WM-20系列射控系統/分離標定與照明雷達(STIR)

希臘海軍伊利級(Elli class)巡防艦(原荷蘭寇騰納爾級)的WM-25射控雷達系統的CAS組合天線系統,蛋型外罩裡面

是一組共軸且共用發射機的追蹤/照明天線。

一艘希臘海軍伊利級巡防艦的上層結構,注意前部塔狀桅杆頂就是WM-25的CAS天線組的蛋型外罩,而艦橋上方

則有一具STIR 180射控雷達天線。

荷蘭信號的STIR 180射控雷達由於體積與功率適中,加上性能可靠與相容性廣泛,

廣為各國海軍的短程防空飛彈或中/小口徑火砲作為射控雷達。

(上與下)韓國KDX-2飛彈驅逐艦崔瑩號(DDH-981)的STIR 240照明雷達。STIR 240天線孔徑大於STIR 180,

能支持射程150公里級的標準SM-2 Block 3區域防空飛彈。 攝於2019年5月新加坡國際海事防務展(IMDEX 2019)

STIR MK.2 120照明雷達。STIR MK.2改用新型固態發射機,無論性能或可靠度都大幅提升。

注意雷達天線右側加裝了相當完整的光電追蹤系統。

 

──By Captain Picard


 

在1957年,荷蘭電信推出M-20系列射控雷達系統,作為先前該公司M-45射控系統的後繼者 。M-20使用一組共軸的搜索與精確追蹤天線,稱為組合式天線系統(Combined Antenna System,CAS),安裝在一個蛋型外罩內,搜索天線負責360度全方位掃描,追蹤天線則提供連續的精確照射。從1960年代起,M-20系列曾先後被多個北約國家海軍採用,包括荷蘭、西德、澳洲、加拿大、馬來西亞、芬蘭、挪威、瑞典與美國等。在1964年,美國福特儀器(Ford Instruments)獲得荷蘭電信授權生產M-20系列的M-22射控系統,美國海軍賦予MK-87的編號,裝備於其中兩艘阿士維級(Asheville class)巡邏砲艇(PG-86、87)之上。隨後,荷蘭信號又繼續開發M-20系列的改良型,保留雷達天線基本架構,更新後端的射控電腦軟硬體 ,例如將原本固定邏輯的數位電腦改為可程式化的SMR-S或SMR-S1,使得擴充和修改更加容易,並且增加整合式後端顯控台,基本架構已經相當於一套迷你的艦載戰鬥管理系統,這就是WM-20系列

(上與下)WM-25的CAS天線組,上為卡賽格倫式的單脈衝追蹤天線,下為拋物面的搜索天線。

WM-25的CAS天線外罩。

WM-20系列的標準配備,是一組安裝於蛋型保護罩內的組合式天線系統(Combined Antenna System,CAS),成為全系統外觀上最明顯的特徵;其外罩直徑2.44m,重864.1kg,結合一具卡賽格倫(Cassegrain)反射式單脈衝追蹤天線與一部搜索天線,其中追蹤天線在上,搜索天線在下,兩者共用一組雷達發射機。搜索與追蹤天線都採用X波段操作, 其中搜索天線的轉速高達60轉/分,資料更新速率較高,所以適合用於偵測並追蹤近距離快速迫近的目標(尤其是掠海反艦飛彈),在搜索時能同時追蹤 (Track-While-Scan,TWS)兩個水面/ 沿岸目標與一個空中目標。搜索天線以螺旋掃描(Spiral patter)來使波束進行垂直向的掃描,搜索天線以每三轉的週期逐漸提高仰角,然後接下來的半圈回到水平,並展開下一個週期,而波束的垂直軸向掃描寬度為4倍波束寬;透過天線在不同仰角時獲得的目標垂直向方位差,進而直接獲得目標高度資訊。後端系統可根據搜索天線獲得的目標情資,選擇威脅性最高的目標,然後指派單脈衝追蹤天線進行個別鎖定 。CAS天線可同時追蹤四個目標軌跡,即四個水面目標 ,或兩個空中目標和兩個水面目標。

