AN/SPS-48系列三坐標雷達

AN/SPS-48系列三坐標雷達是美國ITT吉爾福蘭分公司研製的新一代艦載防空三坐標雷達。

基本介紹

• 中文名：AN/SPS-48系列三坐標雷達
• 屬於：美國海軍
• 研製公司：美國ITT吉爾福蘭分公司
• 研製時間：50年代末開始

背景計畫

由於原先美國海軍的AN/SPS-39/42艦載三坐標雷達的性能已不能滿足“黃銅騎士”(talos)艦-空飛彈對雷達作用距離的要求，所以美國ITT(國際電話和電報公司)?吉爾福蘭分公司於50年代末開始研製AN/SPS-48系列S波段頻掃體制三坐標對空搜尋雷達。到了70年代末，美海軍意識到它們的許多飛彈巡洋艦上的AN/SPS-48C雷達的可靠性和可維修性已趨落後，不能對付90年代的高速巡航飛彈和掠海反艦飛彈的威脅，為了革新和構成新的防空戰(AAW)作戰系統，美國海軍新威脅改進(NTU)計畫中提出了對AN/SPS-48雷達進行一系列改進，從而導致了新一代艦載防空三坐標雷達AN/SFS-48(E/F)的開發。
AN/SPS-48系列雷達的研製計畫開始於1959年，其整個研製時間表為：1964年對AN/SPS48雷達進行海上試驗；1965年首部AN/SPS-48雷達開始服役：1968年將AN/SPS-48雷達改進為AN/SPS48A雷達；70年代初，將AN/SPS-48A雷達發展為AN/SPS-48C雷達；1978年美國海軍與TI'-吉爾福蘭分公司簽訂了一份1700萬美元的契約來開發新威脅改進(NTU)計畫中的AN/SPS-48E雷達；1982年對AN/SPS-48E雷達進行陸上試驗並完成了第一階段的海上運行試驗；1983年AN/SPS-48E雷達開始投產；1986年AN/SPS-48E雷達交付使用；1987年初第一部AN/SPS-48E雷達系統安裝在“比德爾”號飛彈巡洋艦上。此後又發展了AN/SPS-48F雷達。
其主承包商是美國ITT-吉爾福蘭分公司，主管單位是美國海軍海上系統司令部。
AN/SPS-48系列雷達的主要功能是三坐標遠程對空搜尋和目標指示，它能為飛彈和武器作戰系統提供準確的目標數據信息。
1994財年，AN/SPS48雷達的單價為1800萬美元。
到1994年，共生產了126部AN/SPS-48雷達，其中已交付了45部AN/SPS-48E雷達，約有60部AN/SPS-48C雷達仍在服役。該系列雷達主要裝備航空母艦、大多數飛彈巡洋艦和驅逐艦以及兩棲指揮艦，它也被安裝在某些地面站。AN/SPS-48系列雷達起初僅在美國海軍中使用，現在美國海軍已放寬了AN/SPS-48E雷達在世界範圍的出售。AN/SPS48E雷達的主要銷售對象將是德國、澳大利亞、義大利、日本、西班牙和巴基斯坦六國的28艘艦艇。另外，AN/SPS-48F雷達用於出口和作為LHA艦上AN/SPS-52雷達的可能替換型。

