海神之眼：中国海军舰载相控阵雷达的发展
在希腊神话中，海洋之神波塞冬（Poseidon）有一双神眼，可以看透海洋里的一切。
随着科技的发展，现代海战已进入电子化和信息化的阶段，雷达是现代舰船防御作战系统的重要组成部分，亦是舰船的关键探测装备。舰载雷达性能之优劣，对现代海战的影响颇大。现代海上战争中，作战飞机和反舰导弹的性能在不断提高，舰艇所面临的主要威胁便是这些来自空中各种兵器的攻击，为了有效地解决水面舰艇编队在复杂电磁干扰环境下抗击空中、海上多方向、多批次饱和攻击的威胁，世界各国海军竟先发展了舰载相控阵雷达。
相控阵技术，早在30年代后期就已经出现。第二次世界大战期间，第一代相控阵雷达诞生。但由于采用机电移相器，雷达既笨重又复杂，数据率不高，未能发挥相控阵雷达的优越性。因此，只是作了原理性的验证。50年代后期，由于对洲际导弹防御的需要，而常规机械扫描雷达又无法满足这些要求的时候，当时的美苏相继研制成了一系列战略相控阵雷达，如美国的AN/FPS-46、PAR、铺路爪（PAVEPAWS），前苏联的“鸡笼”、“狗窝”等，这些固定式大型相控阵雷达占领了战略防御的重要地位。
美国是研制和使用舰载相控阵雷达最早的国家，不论在技术水平上还是装备的品种和数量上均领先和超过其它国家。1962年，美国首先把AN/SPS-32和AN/SPS-33相控阵雷达安装在“企业”号航空母舰和“长滩”号巡洋舰上，用以分别完成搜索和跟踪任务。受当时电子计算机技术水平限制，这两型雷达功能较少，成本昂贵，技术复杂，设备庞大，未能推广使用。另一“台风”计划中的舰载相控阵雷达AN/SPG-59，只作了样机试验，后因该雷达过于笨重，造价高、效率低，性能满足不了要求，故于1967年取消了该项目，这说明60年代战术相控阵雷达技术不够成熟，还不具备与常规雷达的竞争能力。美国海军随后开始了一个全新作战系统的概念设计，在1969年底将其定名为“宙斯盾”(AEGIS)系统(全称为全自动作战指挥与武器控制系统)。在历时10年，投入8亿多美元的巨额研制经费，经10万小时实验后，大名鼎鼎的“宙斯盾”系统研制成功。1982年美国将新研制的AN/SPY-1型舰载相控阵雷达正式装备在“提康德罗加”号巡洋舰上，成为该舰“宙斯盾”武器系统的核心，并改进和装备到其他一些大型水面舰艇上。
以SPY-1型舰载相控阵雷达为主体的”宙斯盾“舰是全球最大的防空舰家族，图为日本海自的”宙斯盾“驱逐舰
前苏联从80年代初开始研制舰载相控阵雷达，现已研制和装备了“天空哨兵”、CCB-33和CCB-501相控阵雷达。英国研制舰载相控阵雷达虽然比美、法、前苏联等国家较晚，但正在奋起直追，目前正在研制具有先进水平的MESAR SAMPSON有源相控阵雷达。其它国家和地区也都竞相研制和装备舰载相控阵雷达，如由荷兰、德国和加拿大等国共同开发的APAR、意大利的RAN-20S、日本的OPS-24、荷兰的SMART、瑞典的ELSA等。
长期以来，我国海军一直面临着舰队防空能力极其薄弱的状况：由于我军仍将缺少大中型航母，舰队难以获得舰载预警机和远程战斗机。在进行远洋作战时，没有陆基航空兵的掩护，舰队将缺少舰载航空兵的空基预警和远程拦截能力，难以及时发现和拦截低空逼近的反舰攻击机和导弹。从70年代以来，中国海军一直奉行远程预警雷达与近程低空搜索雷达的防空系统配置，在90年代舰队普遍安装近程防空导弹时依旧沿用这种搭配思想，但是缺少中程区域防空武器系统。90年代中期引进俄罗“现代级”驱逐舰后，中国海军才第一次拥有了一定的区域防空能力。