WM-20系列包括WM-20、具備一個反潛射控頻道的WM-24、增加連續波照射能力而能導引半主動雷達防空飛彈的WM-25、專門用於水面作戰的WM-26、 具備反艦/反潛/防空頻道的WM-27等,亦獲得多個北約國家採用。除了CAS天線組外,WM-25還可結合一到兩座Signnal生產的 「分離標定與照明雷達」(Separate Target Illumination Radar,STIR,見下文),專門進行飛彈/火砲的射控照明,其功率與有效使用距離高於CAS的追蹤雷達。

由於蘇聯在1960年代末期推出了裝備SS-N-7潛射反艦飛彈的查里級(Charlie class)核能攻擊潛艦,使美國亟思應付這種可能突然從水線上冒出的威脅,需加快防空護航艦艇的反應速度,而WM-25的CAS天線設計在當時頗符合這項要求。如果再整合美國雷松(Raytheon) 的連續波照明發射機 注入CAS的單脈衝追蹤天線,還可進行連續波照明,用來導控艦砲或半主動雷達導引防空飛彈(如北約海麻雀、標準SM-1等)接戰 一個目標。

在1964年,Signnal與美國史派利(Sperry )公司簽約,將WM-25技術轉移並授權史派利生產,而美國版的WM-25稱為MK-92,日後裝備於美國海軍派里級(Perry class)飛彈巡防艦 、飛馬座級水翼飛彈快艇以及海岸防衛隊的熊級(Bear class)巡邏艦上。 相較於WM-25,MK-92所有的次系統與組件都換成荷蘭授權美國生產的版本(如CAS天線,美國版的型號為MK-53),或者以美國國產的現有同級設備代替,例如以UYK-7電腦取代原本WM-25的SMR-S1電腦,軟體也依照UYK-7電腦來重新撰寫,追蹤、照明雷達與後端發射機都換成美國產品,並使用一套MK-39指揮儀。

依照使用的後端SMR電腦是帶以及和艦上系統的整合程度,WM系列分為三個叢集(clusters)。其中,Cluster 1是1970年代初期的產品,已經具備CAS天線組、STIR照明雷達以及後端的SMR電腦,但兩者之間的整合程度有限。1970年代末期到1980年代初期以後,WM系列邁入第二代的Cluster 2,CAS與STIR已經完全整合,後端電腦為SMR-S。隨後WM射控系統發展演變為泰利斯模組化戰鬥系統(Thales Modular Combat System,TMCS),採用全分散式系統架構(各系統之間以區域網路連結),與艦上的各種感測器、武器系統、指揮控制系統完全整合,原本WM系列的射控功能至此已經完全成為TMCS的一部分,而原本從Cluster 1沿用下來的後端正交場放大器(Cross Field Amplifier,CFA)發射機(供CAS/STIR使用)也被兩個獨立的單元取代;此外,經過升級的目標自動追蹤器能同時追蹤16個空中目標與16個水面目標。

STIR分離標定與照明雷達

Signnal生產的 「分離標定與照明雷達」(Separate Target Illumination Radar,STIR)主要用於飛彈/火砲的射控工作,能與其他形式的射控系統(例如Signnal的WM-25系列等)。STIR基本上就是將WM-20系列的組合式天線系統(Combined Antenna System,CAS)的單脈衝追蹤器獨立出來運用,兼具脈衝與連續照射功能,使用磁控管發射器,也能選擇使用行波管(TWT)發射器。

STIR有HP與IK兩種系列,最早的STIR-HP是單純的射控雷達,使用X(I)頻;而STIR-IK則兼具X(I/K)頻兩種波段,頻率更高的K波段用於搜索接近的超低空目標,此外STIR-IK也整合有輔助的光電系統 (包含電視攝影機、雷射測距儀等),不僅能在遭受電子干擾時提供輔助,也能讓人員透過光電提供的目視資訊進行接戰 ,因此STIR IK更接近一種完整的射控系統。STIR全系列都有支援指揮至瞄準線(Command to Line of Sight,CLOS)制導的提示音功能,以及扇區搜索能力(協助艦上搜索雷達搜索受到干擾的扇區)。

