相列雷達

        前一週談枯燥的《點防禦》，有網友來函肯定，表示內容淺顯易懂，並順道追問長年藏在他心底的疑問：相列雷達這麼貴，它到底有何特色？

我在海軍的專長是戰鬥系統。戰鬥系統包羅萬象，裡面最複雜的是雷達；雷達又以相列雷達最先進，先進到現今仍有長足的進步空間。

今天我試著用最少的文字，簡要介紹複雜的相列雷達。

 

雷達是戰鬥系統的「眼」，功能在搜索目標。

搜索有兩個目的，一是預警，警告「狼來了」；二為火控，提供「目標精確位置」予武器攻擊。

先談預警。

對於固定大小空域，預警雷達「波束」越寬，搜索過程所需發射的「波數」就越少，也代表搜索所需的時間就越短(請參考圖一)。 

圖一：預警雷達搜索空域示意圖。

為了減少搜索時間，預警雷達的波束既寬且廣，天線類同矩形，發射的也是矩形波(圖二)。

圖二：預警雷達波束。

雷達發射後若收到「回跡」，代表這個空域存在目標。可是，波束的範圍很大，目標到底在裡面的哪一個「點」呢？

為了找到目標的「精確位置」，追蹤雷達應運而生。

追蹤雷達使用圓形天線，射出如雷射般的波束，如此才能找到目標精確位置，進而建立追蹤、鎖定，再交給武器攻擊。

圖三：追蹤雷達的波束猶如雷射。

以上就是早期戰鬥系統的工作原理，它存在兩大缺點：

1.     攻擊1個目標，必須「占用」1台追蹤雷達：這使得系統「接戰目標」的「上限」，受限於追蹤雷達的數目。

2.     從獲得預警到鎖定目標，必須耗費冗長的時間：

(1)    預警雷達機械旋轉，每轉一圈耗費數秒至十數秒。

(2)    追蹤雷達接受系統指令，機械旋轉到目標概略方位，接著在寬廣的波束中，依設定模式尋找目標，再進而建立追蹤與鎖定。

這兩個缺點都是現代化戰爭的致命傷。

第一個缺點無法面對飽和攻擊。

第二個缺點是系統的反應時間太長，難以面對千鈞一髮的戰爭形態。

如何解決這兩大致命傷？

首先，「盡量縮小」追蹤雷達的體積，使得艦上得以安裝更多數量的追蹤雷達。

其次，設法讓「預警」與「追蹤」合一，也就是得到預警信號的同時，幾乎可以立即進行追蹤。

第三，去除天線耗時費力的機械旋轉。針對此，最直覺的想法是安裝數千台追蹤雷達，每1台分別對準1個固定的方位與仰角，進而在集體配合下，無需轉動天線，也能夠含蓋整個搜索空域。

這構想有點像雷射燈光秀。 

相片一：試著把每1道雷射光，看成1部追蹤雷達的波束。

構想雖然誇張，然而這就是相列雷達原始設計概念。它將1台追蹤雷達濃縮成1個「饋送角(feedhorn)」；而1面相列雷達，往往由數百乃至數千個饋送角組成。 

圖四：相列雷達示意圖。

饋送角整整齊齊地排列，猶如數學矩陣(array)，因而取名相列雷達(phased array radar)。而為了含蓋整個空域，艦用相列雷達通常擁有4面，每個面各含蓋90゜空域。

饋送角如此之多，工作原理非常複雜，但簡單看如下： 

圖五、艦用相列雷達發波示意圖。

早期神盾系統使用的相列雷達，擁有近五千個饋送角，掃描360゜空域只需要2秒。掃描過程中，任一饋送角獲得回跡，系統會在幾「微秒」之內發射幾個波束，「幾乎同時」建立追蹤。由於沒有機械轉動，相列雷達的故障率極低，且縱然某部分饋送角發生故障，也不會影響雷達整體工作能力。

相列雷達的出現成就了神盾系統，它縮短了系統的反應時間，同時大幅提高追蹤與攻擊目標的數目。

說它是「神盾」，實不為過！