2003年，一种国产新型驱逐舰（052C）出现在大家的面前，当建造中的新驱舰桥上出现了几个硕大的“窗口”时，人们的心情开始变的紧张和激动，很多人的目光都聚焦在船坞上的这艘崭新的战舰上。很快，这种紧张和激动得到了验证：新型驱逐舰上安装了我国第一代舰载有源相控阵雷达系统，与美国的“宙斯盾”军舰相对应，媒体将这艘中国最新型驱逐舰称为“中华神盾”舰，由于只有美、俄、日和欧洲少数国家有能力生产这种复杂的“神盾”作战系统，“中华神盾”舰的下水对于中国海军而言具有里程碑的意义。同时，“中华神盾”以超过西方预料的速度建造下水，也标志着中国军舰制造水平正在走向成熟。早在1989年11月，海军舰载雷达研讨会在南京秦淮河畔的十四所（中国电子科技集团公司第十四研究所）召开。会上，为了满足舰载环境和使用要求，使中国海军装备上一个层次，十四所舰载雷达科研团队提出了研制舰载相控阵雷达的构想，这个构想被不少与会专家认为在当时的条件下不可能完成，但却得到了对先进军事科技具有敏锐嗅觉的海装电子部专家和领导的认可。因为舰载相控阵雷达具有无可比拟的优越性：因为相控阵雷达具有多种功能，一部舰用相控阵雷达可以代替一部警戒雷达、一部目标指示雷达、几部跟踪雷达，将使舰上雷达天线配置上的矛盾和信号相互干扰问题得到妥善解决。另外舰载相控阵雷达可以与区域防空导弹武器系统紧密配合，构成有效的对空防御作战系统，能抗击空、海多目标、多方向、多批次的饱和攻击，同时舰载相控阵雷达系统自动化程度高，系统反应时间短，自适应能力好，抗干扰能力强，有利于适应复杂多变、空然袭击的战场环境。舰载相控阵雷达与舰用指挥控制系统紧密配合后，将构成一套新型指控系统，突破了传统的作战系统与各分系统相对独立松散耦合方式，而形成整体性强的紧密耦合优化组合方式，大大提高了中国海军舰艇的作战能力。
当时的中国海防基础非常薄弱，要研制舰载相控阵雷达为主体的先进的系统，面临的困难是可想而知的。我们既没有可以借鉴的经验，可搜集到的国外资料也很有限。但是中国要从战术需求上解决区域防空的问题，解决全方位饱和攻击的防御问题，则必须采用相控阵雷达，因为与传统的舰载雷达相比，舰载相控阵雷达具有非常多的优势，是否拥有“宙斯盾”系统或与该系统类似的防空系统已成为现代区域防空舰的标志。
2011年，中国军方首次公开宣称，中国正在“利用一艘废旧航空母舰平台进行改造，用于科研试验和训练”，这便是我们熟知的“瓦良格”（Varyag）中型常规动力航空母舰，在对该航母平台进行改造的过程中，“中华神盾”再次出现，中国的航母试验平台安装了与052C型防空导弹驱逐舰相同的有源相控阵雷达，这表明，这一被官方媒体称之为“海之星”的相控阵雷达已经成为了中国海军的“标配”产品。
与“宙斯盾”采用的无源相控阵雷达相比，我们采用了有源相控阵雷达，无源和有源的相控阵在天线的外观上差不多，都是由几千个密密麻麻的单元组成，不同的是有源的单元含有独立的发射、接收、移相模块，每个单元都能发射和接收无线电波，虽然每个单元的功率较小，但几千个单元加起来就很多了。而无源的单元则只有接收、移相模块，整个阵面的发射功率都由一个功率很大的独立发射机产生，然后通过由波导组成的馈电网络分配到天线阵面的每个单元上再移相后发射出去。有源相控阵雷达与无源相控阵雷达相比，存在着明显的优点：
（1）由于有源相控阵雷达的发射机直接分布在阵面上，因此发射馈线损耗小，与无源相控阵雷达相比，减少4倍以上，则使雷达的探测距离明显增大；