荷蘭希姆斯科級(Jacob Van Heemskerck class) 飛彈巡防艦同時配備STIR-240(艦橋頂)與STIR 180

(STIR 240後方)照明雷達,前者導引標準SM-1防空飛彈,後者導引海麻雀短程防空飛彈。

希臘海軍伊利級巡防艦艦橋頂上的STIR 180照明雷達。
 

依照天線尺寸與功率,STIR主要有STIR 180與STIR 240兩種衍生型:STIR 180的天線直徑180cm,指揮儀重1875kg,天線重1700kg,尖峰功率220KW(I頻)/20~30KW(K頻),連續波輸出的平均功率高於5KW,波束角1.4度(I頻)/0.3度(K頻),脈衝寬度0.29(I頻)/0.14(K頻)微秒,脈衝回覆頻率(PRF)1800至3600(I頻)/7200(K頻)pps,使用I頻的有效距離約72km,使用K頻的有效距離約17km。而STIR 240則是增大功率與天線尺寸的版本,天線直徑增為240cm,指揮儀重2200kg,後端發射機改為串聯的TWT組件,此種TWT組件沿用自Signnal為門將近迫武器系統提供的射控雷達,尖峰功率125KW(I頻),連續波輸出的平均功率高於5KW,脈衝寬度0.3微秒,PRF有3200或6400兩種模式。由於天線口徑增大,STIR 240的波束角降為1度(I頻),最大有效照射距離180km(有一說是在高功率模式下最遠達500km),對雷達截面積1平方公尺的目標的有效照射距離在140~150km左右。STIR系列能相容於西方多種防空飛彈系統如美國標準、海麻雀以及義大利蝮蛇(Aspide),以及歐美多種中/小口徑艦砲(包含義大利OTO Breda的127mm/76mm/40mm砲、瑞典Bofors的57/40mm快砲、美國FMC的MK-45 127mm艦砲、法製100mm快砲等);其中,STIR 180對於標準SM-1或海麻雀、蝮蛇等短程防空飛彈的射程綽綽有餘,而如果使用射程達75到150公里的標準SM-2(Block 1~3),則以STIR-240較為適合。

STIR-180射控雷達。

加拿大艦艇使用的STIR-240射控雷達。

在1987年,Signnal又推出針對小型艦艇使用的STIR版本,稱為STING或STIR 120,天線直徑降到120cm(因此波束角也增加),重量810kg,改用液壓伺服的天線俯仰/迴旋機構取代原本STIR 180/240的電力驅動機構,以增加俯仰/迴旋的速率。STING尖峰功率200KW(I頻)/40KW(K頻),波束角2度(I頻)/0.6度(K頻),脈衝回覆頻率(PRF)3000至6000(I頻)/6000至12000(K頻)pps,使用I頻的有效距離約72km,使用K頻的有效距離約17km。STIR與STING都可配備附帶的光電系統作為遭受電子干擾時的輔助,一開始STIR系列只能選擇使用攝影機,到STING推出時就可使用包括攝影機、紅外線熱影像儀與雷射測具儀的光電套件,此外還可加裝海狼(Sea Wolf)套件,包括傳送指令給飛彈的資料鏈、接收由飛彈回傳信號的單元以及陀螺儀等,用於某些使用指揮至瞄準線(Command to Line of Sight,CLOS)導引機制的短程防空飛彈。

STIR 120 MK.2射控雷達。雷達右側有紅外線熱影像儀、電視攝影機與雷射測具儀。

日後STIR系列繼續改良,STIR HP(High Power)/IK MK.2系列以新型固態發射機(安裝於系統指揮儀上方)取代過去的磁控管、TWT組件,性能、抗電子干擾能力與可靠度更好,體積重量則減低,尖峰功率大幅降低使被敵方電子截收(ESM)裝置截獲的機率減少。STIR IK MK.2指揮儀重1950kg,固態發射機功率300W(I波段)/25W(K波段)的最大使用距離約120km(I頻)/36km(K頻),波束角1.3度(I頻)/0.3度(K頻),電子反反制(ECCM)措施包括波形頻率捷變(兩個波段)、高動態範圍處理(防止飽和)、非模糊4D追蹤、多都卜勒處理、數位脈衝壓縮以及低截獲率操作(LPI)等。

早在1986年,STIR系列的總訂單就累積到了100具。