海神之眼：中國海軍艦載相控陣雷達的發展
在希臘神話中，海洋之神波塞冬（Poseidon）有一雙神眼，可以看透海洋裏的一切。
隨著科技的發展，現代海戰已進入電子化和信息化的階段，雷達是現代艦船防禦作戰係統的重要組成部分，亦是艦船的關鍵探測裝備。艦載雷達性能之優劣，對現代海戰的影響頗大。現代海上戰爭中，作戰飛機和反艦導彈的性能在不斷提高，艦艇所麵臨的主要威脅便是這些來自空中各種兵器的攻擊，為了有效地解決水麵艦艇編隊在複雜電磁幹擾環境下抗擊空中、海上多方向、多批次飽和攻擊的威脅，世界各國海軍竟先發展了艦載相控陣雷達。
相控陣技術，早在30年代後期就已經出現。第二次世界大戰期間，第一代相控陣雷達誕生。但由於采用機電移相器，雷達既笨重又複雜，數據率不高，未能發揮相控陣雷達的優越性。因此，隻是作了原理性的驗證。50年代後期，由於對洲際導彈防禦的需要，而常規機械掃描雷達又無法滿足這些要求的時候，當時的美蘇相繼研製成了一係列戰略相控陣雷達，如美國的AN/FPS-46、PAR、鋪路爪（PAVEPAWS），前蘇聯的“雞籠”、“狗窩”等，這些固定式大型相控陣雷達占領了戰略防禦的重要地位。
美國是研製和使用艦載相控陣雷達最早的國家，不論在技術水平上還是裝備的品種和數量上均領先和超過其它國家。1962年，美國首先把AN/SPS-32和AN/SPS-33相控陣雷達安裝在“企業”號航空母艦和“長灘”號巡洋艦上，用以分別完成搜索和跟蹤任務。受當時電子計算機技術水平限製，這兩型雷達功能較少，成本昂貴，技術複雜，設備龐大，未能推廣使用。另一“台風”計劃中的艦載相控陣雷達AN/SPG-59，隻作了樣機試驗，後因該雷達過於笨重，造價高、效率低，性能滿足不了要求，故於1967年取消了該項目，這說明60年代戰術相控陣雷達技術不夠成熟，還不具備與常規雷達的競爭能力。美國海軍隨後開始了一個全新作戰係統的概念設計，在1969年底將其定名為“宙斯盾”(AEGIS)係統(全稱為全自動作戰指揮與武器控製係統)。在曆時10年，投入8億多美元的巨額研製經費，經10萬小時實驗後，大名鼎鼎的“宙斯盾”係統研製成功。1982年美國將新研製的AN/SPY-1型艦載相控陣雷達正式裝備在“提康德羅加”號巡洋艦上，成為該艦“宙斯盾”武器係統的核心，並改進和裝備到其他一些大型水麵艦艇上。
以SPY-1型艦載相控陣雷達為主體的”宙斯盾“艦是全球最大的防空艦家族，圖為日本海自的”宙斯盾“驅逐艦
前蘇聯從80年代初開始研製艦載相控陣雷達，現已研製和裝備了“天空哨兵”、CCB-33和CCB-501相控陣雷達。英國研製艦載相控陣雷達雖然比美、法、前蘇聯等國家較晚，但正在奮起直追，目前正在研製具有先進水平的MESAR SAMPSON有源相控陣雷達。其它國家和地區也都競相研製和裝備艦載相控陣雷達，如由荷蘭、德國和加拿大等國共同開發的APAR、意大利的RAN-20S、日本的OPS-24、荷蘭的SMART、瑞典的ELSA等。
長期以來，我國海軍一直麵臨著艦隊防空能力極其薄弱的狀況：由於我軍仍將缺少大中型航母，艦隊難以獲得艦載預警機和遠程戰鬥機。在進行遠洋作戰時，沒有陸基航空兵的掩護，艦隊將缺少艦載航空兵的空基預警和遠程攔截能力，難以及時發現和攔截低空逼近的反艦攻擊機和導彈。從70年代以來，中國海軍一直奉行遠程預警雷達與近程低空搜索雷達的防空係統配置，在90年代艦隊普遍安裝近程防空導彈時依舊沿用這種搭配思想，但是缺少中程區域防空武器係統。90年代中期引進俄羅“現代級”驅逐艦後，中國海軍才第一次擁有了一定的區域防空能力。
