飛彈是使用X波段資料鏈的版本 ,飛彈本身只能單向地接收發射艦傳來的修正指令(美國海軍本身使用S波段版本,配合AN/SPY-1相位陣列雷達的操作波段,具有雙向傳輸功能)。

雖然APAR的有效偵測距離較短,但由於地球表面彎曲的關係,艦艇對水平線的偵測距離本來就只有30~40km,故APAR用於偵測低空飛行目標 (如接近中的高速反艦飛彈)已經綽綽有餘;況且以APAR波束的高精確度與鑑別度(能有效克服海浪雜波干擾),目標一出現在有效偵測範圍內就能予以掌控,有充足的時間加以反應。在TFC巡防艦 ,APAR專門負責中/近程空域的密集監視、目標精確追蹤以及武器射控,而長程對空監視則由SMART-L長程3D電子掃瞄對空搜索雷達來擔任,提供數百公里外的長距離早期預警,在目標進入APAR有效使用距離前便加以偵獲,並事先將威脅方向提示給APAR雷達以縮短反應時間。

SMART-L長程三維雷達也是Signnal的產品,採用單面長方形旋轉天線,以F(S)頻(波長7.5~10cm)操作 ,天線可同時發射14道不同相位的波束,可涵蓋0至70度的垂直俯仰角,透過計算同一目標在不同波束上產生的回波相位差來計算其高度,水平旋轉速率為12週/分鐘 ,最大發射功率65KW,最大偵測距離可達400km,對戰機目標的最大搜索距離約220km,對小型飛彈的偵測距離則有65km,並透過電子方式修正船身搖晃帶來的誤差,具有優異的電子反反制能力 、數位信號過濾處理能力以及偵測彈道飛彈的潛力。除了TFC之外,水平線飛彈驅逐艦以及Type-45飛彈驅逐艦也使用改良自SMART-L的S-1850M 3D陣列雷達(沿用SMART-L的天線,但使用馬可尼公司的後端系統)。

在未來,APAR預定的改良還包括增加非共同目標辨識能力(NCTR,詳見Sampson雷達一文),並延長偵測距離(荷蘭國防部宣稱其目標是延長距離為400km)。此外,APAR與SMART-L雷達的組合也具有偵測戰術彈道飛彈的潛力,將來也可能藉此發展出一種海基戰術彈道飛彈防禦系統。荷蘭國防部在2011年宣布將LCF的SMART-L雷達升級為SMART-L Mk.2,最大偵測距離大幅增加,能偵測射程2000km級的彈道飛彈;此外,荷蘭國防部也宣稱會升級APAR,使其最大探測距離達到400公里以上。

而Thales集團(原Signnal現在便包含於其下)還推出了APAR的簡化版──主要用於導控ESSM飛彈的SEAPAR(Self-defense ESSM compatible Active Phased Array Radar)相陣照明雷達,有效使用距離約80km,在2007年 左右投入外銷市場。

Thales也將APAR相位陣列雷達與IMAST整合桅杆系統整合,此一構型為IMAST-500,詳見荷蘭級巡邏艦(Holland class)一文。

APAR Block 2

在2010年代中期,Thales開始發展第二代的APAR Block 2,改用氮化鎵(GaN)半導體製造的T/R單元。

APAR Block 2能整合入Thales的與IMAST模組化桅杆系統之中。

在2016年5月中旬,消息傳出Thales荷蘭分公司正在開發第二代的APAR,稱為APAR Block 2,不僅雷達本身擁有更好的性能,而且也能與IMAST整合桅杆系統等外銷方案進行配合。APAR Block 2首先瞄準的客戶,是同時期加拿大政府執行的加拿大水面作戰艦艇(CSC)的競標。

APAR Block 2是基於現有APAR現有系統架構上,透過插入新技術的硬體組件(含前端天線、後端控制與信號處理等)來改善雷達性能。APAR Block 2採用全數位化雷達架構,數位波束成形(Digital Beam Forming,DBF),相位陣列天線改用氮化鎵(GaN)半導體製造的T/R單元獲得更高的功率,位於下甲板的後端也更換採用現成商規(COTS)技術的處理機櫃,提高處理性能並使得後續使用維護更經濟。

