“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

薩德(THAAD),末段高空區域防禦系統,是美軍先進的導彈防禦系統。末段高空區域防禦系統由攜帶8枚攔截彈的發射裝置、AN/TPY-2X波段雷達、火控通信系統(TFCC)及作戰管理系統組成。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

它與陸基中段攔截系統配合,可以攔截洲際彈道導彈的末段,也可以與“愛國者”等低層防禦中的“末段攔截系統”配合,攔截中短程導彈的飛行中段,在美國導彈防禦系統中起到了承上啟下的作用。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

X波段AN/TPY-2有源相控陣雷達

AN/TPY-2高分辨率X波段固態有源相控陣多功能雷達是THAAD系統的火控雷達,是陸基移動彈道導彈預警雷達,可遠程截獲、精密跟蹤和精確識別各類彈道導彈,主要負責彈道導彈目標的探測與跟蹤、威脅分類和彈道導彈的落點估算,並實時引導攔截彈飛行及攔截後毀傷效果評估。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

AN/TPY-2雷達採用了先進的雷達信號處理技術以及薄化的相控陣天線技術,使其探測波束不但功率大而且非常窄,因此分辨率非常高,對彈頭具有跟蹤和識別能力,對裝備誘餌突防裝置的彈道導彈具有很大威脅。

除了探測距離遠、分辨率高之外,還具備公路機動能力,雷達還可用大型運輸機空運,戰術戰略機動性好,其戰時生存能力高於固定部署的雷達。

雷達探測距離分析

結合網上關於“薩德”的AN/TPY-2雷達的基本參數和具有一定合理性的假設來分析薩德在前置部署模式(Forward-Based Mode,FBM)和末端部署模式(Terminal Mode,TM)下由雷達方程計算出的最大探測距離。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

在使用公式之前,需要分析一些眾所周知的參數的合理性,數據是否精確不重要,重要的是計算方法和涉及的理論知識。

雷達波長(9.5GHz)

TPY-2雷達工作在X波段,頻段範圍8~12GHz,眾多報道都說是9.5GHz,那就用這個計算好了。

天線增益G(48.77dB)

天線孔徑面積9.2m2,擁有72個子陣列,每個子陣列有44個發射/接收微波接口模塊,每個模塊有8個發射/接收組件,72x44x8=25344個陣元。假設天線孔徑效率選0.65,那麼天線的有效孔徑約為6m2。根據天線有效孔徑和波長計算出天線增益G約為48.77dB。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

峰值發射功率Pt(405kW)

天線陣元數有25344個,每個陣元的平均功率是3.2W,峰值功率16W,陣元平均功率為81kW,峰值發射功率Pt=405kW。其中假設了脈衝重複週期為200Hz,佔空比20%,那麼脈寬為1000us;

探測目標的RCS

所探測目標的散射特性與目標本身有關,還與視角、極化、信號波長有關,是一個非常複雜的參數,計算中僅做出符合量級的假設。

雷達探測距離

雷達探測距離是在特定的雷達、目標、環境下計算出的雷達的最大作用距離。用能量表示的雷達方程適用於複雜脈壓信號的情況,通過脈衝發射功率及脈寬就可以估算出作用距離。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

多脈衝積累可改善信噪比,也就是影響雷達方程中的檢測因子。n個脈衝的相參積累對信噪比改善可達到n倍,非相參積累為根號n,因此不如相參積累。電掃天線常用步進掃描的方式,在指向某方向後發射預置的脈衝數,然後再指向新的方向。

探測距離的數值計算

  • 當目標RCS假設為0.01m2,檢測因子假設為1,通過計算,探測距離約為670km
  • 當RCS為0.1m2時,對目標的有效探測距離約為1200km,對目標的有效識別距離為800公里(檢測因子用的5,也就是對信噪比要求更高);
  • 當RCS為1m2時,檢測因子為1,對目標的有效探測距離約為2000km
“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

可以看出,脫離了目標RCS和檢測因子的假設,雷達的探測距離就無從談起,以上分析中出現了對眾多不定參數的假設,可能有失精確,但這並不影響我們對雷達探測能力的理解。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

雷達視距的影響

假設雷達高度為1000m(實際沒有這麼高,有報道說部署地海拔680m),簡單計算一下直線距離2000km外所能看到的目標的最低高度。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

根據上圖參數,利用幾何知識輕鬆求解得到能看到目標的最低高度約為272km。在書中我們經常看到雷達視距可以用如下圖中的簡化公式,代入參數計算結果約為206km。差距這麼大,哪個更準確呢?