組成分析

1．系統組成
AN/SPS-48系列雷達由六個主要單元組成：平面陣列天線、固態發射機、數位化接收機、2台計算機(通用計算機的軍用型)、1個頻率合成器、1個控制台及與其相配合的輔助電源裝置和數據變換器。
AN/SPS-48雷達採用電子穩定且旋轉的平面陣列天線，天線陣面由73根波導管組成，其波導饋源則由蛇形波導延遲線構成。它比一般由點饋源和反射體組成的天線具有高增益和低旁瓣的優點。
圖3.3-11示出AN/SPS-48雷達天線外形的照片
AN/SPS-48E雷達的發射機由晶體振盪器作頻率源，不同頻率的信號再用頻率合成器輸入後，其射頻能量由置於6個機櫃中的4個發射放大級所控制。第一級將頻率合成器輸出增加到4kW。接著，第二級由正交場放大器將輸出放大到60kW。第三級(末級前置放大級)提供660kW，而最終級(AN/SPS-48F雷達省掉此級)將信號放大至2.4MW峰值功率，然後經由天線以9個分立但疊接的筆形波束髮射出去。發射信號為9個3微秒脈衝組成的27微秒的脈衝串。9個脈衝信號的頻率稍有不同，從而形成總覆蓋範圍為6°的9個筆形波束，在仰角5.6°方位1.5°區域上對目標進行測量。這9個波束的群體是AN/SPS-48E/F搜尋編程的結構單元。仰角掃描是通過在計算機控制下改變發射信號的頻率而實現的。
在低角掃描程式中，最優先考慮的是0°-28°仰角，該仰角包括AN/SPS-48F的最低的4個波束串(AN/SPS-48E的最低的5個稍窄些的筆形波束)。同樣，高重複頻率脈衝都卜勒波形以底部波束串的最低3個波束來發射，可探測雜波中的小目標。
子脈衝的頻率，以及由其而來的波束和波束串位置，都由掃描程式編制器根據艦船的橫搖、縱搖、航向和選擇的搜尋方向圖來進行動態計算。選擇的搜尋方向圖自動地適應操縱者和/或武器系統的要求。
圖3.3-11 AN/SPS-48雷達天線
2．AN/SPS-48E雷達與艦載武器、指控系統對接
各艦裝備的各種雷達具有各自不同的信號圖像，所以探測捕捉目標時的綜合機率自然要大大高於單個雷達的探測機率。美國海軍為了綜合處理各艦各種雷達自動探測數據，採用了AN/SYS-2型綜合自動探測和跟蹤(IADT)系統。利用該系統可以得到更正確和更可靠的探測情報。AN/SYS-2不僅能跟蹤目標，而且還能有效地判斷射擊效果。這種雷達綜合化、判斷威脅為一體的系統是為“新威脅改進”(NTU)計畫研製的。當時，任何一種艦載雷達都很難探測到飛彈。但如果將數部雷達一起重複使用，再用AN/SYS-2進行綜合數據處理，則探測機率就會明顯提高。
NTU是美國海軍為裝有區域防空飛彈和NTDS作戰指揮系統的艦艇提高防空和反導能力而進行改進的作戰系統。NTU系統配備了AN/SPS-48E和AN/SPS-49(V)5兩種新型對空搜尋雷達以及AN/SYS-2綜合自動探測和跟蹤系統，還配用了一種新型標準SM-2(Ⅱ)飛彈。這兩種搜尋雷達把數據輸給AN/SYS-2；AN/SPS-49(V)5兩坐標雷達也自動把數據輸給NTDS(戰術數據系統)。AN/SPS-48E三坐標雷達是IADT的主要目標捕獲感測設備。其功能是自動探測目標，並向AN/SYS-2系統內的跟蹤計算機提供目標的位置數據信息。AN/SPS-48E雷達和以前的雷達裝置相比，具有非常明顯的圖像，並能有效地探測遠程目標。在使用標準SM-2(Ⅱ)遠程飛彈時，，其有效距離的性能良好。雖然NTU中雷達的精度沒有“宙斯盾”系統中的AN/SPY-1雷達系統精度高，但標準SM-2(Ⅱ)和NTU相結合無疑會使現有飛彈艦艇的有效火力大大增強。
圖3.3-12示出美國海軍“維吉尼亞”級巡洋艦(CGN38)上的AN/SPS-48E、AN/SPS-49(V)5等與指揮和武器控制系統綜合的方框圖。
圖3.3-12 CGN38巡洋艦上的AN/SPS-48E、AN/SPS-49(V)5等綜合到指揮和武器控制系統的方框圖

主要參數

AN/SPS-48E
AN/SPS-48F
體制
頻掃三坐標
頻掃三坐標
功能
遠程對空搜尋
遠程對空搜尋
作用距離(n mile)
220(5m2目標)
125(1m2目標)
150(5m2目標)
90(1m2目標)
工作波段
S(2.9~3.1GHz)
S(2.9~3.1GHz)
峰值功率（MW）
2.4
0.66
平均功率（Kw）
35
15
重複頻率
1250-2000脈衝數/s
1250-2000脈衝數/s
脈衝寬度（μs）
3
3
天線型式
平面陣列
平面陣列
天線尺寸(m)
5.48×5.18
3.96×3.63
子陣列數
95
71
旋轉半徑(m)
3.65
2.65
天線轉速(r/min)
15
30
天線重量(kg)
2970
1125
甲板下重量(kg)
9900
6750
波束寬度
1.5°X1.6°
1.5°X1.6°
極化形式
垂直
垂直
微處理機
AN/UYK-20數據處理機和AN/SYS-2航跡處理機
Motorola 68030系列
MTBF（h）
650
950