APAR Block 2具備良好的探測低空超小型目標能力、目標毀傷評估能力,在遭遇沿岸地形回波干擾或敵方電子反制情況下仍能良好適應;系統採用模組化設計,易於抽換,其設計相當可靠,遭遇部分損壞時也能降級運作。APAR Block 2相容於美國為標準、ESSM系列防空飛彈的聯合通用波形資料鏈(Joint Universal Waveform Link,JUWL),能支援包含標準SM-2與ESSM/ESSM Block 2等防空飛彈族系的射控工作。

APAR Block 2在追蹤模式(tracking)下,其波束垂直俯仰範圍為70度;而在多波束 搜索以及搜索同時追蹤(Track While Scan,TWS)模式下,波束垂直俯仰範圍是35度。

測試

2003年11月,荷蘭LCF首艦 七省號(De Zeven Provincien F-802)在荷蘭外海進行首次防空飛彈試射,由兩架Iris次音速靶機擔綱。試射中, 七省號以一枚ESSM飛彈在最小有效射程處攔截靶機,另一枚標準SM-2則在最大有效射程處(據信超過100km)攔截另一架,結果APAR都能準確地追蹤目標並導引飛彈接戰,在飛彈引信引爆半徑內通過目標。荷蘭也宣稱該艦的APAR在測試中成功以單面天線同時對六個目標進行射控等級的追蹤,唯APAR公開的帳面數據仍維持單面天線接戰四個目標。在後續的0-3測試中, 七省號的APAR僅以單面天線連續攔截兩架Iris靶機,首先在81km外以兩枚標準SM-2攔截一架,再於45km外以兩枚ESSM攔截另一架。

在2004年8月,德國第一艘F-124巡防艦薩克森號(FGS Sachsen F-219)在美國加州外海進行更複雜的科目測試,並由美國海軍支援;在測試期間,薩克森號曾接戰美軍Teledyne Ryan的BQM-34S火蜂(Firebee )靶機、諾格集團(Northrop Grumman) 的BQM-74E Chukkar III 靶機、Beech的AQM-37C靶機以及空射的鷺鶿(Kormoran 1)反艦飛彈等不同假想敵,除了一對一攔截外,也首度進行單面天線同時照明高、低空目標各一,分別模擬遠處盤旋的攻擊機(以SM-2 Block 3A飛彈攔截)以及低空來襲的反艦飛彈(以ESSM飛彈攔截)。在模擬超音速反艦飛彈攻擊時,美軍以四馬赫的AQM-37C高速靶機模擬攻擊 薩克森號,靶機在高空發射,並以30度的角度朝薩克森號數公里外的海面俯衝;除了標準SM-2必須在目標還有相當高度時加以攔截外,這架靶機也故意進行轉向動作,使飛彈照明工作必須從一面陣列天線轉移至另一面 ;這是故意測試固定式四面照明陣系統的特有技術難題,結果顯示目標飛越APAR系統兩面相鄰陣列天線的工作範圍時,照射工作從一面天線轉移至另一面天線的過程中,將消耗APAR系統較多的資源,使得整體系統效能下降。最後一項測試則是德國海軍航空隊以鷺鶿反艦飛彈模擬進攻,在其中一個遠距離項目中,單面APAR天線同時發射兩道資料鏈訊號 (並非分時多工)來對兩枚標準SM-2進行中途導引。在這些試射中,輔助APAR的SMART-L雷達在遠距離就能監控靶彈發射機接近與整隊的過程,在接戰中也為APAR雷達與防空飛彈提前提示了攻擊來源方向,縮短了搜索的反應時間 。總計在2004年內,薩克森號在各項測試科目中就發射了10枚標準SM-2 Block 3A與11枚ESSM。

在2005年3月,荷蘭LCF首艦 七省號在大西洋亞速群島以西330公里附近的海域進行實戰測試,三次實彈的防空接戰包括發射一枚SM-2 Block 3A區域防空飛彈攔截一架Irish靶機、發射一枚ESSM防空飛彈攔截一架Irish靶機,以及兩次連續發射兩枚防空飛彈接戰 兩枚Irish靶機(第一次發射兩枚SM-2 Block 3A,第二次發射兩枚ESSM)。在2006年11至12月,荷蘭 七省級巡防艦參與了美國海軍在夏威夷海域舉行的反彈道飛彈能力評估,展現了艦上APAR/SMART-L雷達組合在反彈飛彈方面的潛力。

