SMART系列多波束目標獲得/追蹤雷達

英國為安曼建造的夏米赫級(Al Shamikh class)巡邏艦首艦Al Shamikh(Q40)號的主桅杆,桅杆頂是

SMART-S MK.2 S波段多波束雷達。攝於2011年7月23日英國樸次茅茲軍港。

韓國海軍仁川級巡防艦仁川號(FFK-811)的主桅杆,頂部是一座SMART-S MK.2雷達。

攝於2015年5月新加坡國際海事防務展(IMDEX 2015)。

 ──by  Captian Picard


 

起源

在1981年,荷蘭國防部宣布,將大力發展多波束目標獲得/追蹤雷達(Signal Multibeam Acquisition Radar for Targeting,SMART),研發作業持續到1985年。首先完成的S波段版本(SMART-S)安裝在當時規劃中的凱若.道爾曼級(Karel Doorman class,又稱M class)巡防艦上,隨後也用來換裝兩艘希姆斯科級(Jacob van Heemskerck class)飛彈巡防艦,在1990年進行了海上測試。

除了S波段的SMART-S之外,SMART系列陸續發展出G/H波段操作的MW08、D(L)波段操作的SMART-L長程對空雷達等,被許多西方國家大、小船艦採用。

基本上, SMART系列雷達採用波束堆積(Stack Beam)體制,天線發射單一扇形波束並在垂直軸向掃描,接收機則分成多個筆狀波束 ,以一定的夾角排列;相鄰的接收波束會有部分重疊,當目標出現在訊號重疊部分時,就比對兩個耶收波束的訊號差異(相位、振幅等),進而判定精確的目標角度 ,每次掃描都能提供目標距離、水平方位、仰角、速率。

SMART-S對空搜索/追蹤雷達(S/F波段)

葡萄牙海軍的荷蘭製道爾曼級(Doorman class)巡防艦的NRP Bartolomeu Dias (F-333)(原荷蘭Van Nes F833)。

主桅杆頂上是SMART-S MK1雷達,這是SMART系列第一種實用化的型號。

此種雷達採用S(F)波段操作(波長約10cm),功能包括對空搜索、目標追蹤、支援防空武器射控來對抗反艦飛彈等,可處理雷達截面積0.1平方公尺的小型高速目標,以及以3馬赫速率掠海飛行或大角度俯衝的反艦飛彈等,探測仰角至多為70度。 SMART-S天線尺寸5.3x2.1m,重1500kg;後端發射機櫃重1300kg,處理機櫃重710kg,連接發射機與天線的波導重83kg,液壓動力單元重450kg。

SMART-S的後端接收機形成12個虛擬的接收波束(採用2X6排列),每個波束的水平寬度約2度、垂直寬度約9度;波束在垂直軸採用電子掃描,範圍達70度,水平方向靠械旋轉達成360度搜索。SMART-S的天線電子穩定機制,透過電子方式補償船艦在海中的搖晃,而不是使用機械穩定裝置使天線保持水平。在監視模式(surveillance mode)下,SMART-S轉速為每分鐘13.5轉,此時能發揮250km的搜索距離;而當發現威脅目標之後的防衛模式(defence mode),雷達天線轉速增為每分鐘27轉,此時偵測距離為150km。此外,SMART-S還附有敵我識別器(IFF) 。

一艘荷蘭道爾曼級巡防艦的桅杆,頂部是SMART-S雷達。

德國F123布蘭登堡級巡防艦梅克倫堡-西波美恩號(Mecklenburg-Vorpommern F-218)

的主桅杆,頂部是一具SMART-S雷達。

SMART-S最大 對空偵測距離約250km,對飛機目標的偵測距離約200km,最小探測距離約150m,對雷達截面積2平方公尺的目標偵測距離約90~100km,對低雷達截面積 (約0.1平方公尺)目標的偵測距離約45~50km,水平方向誤差小於10 mrad,俯仰方向誤差小於5 mrad,距離誤差在15m以內。SMART-S探測到目標後能自動建立三座標的目標追蹤軌跡,可在任何天候同時追蹤160個空中與40個水面目標。在高刷新率精確追蹤目標的模式下,SMART-S能自動鎖定目標,並為艦上的火控系統提供目標指引,將火砲射控雷達或用來導引防空飛彈的照射雷達帶到目標方位。SMART-S的後端技術包括快速富利葉轉換(Fast Fourier Transform,FFT)、都卜勒濾波處理(Doppler processing)、自動目標探測與追蹤,此外還有內建測試裝備(Built-In Test Equipment,BITE)來執行自我診斷與故障回報。

SMART-S的抗雜波(Anti-clutter)、電子反反制(ECCM)技術包括完整協調鏈(fully coherent chain)、帶有敏捷爆發(burst agility)的寬頻作業、高功率射頻輸出)、自動射頻(automatic RF)與脈衝回覆頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)選擇、低的天線旁波瓣,都卜勒與快速富利葉( Fast Fourier Transform,FFT)波束成形來消除背景雜波與敵方電子干擾、雜訊與干擾自動設置門檻(thresholding );自動干擾分析等。

SMART-S用於荷蘭凱若.道爾曼級巡防艦(1991年起服役)以及換裝兩艘希姆斯科級(Jacob van Heemskerck class)飛彈巡防艦。隨後德國在1990年代建造的四艘F123布蘭登堡級(Brandenburg class)巡防艦也裝備 SMART-S雷達。

MW 08對空搜索/追蹤雷達(G/H波段)

韓國KDX2飛彈驅逐艦崔瑩號(DDH-981)的MW08雷達。攝於2019年5月新加坡海事防務展(IMDEX 2019)

1980年代研製SMART-S之餘,Signnal也發展了SMART供小型艦艇使用的輕量化版:在G/H頻操作的MW08。

MW08的天線共形成6個接收波束,每個接收波束範圍是2度(水平)x12度(垂直),波束在垂直軸的最大角度為70度。MW08具備快速目標標定、追蹤能力以及敵我識別,採用數位快速富利葉( Fast Fourier Transform,FFT)波束成形來消除背景雜波與敵方電子干擾,所有功能如目標捕獲、開始追蹤、持續追蹤、內建測試等都是全自動工作,而水面目標則能自動或由人工決定是否要開始追蹤。

MW08尖峰功率約50KW,能探測包含飛機、低飛反艦飛彈等目標 ,雷達後端並自動將目標追蹤、敵我識別資料傳送至艦上作戰系統,最多能同時追蹤160個空中目標與40個水面目標 (最基本構型的能同時追蹤20個空中目標與8個水面目標,並同時導控火砲接戰2個水面目標),能探測飛行速率最高4馬赫的目標,MW08對雷達截面積0.1平方公尺的目標約有80%的機率在17公里的距離上捕獲(只靠一次接觸) ,對雷達截面積1平方公尺的目標的探測距離約27km,對雷達截面積2平方公尺的目標的探測距離約32km,方位(bearing)精確度約2度,距離精確度約90m,追蹤時方位精確度為0.250、距離精確度40m、俯仰1.20。除了偵測、監視功能外,MW-08還具有自動偵測與追蹤機能(Automatic Detection and Tracking,ADT)以及射控能力,能同時導引三門火砲進行接戰。

MW08首先被葡萄牙向德國訂購的三艘MEKO 200PN達伽馬級巡防艦(Vasco da Gama class,1987年起服役)以及希臘向德國訂購的四艘MEKO 200HN九頭蛇級巡防艦(Hydra class,1989年起服役)採用。隨後MW08繼續獲得更多訂單,包括1992年安曼( 裝備於向英國Vosper廠訂購的兩艘83m長Qahir Al Amwaj級巡邏艦)、1995年土耳其(1998年起陸續服役的Kılıç級大型飛彈快艇)、希臘(2000年首先訂購三套,用於Super Vita級大型飛彈快艇,以及升級現有Combattante III飛彈快艇)、韓國(1990年代建造的三艘KDX1廣開土大王級驅逐艦,以及2000年代建造的三艘KDX2忠武公李舜臣級飛彈驅逐艦)等。

SMART-S Mk.2對空搜索/追蹤雷達(S/F波段)

韓國海軍仁川級巡防艦仁川號(FFK-811)主桅杆頂部的SMART-S MK.2雷達。

攝於2015年5月新加坡國際海事防務展(IMDEX 2015)。

SMART-S Mk.2後部板蓋開啟。SMART-S Mk.2全面使用固態組件,發射器都整合在天線內,

沒有分立的後端發射機櫃以及導波管。

 

在2003年9月,Thales荷蘭分公司(原Signnal)正式推出SMART的新血輪:SMART-S Mk.2 S波段對空搜索雷達。SMART-S Mk2以先前SMART-S Mk.1為基礎,融入了1990年代以來為SMART-L以及Flycatcher Mk.2發展的新技術,針對中距離/遠距離操作進行最佳化,能同時追蹤與識別大量空中與水面目標,包含高速飛機、小型快艇、直昇機、反艦飛彈等。 SMART-S Mk.2採用全固態組件,固態發射機模組直接整合在天線中,省略了第一代SMART-S的分立發射機櫃以及導波管。SMART-S Mk.2的後端系統十分小巧,只有兩個小型機櫃。

SMART-S Mk.2有兩種主要操作模式:監視模式(surveillance mode)下天線轉速為每分鐘13.5轉,此時探測距離250km;發現威脅目標之後進入防衛模式(defence mode),雷達天線轉速增為每分鐘27轉,探測距離為150km。此外,還有特殊的直昇機監視模式,以及水面射控頻道。

由於性能優異且輕巧緊湊,SMART-S MK.2在國際市場上大獲成功,剛問世六年內就銷售30套至世界各國海軍,用戶包括德國、丹麥、印尼、韓國、加拿大、土耳其、安曼等等。SMART-S MK.2第一個客戶是丹麥,丹麥在2003年12月簽約購買兩套,用於兩艘規劃中的SF3500阿布沙龍級(Absalon class)多功能彈性支援艦(Flexible Support Ships )。

在2005年9月,丹麥訂購的第一套SMART-S MK.2完成工程與初始生產階段(engineering and initial production phases)。在2006年11月起,第一套SMART-S MK.2進行廠方飛行測試(Factory Evaluation Flight Trials) ,期間性能表現良好,能輕易探測小型飛機、直昇機以及雷達截面積0.1~0.0.01平方公尺的小型目標,測試結果超過客戶要求的指標。在2017年2月1日,第一套SMART-S MK.2完成廠方驗收測試(Factory Acceptance Test,FAT),之後移交丹麥的船廠,於2007年3月安裝在建造中的SF3500首艦阿布沙龍號(Absalon L16)上。

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