2003年，一種國產新型驅逐艦（052C）出現在大家的麵前，當建造中的新驅艦橋上出現了幾個碩大的“窗口”時，人們的心情開始變的緊張和激動，很多人的目光都聚焦在船塢上的這艘嶄新的戰艦上。很快，這種緊張和激動得到了驗證：新型驅逐艦上安裝了我國第一代艦載有源相控陣雷達係統，與美國的“宙斯盾”軍艦相對應，媒體將這艘中國最新型驅逐艦稱為“中華神盾”艦，由於隻有美、俄、日和歐洲少數國家有能力生產這種複雜的“神盾”作戰係統，“中華神盾”艦的下水對於中國海軍而言具有裏程碑的意義。同時，“中華神盾”以超過西方預料的速度建造下水，也標誌著中國軍艦製造水平正在走向成熟。早在1989年11月，海軍艦載雷達研討會在南京秦淮河畔的十四所（中國電子科技集團公司第十四研究所）召開。會上，為了滿足艦載環境和使用要求，使中國海軍裝備上一個層次，十四所艦載雷達科研團隊提出了研製艦載相控陣雷達的構想，這個構想被不少與會專家認為在當時的條件下不可能完成，但卻得到了對先進軍事科技具有敏銳嗅覺的海裝電子部專家和領導的認可。因為艦載相控陣雷達具有無可比擬的優越性：因為相控陣雷達具有多種功能，一部艦用相控陣雷達可以代替一部警戒雷達、一部目標指示雷達、幾部跟蹤雷達，將使艦上雷達天線配置上的矛盾和信號相互幹擾問題得到妥善解決。另外艦載相控陣雷達可以與區域防空導彈武器係統緊密配合，構成有效的對空防禦作戰係統，能抗擊空、海多目標、多方向、多批次的飽和攻擊，同時艦載相控陣雷達係統自動化程度高，係統反應時間短，自適應能力好，抗幹擾能力強，有利於適應複雜多變、空然襲擊的戰場環境。艦載相控陣雷達與艦用指揮控製係統緊密配合後，將構成一套新型指控係統，突破了傳統的作戰係統與各分係統相對獨立鬆散耦合方式，而形成整體性強的緊密耦合優化組合方式，大大提高了中國海軍艦艇的作戰能力。
當時的中國海防基礎非常薄弱，要研製艦載相控陣雷達為主體的先進的係統，麵臨的困難是可想而知的。我們既沒有可以借鑒的經驗，可搜集到的國外資料也很有限。但是中國要從戰術需求上解決區域防空的問題，解決全方位飽和攻擊的防禦問題，則必須采用相控陣雷達，因為與傳統的艦載雷達相比，艦載相控陣雷達具有非常多的優勢，是否擁有“宙斯盾”係統或與該係統類似的防空係統已成為現代區域防空艦的標誌。
2011年，中國軍方首次公開宣稱，中國正在“利用一艘廢舊航空母艦平台進行改造，用於科研試驗和訓練”，這便是我們熟知的“瓦良格”（Varyag）中型常規動力航空母艦，在對該航母平台進行改造的過程中，“中華神盾”再次出現，中國的航母試驗平台安裝了與052C型防空導彈驅逐艦相同的有源相控陣雷達，這表明，這一被官方媒體稱之為“海之星”的相控陣雷達已經成為了中國海軍的“標配”產品。
與“宙斯盾”采用的無源相控陣雷達相比，我們采用了有源相控陣雷達，無源和有源的相控陣在天線的外觀上差不多，都是由幾千個密密麻麻的單元組成，不同的是有源的單元含有獨立的發射、接收、移相模塊，每個單元都能發射和接收無線電波，雖然每個單元的功率較小，但幾千個單元加起來就很多了。而無源的單元則隻有接收、移相模塊，整個陣麵的發射功率都由一個功率很大的獨立發射機產生，然後通過由波導組成的饋電網絡分配到天線陣麵的每個單元上再移相後發射出去。有源相控陣雷達與無源相控陣雷達相比，存在著明顯的優點：
（1）由於有源相控陣雷達的發射機直接分布在陣麵上，因此發射饋線損耗小，與無源相控陣雷達相比，減少4倍以上，則使雷達的探測距離明顯增大；
（2）由於有源相控陣雷達的天線陣麵上的每一個單元相當於一部小發射機，隻有當20%以上的收發組件失效後才會嚴重影響雷達性能。當僅有10%組件失效 時，雷達的作用距離僅減少3%左右，影響甚小。相反，無源相控陣雷達是采用一部集中式發射機，當發射機出現故障時，會導致整部雷達不能工作。由此可見，有源比無源相控陣雷達的任務可靠性有較大提高；