（2）由于有源相控阵雷达的天线阵面上的每一个单元相当于一部小发射机，只有当20%以上的收发组件失效后才会严重影响雷达性能。当仅有10%组件失效 时，雷达的作用距离仅减少3%左右，影响甚小。相反，无源相控阵雷达是采用一部集中式发射机，当发射机出现故障时，会导致整部雷达不能工作。由此可见，有源比无源相控阵雷达的任务可靠性有较大提高；
（3）有源相控阵雷达可发射灵活易变的大占空比发射波形，使其发射的脉冲功率大大降低，不易被敌方侦察机截获，具有良好的低截获概率性能。而无源相控阵雷达因受大功率发射管的制约，雷达工作占空比受到限制，使其发射的脉冲功率较大，易被敌方侦察和截获并受到干扰；
（4）采用有源相控阵雷达，可明显减小雷达的体积、重量以及降低成本和提高可行性，更适于装舰；
（5）有源相控阵雷达更有利于采用先进的数字波束形成技术，实现天线波束自适应控制，使其零点对准干扰方向，大大提高了抗干扰能力。
有源相控阵雷达是集现代阵列理论、超大规模集成电路、高速计算机、先进固态器件及光电技术为一体的新技术产物，充分体现了现代化科学的发展水平，它具有多功能、远距离、高精度、高灵活性、高可靠性以及优良的抗干扰能力等鲜明特征，是舰载雷达的发展新方向。
在“海之星”的研制过程中，我们的科研人员创造了一个个奇迹，比如海面杂波问题的解决，美国用了2年，俄罗斯用了6年，而我们只用了6个月！总之，“海之星”的出现，让中国成为了第三个拥有自主创新舰载多功能雷达的国家，还被美国中情局评价称，该雷达是中国真正自主创新研制的相控阵雷达。它的研制成功标志着中国第一部舰载多功能相控阵雷达的研制已达国际领先水平。舰载垂直发射系统与性能强大的相控阵雷达系统的整合堪称中国海军技术装备史上的一个里程碑。
然而，在惊叹与赞美的同时，相关争议也一直伴随着“海之星”舰载相控阵雷达，最大的争议便是那个巨大的弧形雷达罩，与“宙斯盾”平面、美观的外形相比，弧形雷达罩显得异常突兀。在解释这个问题之前我们先来了解一下电子设备的发热、冷却问题。据统计，电子设备超过半数的失效情况是由温度过高引起的，且设备的可靠性也会随着温度的升高而迅速降低。相控阵雷达阵面内电子设备日益密集对冷却系统的性能提出了更高的要求。此外，为了使阵面内各T/R组件的工作性能差距不致过大，冷却系统还要有均匀冷却的能力。所以为了提高舰载雷达电子设备的工作稳定性、可靠性和使用寿命，并使其具有良好的作战性能，必须要为舰载电子设备创造一个良好的工作环境，以使其在达到冷却要求的同时免受海洋性恶劣气候条件的影响。“海之星”这个极富争议的弧形雷达罩便是其冷却系统的一部分，将天线罩与反射面板之间的空间作为静压层，在反射面板上开有通风小孔，利用其他组件配合安装形成通风的风道。“海之星”舰载相控阵雷达在正式装备前，曾经在中国海军综合试验舰 “毕昇”号上进行过测试，当时的雷达阵面旁边，更是布满了各种管线，国外媒体正是根据这些管线判断，该雷达为功率很大的有源相控阵雷达。
虽然有源相控阵雷达具多种优势，但就目前来说，“海之星”舰载相控阵雷达终究只是中国海军的第一代相控阵雷达，根据上文介绍的情况来，很可能存在着功耗过高，发热量过大的问题。尤其在052C型驱逐舰的安装上，“海之星”舰载相控阵雷达的的位置过低，受制于地球弧形表面，将使其平面搜索距离大减，此外，朝向后方的两块雷达阵面位置没有特别加高，导致水平视线下缘被高起的尾楼结构挡到一些，这些布置会影响到舰体后方的低空搜索。
当我们还在为自己的“中华神盾”诞生而欢欣鼓舞时，美国海军已经快要装备下一代相控阵了。美海军的SPY-3多功能有源相控阵雷达早在2006年就完成了海试，将安装在其最新的“朱姆沃尔特”级驱逐舰上，当我们快步追赶时，美国人却用更快的速度前进，距离并未缩短。因此，“海之星”并不是我们可以坐在上面休息的终点站，而是召唤我们前进的新的起跑线。