在2012年中旬,荷蘭與Thales集團簽約,將美國SM-3反彈道飛彈系統與F-124、LCF的作戰系統整合,能由SMART-L與APAR雷達的組合對彈道飛彈實施精確追蹤,並 將資料傳輸給其他配備標準SM-3飛彈的艦艇予以攔截。

 

外銷

除了自用之外,德國與荷蘭也將APAR/SMART-L雷達與戰鬥系統的組合投入2000年代以來的防空艦艇市場。然而,由於許多西方國家將長程防空與反彈道飛彈能力納入需求,因此美國業已發展成熟而且反彈道飛彈能力相當完備的神盾作戰系統和AN/SPY-1相位陣列雷達組合,就比APAR等尚未開發反彈道飛彈能力的歐洲較新系統吃香得多;當然,這些採購新型防空艦艇的國家,與美國的政治、軍事關係也較為密切。

在2000年11月,韓國展開 新一代防空作戰系統的評估,準備用於其規劃中的KDX-3大型防空驅逐艦,競爭者包括APAR/SMART-L搭配SEWACO XI戰鬥系統、美國神盾系統Baseline7.1版與SPY-1D相陣雷達以及英國Sampson相陣雷達/戰鬥管理系統(CMS)等三組。APAR/SMART-L的組合與神盾系統一同進入第二階段評比,最後南韓在2002年7月底宣布KDX-3將採用美製神盾作戰系統。APAR/SMART-L落敗的主因在於神盾Baseline7.1是神盾系列服役20年來不斷精進的成果,各方面發展已經成熟,其反彈道飛彈(TBMD)能力也已趨近完備,而 韓國對此甚為重視;而剛剛推出的APAR/SMART-L連基本的艦隊防空能力都還沒有經過充分驗證,短期內還談不上TBMD能力的開發,所以落敗並不意外。而同時期澳洲SEA 4000防空作戰驅逐艦計畫(Air Warfare Destroyer,AWD)中,英國與德國雖然分別以各自的Type-45和F-124防空巡防艦參與投標,但都不約而同捨棄本國的防空作戰系統,改用美製神盾系統;而澳洲最後選擇了配備神盾系統的西班牙F-100防空巡防艦。

不過,APAR系統在外銷市場上仍有所斬獲。在2005年4月初,Thales Netherlands與日本三菱電子(Mitsubishi Electric Corporation,Melco)簽訂合約,將APAR雷達的ICWI間斷式連續波照明技術轉移給三菱,用於日本的FCS-3改主動式相位陣列雷達上。FCS-3改艦載相位陣列雷達系統本身雖以C波段操作,但為了提供半主動雷達歸向飛彈的終端導引,所以在陣列天線中特別安排一塊X波段雷達波收發區域,專司飛彈照明波的提供。日本本身的硬體能力屬於世界一流,在主動陣列天線 所需的砷化鎵半導體技術領域堪稱翹楚;然而在軟體開發上,日本卻略遜一籌,無法充分發揮系統硬體該有的潛能,先前為三菱F-2A/B支援戰鬥機開發的J/APG-1主動相位陣列雷達便遇到不少問題 ,所以乾脆直接引進Thales現成的ICWI技術(控制軟體部分,天線本身仍為日本自製),就可以縮短FCS-3的研發時程,並免除不必要的風險。

此外,丹麥海軍選擇了APAR/SMART-L雷達戰系組合,裝備於該國衍生自SF-3500多用途支援艦的防空艦艇上,成為APAR/SMART-L的 第一個全系統外銷實績;丹麥這三艘新型防空艦稱為伊萬.休特菲爾德級(Iver Huitfeldt class),2012年起年陸續交艦成軍。

加拿大皇家海軍在2000年代初期曾打算發展省級(Province class)飛彈巡防艦,並曾考慮配備APAR/SMART-L雷達組合,不過後來沒有下文。雖然如此,APAR雷達的T/R模組單元向來是由加拿大的Sanmina公司供應。在2010年代初期,加拿大政府開始推動加拿大水面作戰船艦(Canadian Surface Combatants,CSC)計畫,而Thales荷蘭分公司也被列入考慮的戰鬥系統供應商。在2015年,Thales荷蘭分公司與Sanmina簽署一份備忘錄,在加拿大CSC項目中進行合作,由Sanmina公司生產CSC所需的雷達系統(如果荷蘭Thales得標),而這也包括此時Thales荷蘭分公司正在開發的APAR Block 2。

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