（3）有源相控陣雷達可發射靈活易變的大占空比發射波形，使其發射的脈衝功率大大降低，不易被敵方偵察機截獲，具有良好的低截獲概率性能。而無源相控陣雷達因受大功率發射管的製約，雷達工作占空比受到限製，使其發射的脈衝功率較大，易被敵方偵察和截獲並受到幹擾；
（4）采用有源相控陣雷達，可明顯減小雷達的體積、重量以及降低成本和提高可行性，更適於裝艦；
（5）有源相控陣雷達更有利於采用先進的數字波束形成技術，實現天線波束自適應控製，使其零點對準幹擾方向，大大提高了抗幹擾能力。
有源相控陣雷達是集現代陣列理論、超大規模集成電路、高速計算機、先進固態器件及光電技術為一體的新技術產物，充分體現了現代化科學的發展水平，它具有多功能、遠距離、高精度、高靈活性、高可靠性以及優良的抗幹擾能力等鮮明特征，是艦載雷達的發展新方向。
在“海之星”的研製過程中，我們的科研人員創造了一個個奇跡，比如海麵雜波問題的解決，美國用了2年，俄羅斯用了6年，而我們隻用了6個月！總之，“海之星”的出現，讓中國成為了第三個擁有自主創新艦載多功能雷達的國家，還被美國中情局評價稱，該雷達是中國真正自主創新研製的相控陣雷達。它的研製成功標誌著中國第一部艦載多功能相控陣雷達的研製已達國際領先水平。艦載垂直發射係統與性能強大的相控陣雷達係統的整合堪稱中國海軍技術裝備史上的一個裏程碑。
然而，在驚歎與讚美的同時，相關爭議也一直伴隨著“海之星”艦載相控陣雷達，最大的爭議便是那個巨大的弧形雷達罩，與“宙斯盾”平麵、美觀的外形相比，弧形雷達罩顯得異常突兀。在解釋這個問題之前我們先來了解一下電子設備的發熱、冷卻問題。據統計，電子設備超過半數的失效情況是由溫度過高引起的，且設備的可靠性也會隨著溫度的升高而迅速降低。相控陣雷達陣麵內電子設備日益密集對冷卻係統的性能提出了更高的要求。此外，為了使陣麵內各T/R組件的工作性能差距不致過大，冷卻係統還要有均勻冷卻的能力。所以為了提高艦載雷達電子設備的工作穩定性、可靠性和使用壽命，並使其具有良好的作戰性能，必須要為艦載電子設備創造一個良好的工作環境，以使其在達到冷卻要求的同時免受海洋性惡劣氣候條件的影響。“海之星”這個極富爭議的弧形雷達罩便是其冷卻係統的一部分，將天線罩與反射麵板之間的空間作為靜壓層，在反射麵板上開有通風小孔，利用其他組件配合安裝形成通風的風道。“海之星”艦載相控陣雷達在正式裝備前，曾經在中國海軍綜合試驗艦 “畢昇”號上進行過測試，當時的雷達陣麵旁邊，更是布滿了各種管線，國外媒體正是根據這些管線判斷，該雷達為功率很大的有源相控陣雷達。
雖然有源相控陣雷達具多種優勢，但就目前來說，“海之星”艦載相控陣雷達終究隻是中國海軍的第一代相控陣雷達，根據上文介紹的情況來，很可能存在著功耗過高，發熱量過大的問題。尤其在052C型驅逐艦的安裝上，“海之星”艦載相控陣雷達的的位置過低，受製於地球弧形表麵，將使其平麵搜索距離大減，此外，朝向後方的兩塊雷達陣麵位置沒有特別加高，導致水平視線下緣被高起的尾樓結構擋到一些，這些布置會影響到艦體後方的低空搜索。
當我們還在為自己的“中華神盾”誕生而歡欣鼓舞時，美國海軍已經快要裝備下一代相控陣了。美海軍的SPY-3多功能有源相控陣雷達早在2006年就完成了海試，將安裝在其最新的“朱姆沃爾特”級驅逐艦上，當我們快步追趕時，美國人卻用更快的速度前進，距離並未縮短。因此，“海之星”並不是我們可以坐在上麵休息的終點站，而是召喚我們前進的新的起跑線。