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

三分之四地球模型

地球的大氣層會對雷達波彎曲和折射,而一個非常通用的處理方法就是“三分之四地球模型”,也就是用虛擬地球代替實際地球,使用虛擬地球模型時,假設雷達波是直線傳播的。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

簡化公式中的因子4.12的計算就已經使用:有效地球半徑=4/3*實際地球半徑,而我們利用幾何知識精確計算的過程中並沒有考慮大氣折射,因此若用有效地球半徑代入幾何關係重新計算,

結果為203km,這個結果與簡化公式的計算結果相差並不多。

也就是說“薩德”在高1000m時,如果想探測2000km距離的目標,需要的目標高度最低約為200km,低於這個高度,目標就不在雷達視距範圍內了。

拓展計算一下其他高度情況下雷達的視距範圍。假設預警機飛行高度10km,那麼“薩德”可以看到預警機最遠的距離是500多千米;假設偵察機飛行高度30km,那麼“薩德”可以看到偵察機最遠的距離是800多千米。

雷達搜索方式

AN/TPY-2雷達系統具有三種搜索方式來保障三種搜索計劃下的目標搜索、跟蹤和識別任務。這三種方式分別為牆式搜索、廣域搜索和遠距離提示搜索,用於自主搜索計劃、聚焦式搜索計劃和精確引導搜索,對來襲的導彈進行探測,獲取導彈的軌跡,遠程截獲、精密跟蹤和識別各類導彈。

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

美軍其他相控陣雷達性能對比

  • “鋪路爪”雷達(AN/FPS-115)

天線:雙面陣天線

頻段:420~450MHz

探測距離:4800km

平均功率:145千瓦

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

鋪路爪相控陣雷達是美國的遠程預警系統,主要用途是擔負戰略性防衛任務。雷達峰值功率582.4千瓦,對高彈道、雷達截面為10平方米的潛射彈道導彈的探測距離可達5550公里。全部設備都安裝在32米高的多層建築物內,兩個圓形天線陣面彼此成60度,每個陣面後傾20度,直徑約30米,由2000個陣元組成,掃描一次所需時間為6秒鐘。

  • “宙斯盾”雷達(AN/SPY-1)

天線:相控陣

頻段:3.1~3.5GHz(S波段)

探測距離:400~450km

平均功率:58千瓦

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

AN/SPY-1無源相控陣雷達是”宙斯盾”艦載作戰系統的核心。有AN/SPY-1A、B、D、F、K等多種型號。首先借助AN/UYK-7控制單元由信號處理機產生合適的搜索射頻波形或跟蹤射頻波形。信號在發射機通道中被放大並被選擇陣面。通過天線位置程序器把波束指向指令轉換為陣列移相器指令,從而產生髮射機輸出,這些輸出通過天線陣面在特定的空間角度形成波束。

AN/SPY-1B採用新型移相器和波束成形技術,以降低天線旁瓣,從而降低了有源電子干擾的威脅。AN/SPY-1B還將採用分佈式微處理器系統以實現快速信號處理,使得中央處理器的信號分析和融合中心的融合任務容易完成。

  • “愛國者”雷達(AN/MPQ-65)

天線:相控陣

頻段:5.25~5.925GHz(C波段)

探測距離:170km

平均功率:20千瓦

“薩德”X波段AN/TPY-2雷達參數、探測距離

AN/MPQ-65相控陣雷達,平均功率比PAC-2使用的AN/MPQ-53雷達增大了一倍,增強了對小反射截面目標、低空飛行巡航導彈、超高速目標的探測、跟蹤和識別能力。

相控陣雷達的對抗思路

對抗有源相控陣雷達可以有軟硬兩類手段,軟的是有源干擾,硬的是反輻射攻擊。對相控陣雷達的干擾思路有:針對這種固定位置部署的特點,可以在距離雷達部署地區較近的地方使用一些功率較大的雷達對著波束主瓣方向進行有源干擾;還可以採用飛艇或者氣球載的干擾機在更近的距離上進行旁瓣支援干擾。

鑑於AN/TPY-2相控陣雷達的體制優勢,會使用自適應波束調零技術、超低副瓣技術、自適應干擾對消等,有源干擾的成本可能比較高。另外,還可以採用反輻射攻擊的手段對付薩德的雷達,比如採用反輻射導彈或者反輻射無人機等!


分享到:


相關文章: