萨德反导系统,也叫THAAD,即末端高空防御导弹,是美国陆军研发的一款拦截短程和中程弹道导弹的末端防御系统。

萨德的组成和工作原理

萨德系统主要由四大部分组成:①雷达,②火控系统,③发射车,④拦截器。

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工作原理分为四大步骤:

1)雷达探测到导弹来袭。

2)指挥和火控系统确认并锁定目标。

3)发射车发射拦截弹。

4)拦截导弹在空中摧毁来袭导弹。

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萨德系统主要有两套核心组件:拦截弹和雷达系统。

作为一枚通信汪,我更关注的是那个用来探测和跟踪目标的雷达系统,就是被称为萨德系统的眼睛的AN/TPY-2相控阵雷达。也有人认为真正对中国最大的威胁是这个相控阵雷达。

所谓相控阵雷达,采用的正是相控阵天线技术,也是今天4.5G Massive MIMO作为民用之一采用的技术,同时未来5G相控阵基站将成为主流。

AN/TPY-2雷达系统

AN/TPY-2雷达系统工作在X波段(9.5GHz),天线阵面积为9.2平方米,安装有25344个(有人说30464个)天线单元,采用数字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)处理器。方位角机械转动范围-178°~+178°,俯仰角机械转动范围0°~90°,但天线的电扫范围,俯仰角及方位角均为0°~50°。

AN/TPY-2可以实现从探测、搜索、追踪、目标识别等多功能任务为一体,据有关报道称,其探测的距离最远可达2000公里,基本上大半个中国都在它的覆盖之下。它使用的窄波束,称可精确评估目标弹头的预计位置,并识别假弹头。

AN/TPY-2雷达系统的组成主要分为如下图的5大部分:

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1)相控阵天线

2)电子设备单元(车)

3)1兆瓦的主电源单元(车)

4)冷却设备单元(车),主要为天线阵列提供冷却

5)操作控制车,内置可操作、维护和通信监控的操作控制台(使用自有的供电系统)

004THAAD20170309 ▲AN/TPY-2雷达

005THAAD20170309 ▲相控阵天线设备

006THAAD20170309 ▲AN/TPY-2雷达系统组成

电子设备车是一种模块化、一体化的拖车,车箱配备核生化防护能力及环境控制装置的密闭保护罩。主要设备有:2台用于数据处理的VAX7000计算机、4台MP2大规模并行信号处理机,以及接收机/激励器、检测目标发生器和高速记录仪等。MP2处理机是大规模并行处理技术的首次军事应用,用途是频谱分析、脉冲压缩与连续探测,以及对来自接收机的数字化雷达回波抽样进行初步图像处理。VAX7000计算机负责实际作战任务的计算,任务前与任务后的数据处理等。

电源设备车由1台内燃机、1台交流发电机、1个控制盘、1个转换开关组成,能提供1.1兆瓦的电力。

冷却设备车是1个长12米、重16.3吨的封闭式拖车,车内装有供天线冷却用的液体冷却设备和为天线及电子设备提供电力分配的装置。

007THAAD20170309 ▲冷却设备单元

008THAAD20170309 ▲AN/TPY-2雷达和冷却设备单元

操作控制车是一个单独的系统,可保证操作人员监视雷达跟踪效果以及与外部的通信,有独立的电力系统。部署时其功能可以并入雷达系统。

系统之间的通信连接采用光纤数据链路。整套系统和组件共需2.1兆瓦的功率来工作。

009THAAD20170309 ▲操作控制车

010THAAD20170309 ▲内部操作控制台

011THAAD20170309 ▲操作控制车内部结构图

拦截弹

萨德系统的拦截弹长6.17米,最大弹径0.37米,起飞重量900公斤,最大速度可达2500米/秒,主要由助推器(booster)、从杀伤拦截弹头(Kill Vehicle)及整流罩组成。

012THAAD20170309 ▲萨德拦截弹的组成

013THAAD20170309 ▲萨德拦截弹

014THAAD20170309 ▲萨德增程型拦截弹(THAAD ER)

增程型“萨德”拦截弹(THAAD ER)是的对原型“萨德”系统的改进,助推器改进为两级,这样在将导弹助推到较大速度后可以甩掉多余质量,以使杀伤器获得较大初速和机动性。

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由于THAAD ER拦截弹的直径增大了,重量也增加了,所以,要重新设计发射装置,以前一辆发射车可携带8枚拦截弹,现在减少为6枚,但可以通过增加发射架数量来弥补。

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017THAAD20170309 ▲萨德发射车

所以,整个萨德系统的组成如下图所示:

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相控阵天线

作为通信人,自然最感兴趣的就是萨德的AN/TPY-2相控阵天线系统。

刚才讲了,未来5G将大量采用相控阵天线技术。其实相控阵天线系统已经广泛民用,包括大家熟知的MIMO天线,用于预测天气和保证航空安全的雷达系统。

相控阵技术最先应用于军事,20世纪60年代,最典型的就是美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”,用于检测、跟踪、目标识别快速移动的空中目标,对导弹作预警、测轨和对卫星进行编目等多种功能。

020THAAD20170309 ▲AN/FPS-85

后来,随着民航班次增多,为了更好的进行航空管制和整合一些老旧的雷达基础设施,人们开始研发多功能相控阵雷达(MPAR)系统,并很快实现原型。这大概就是相控阵雷达技术广泛应用于民用的原因之一。

021THAAD20170309 ▲MPAR概念

相控阵天线技术是5G无线的关键技术之一,比如Massive MIMO技术,通过高性能DSP控制几十~数百个天线阵列每一个天线单元的发射(或接收)信号的相位和信号幅度,产生数十个具有高度指向性的空间波束。

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相控阵天线的工作原理是怎样的呢?

或者,相控阵天线如何产生一束能量集中的波束,并将这一波束精确的指向目标物(终端)?

相控阵天线阵面由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成,单元数目从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上,构成阵列天线。

023THAAD20170309 ▲相控阵天线的可视化模拟图

利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机,完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。

024THAAD20170309 ▲相控阵天线的可视化演示图,左边为阵列,右边为波束

每个天线单元除了有天线振子之外,还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流,从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多,则波束在空间可能的方位就越多。这一工作原理是相位可控的阵列天线,“相控阵”由此得名。

如下图所示,上下两个辐射单元以相同的相位馈电,信号通过主方向的相长干涉(constructive interference)放大,而通过相消干涉(destructive interference)来改善波束的大小。

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下面,我们将上面一个辐射单元相对下面那个辐射单元相移22度,可以看到发射信号的主方向略为向上移动(如下图)。

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(注意:上面两张图并没有考虑反射器,所以所示天线图的后瓣与主瓣一样大)

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▲波束偏转动画

相控阵天线的优点:

(1)在计算机控制下波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,数据率高;

(2)一个雷达可同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能;

(3)目标容量大,可在空域内同时监视、跟踪数百个目标;

(4)对复杂目标环境的适应能力强;

(5)抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高,即使少量组件失效仍能正常工作。

缺点:

结构复杂(处理器和移相器),成本高,且波束扫描范围有限,最大扫描角为90°~120°。当需要进行全方位监视时,需配置3~4个天线阵面。

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