令人驚喜的是，近日互聯網上出現了一張我們最新型艦載相控陣雷達在中國海軍綜合試驗艦上已經安裝的照片，從與艦橋上其他設備的尺寸對比我們可以看到，最新型艦載相控陣雷達比現役的“海之星”要略大，雷達陣麵趨近於正方形。在外觀上最大的變化便是取消了之前爭議最多的弧形雷達罩，顯得尤為簡潔大方。由於艦艇的空間有限，要求艦載相控陣雷達應盡可能做到體積小和重量輕，最新型艦載相控陣雷達在這個方麵做了很大的改進，雖然僅從一張照片上我們無法獲知更多的信息，但從第一代“海之星”裝備至今已有10年以及計劃發展中的中國海軍大型導彈驅逐艦（052D）來看，圖片中出現的最新型艦載相控陣雷達肯定會和未來的改進型“HHQ-9”更加匹配。通常，防空係統中製導雷達的探測距離要達到導彈射程的兩倍以上，而搜索雷達的探測距離應該更遠，這樣才能為攔截目標提供充足的預警和反應時間，“HHQ-9”的出現雖然極大的緩和了中國艦隊區域防空的壓力，但在射程上還和國際先進水平有不小差距，如果未來“HHQ-9”改進型的射程能夠超過200KM的話，勢必要求艦載雷達能有相應的改進。從目前中國海軍的發展速度和趨勢來看，我們完全有理由相信最新型的艦載相控陣雷達能夠有效滿足中國海軍在未來海戰中同時進行防空、反艦、反潛，對陸攻擊，海軍艦炮火力支援和導航等任務的要求，此外還能很好地滿足戰艦總體上對減少雷達截麵積、降低全壽期費用的要求，並極大地減少維護工作量。
中國海軍初次裝備艦載相控陣雷達裝備的意義主要在於，在岸基航空兵支援下為艦隊提供一定程度的遠程防空掩護，加強現階段海軍薄弱的防空力量，同時作為未來航母編隊的護航艦艇。而最重要的一點，相控陣雷達技術和海上遠程防空戰術的研究可以為以後遠洋艦隊探測能力和防空能力的躍升進行技術儲備。我們都知道，最好的防禦永遠是進攻，在為中國艦載相控陣雷達的發展歡欣鼓舞的同時，我們應該把視線投向我們的未來的航母編隊。得益於其強大的航母戰鬥群綜合防空力量，美國海軍的航母本身並沒有安裝相控陣雷達，而是把這些任務交給了航母的“帶刀護衛”們。在未來的中國遠洋艦隊中，我們將依靠強大的艦載航空兵，進行遠程預警和攔截作戰，由艦載航空兵（預警機+戰鬥機）擔任反艦導彈的遠程預警和攔截任務，才能更好的發揮空中預警係統對低空目標探測效果好的優勢，彌補艦載雷達低空探測能力的不足。同時，艦截戰鬥機在反艦導彈的遠程攔截上更為有效也更具靈活性。作為一種攻防兼備的作戰係統，航母編隊真正的威力在於其強大的製海和製空能力，依靠其強大的攻擊能力，航母可以在任何平台對其發射攻擊導彈前將其摧毀，這種攻勢防禦才是整個艦隊安全最重要的保障。
我們知道，蜻蜓的每隻眼睛由許許多多個小眼組成，每個小眼都能成完整的像，這樣就使得蜻蜓所看到的範圍要比人眼大得多。與此類似，相控陣雷達的天線陣麵也由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數目和雷達的功能有關，可以從幾百個到幾萬個。這些單元有規則地排列在平麵上，構成陣列天線。利用電磁波相幹原理，通過計算機控製饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機，完成雷達對目標的搜索、跟蹤和測量。每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被饋入不同的相位的電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這種雷達的工作基礎是相位可控的陣列天線，“相控陣”由此得名。