令人惊喜的是，近日互联网上出现了一张我们最新型舰载相控阵雷达在中国海军综合试验舰上已经安装的照片，从与舰桥上其他设备的尺寸对比我们可以看到，最新型舰载相控阵雷达比现役的“海之星”要略大，雷达阵面趋近于正方形。在外观上最大的变化便是取消了之前争议最多的弧形雷达罩，显得尤为简洁大方。由于舰艇的空间有限，要求舰载相控阵雷达应尽可能做到体积小和重量轻，最新型舰载相控阵雷达在这个方面做了很大的改进，虽然仅从一张照片上我们无法获知更多的信息，但从第一代“海之星”装备至今已有10年以及计划发展中的中国海军大型导弹驱逐舰（052D）来看，图片中出现的最新型舰载相控阵雷达肯定会和未来的改进型“HHQ-9”更加匹配。通常，防空系统中制导雷达的探测距离要达到导弹射程的两倍以上，而搜索雷达的探测距离应该更远，这样才能为拦截目标提供充足的预警和反应时间，“HHQ-9”的出现虽然极大的缓和了中国舰队区域防空的压力，但在射程上还和国际先进水平有不小差距，如果未来“HHQ-9”改进型的射程能够超过200KM的话，势必要求舰载雷达能有相应的改进。从目前中国海军的发展速度和趋势来看，我们完全有理由相信最新型的舰载相控阵雷达能够有效满足中国海军在未来海战中同时进行防空、反舰、反潜，对陆攻击，海军舰炮火力支援和导航等任务的要求，此外还能很好地满足战舰总体上对减少雷达截面积、降低全寿期费用的要求，并极大地减少维护工作量。
中国海军初次装备舰载相控阵雷达装备的意义主要在于，在岸基航空兵支援下为舰队提供一定程度的远程防空掩护，加强现阶段海军薄弱的防空力量，同时作为未来航母编队的护航舰艇。而最重要的一点，相控阵雷达技术和海上远程防空战术的研究可以为以后远洋舰队探测能力和防空能力的跃升进行技术储备。我们都知道，最好的防御永远是进攻，在为中国舰载相控阵雷达的发展欢欣鼓舞的同时，我们应该把视线投向我们的未来的航母编队。得益于其强大的航母战斗群综合防空力量，美国海军的航母本身并没有安装相控阵雷达，而是把这些任务交给了航母的“带刀护卫”们。在未来的中国远洋舰队中，我们将依靠强大的舰载航空兵，进行远程预警和拦截作战，由舰载航空兵（预警机+战斗机）担任反舰导弹的远程预警和拦截任务，才能更好的发挥空中预警系统对低空目标探测效果好的优势，弥补舰载雷达低空探测能力的不足。同时，舰截战斗机在反舰导弹的远程拦截上更为有效也更具灵活性。作为一种攻防兼备的作战系统，航母编队真正的威力在于其强大的制海和制空能力，依靠其强大的攻击能力，航母可以在任何平台对其发射攻击导弹前将其摧毁，这种攻势防御才是整个舰队安全最重要的保障。
我们知道，蜻蜓的每只眼睛由许许多多个小眼组成，每个小眼都能成完整的像，这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类似，相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元（称为阵元）组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。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。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。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。