分析改進

目前，AN/SPS-48雷達有AN/SPS-48(A、B、C、D、E、F)五種改型。該雷達的改進重點是：增加高仰角覆蓋範圍；提高平均功率輸出(防止瞄準式干擾)；改進在嚴重雜波下的檢測能力。AN/SPS-48A和AN/SPS-48C的主要特點在於它具有自動檢測和跟蹤(ADT)電路。AN/SPS-48C還具有動目標顯示(Mil)性能。此外，採用光纖傳遞雷達數據。光纖損耗低，體積小、重量輕，無電磁干擾，對海軍艦載套用具有很大意義。
AN/SPS-48E雷達是AN/SPS-48C雷達的最新改進型，它是為“新威脅改進”(NTU)計畫而研製的。其主要改進體現在視頻處理、抗電子干擾和跟蹤能力方面。NTU計畫改進了天線、接收機和控制裝置。更換了發射機、數據處理器和控制台。
AN/SPS-48E雷達以四種掃描方式和四個雷達操縱控制台為特徵。其主要使命是早期探測發自敵方轟炸機的高空反艦飛彈，同時也能為增程和標準SM-2飛彈系統的中程制導提供目標位置信息。AN/SPS-48E雷達的主要特點是：
①利用機械掃描和電子波束控制相結合，在電腦程式控制下，可使用8種工作方式。
②頻率和天線方向圖的控制靈活性，可以增強抗電子干擾的能力。
③採用了固態化器件(如高功率固態發射機等)，雖然系統的元器件大為減少，但發射機的平均功率卻增加一倍，提高了雷達系統的使用率。
④採用的新型數據處理機具有自動探測和跟蹤(ADT)的特點，在廣闊的區域裡能自動跟蹤100多架飛機。
⑤提高了方位精度和仰角覆蓋範圍。其跟蹤精度範圍：高度為411m，方位角為0.6°，天線可360°旋轉，提高了全方位搜尋。
⑥採用了先進的數字接收機和信號處理設備，並提高了接收機的靈敏度。
⑦藉助於一台先進的檢測數據轉換器(DDC)，使動目標顯示器的功能進一步擴大。DDC能使雷達操作員將發射功率集中在某個距離、仰角和方位角的範圍之內，從而可消除箔條和海雜波的干擾及惡劣氣候帶來的影響。
⑧具有自適應波束能量管理功能，可根據干擾環境自動測定和分配雷達的時間和功率，並對干擾作出反應。
⑨採用IADT，使AN/SPS-48E三坐標雷達和AN/SPS-49(V)5兩坐標雷達的輸入功率得到綜合控制，改進了跟蹤性能。
⑩該雷達無論在艦艇發生縱搖或橫搖的情況下，將以電子方式保證天線系統的穩定性。
除此之外，系統的可靠性作為該雷達優先考慮的因素。與AN/SPS-48C雷達相比，AN/SPS-48E雷達的電子元器件減少了70%，取消了300多個調準點和700個測試點，而且使故障間隔平均時間提高50%以上。另外，發射機、接收機和整個系統的其他部件都採用了機內測試(BIT)處理機，它能以0.5s間隔時間對接近5000個採樣點進行連續測試，以及對雷達功能參數的定時故障檢測，因此使MTBF提高50%以上。這樣，不僅提高了整個系統的可靠性和可維修性，而且大大縮短了雷達系統的安裝和試驗時間。
美國ITT-吉爾福蘭分公司於1994年初研製的新型AN/SPS-48F雷達是AN/SPS-48E雷達的輕型化方案。有可能裝備與“宙斯盾”艦相類似的艦艇。與AN/SPS-48E雷達相比較，它減小了天線尺寸和重量，增益降低2dB，但副瓣電平卻高3dB。另外還省去了雷達發射機的末級放大器，峰值功率和平均功率分別降到660kW和15kW。這樣，雖然其遠程監視距離減至270km，但其重量和造價削減了40%，而且可靠性增加了40%。由於該輕型天線能作30r/min的旋轉，可每隔2s掃描一次，所以大大改進了防禦低空巡航飛彈的性能。又因為輕巧的天線可安裝在桅桿的更高位置上這樣就有33km的探測視距，這對於3Ma的掠海反艦飛彈來說，將會多出10s的預警時間。另外，其所有功率放大，包括用於發射控制的安全與瞬時啟動和關閉電路都由微處理機進行控制。
綜上所述，AN/SPS-48E雷達是美國海軍NTU計畫中具有遠程對空防禦能力的現代化戰鬥武器控制系統的關鍵性設備，同時該雷達也是當代海軍頻掃三坐標體制的典型代表。