全极化有源相控阵雷达行业概况
思瀚产业研究院 纳睿雷达    2023-11-25

民用领域的全极化有源相控阵雷达主要源于美国提出的多功能有源相控阵雷达研究计划（MPAR），目前在美国正处于试验阶段，在我国则基本处于研究试验的起步阶段，国内行业内少数企业凭借较为领先的技术优势开始研制或量产应用全极化有源相控阵技术的雷达，使得民用领域的全极化有源相控阵雷达技术及其产业化得到较快发展。

全极化有源相控阵雷达由极化技术与相控阵技术集成，涉及多个应用特点，包括有源相控阵技术、全极化应用技术、雷达多功能应用等，较传统多普勒机械雷达拥有多种技术优势。

1、有源相控阵雷达的应用

传统多普勒机械雷达由于采用机械驱动天线进行平面扫描方式工作，体扫一周的完成时间较长，因此造成雷达的探测周期较长，数据误差大；其次，由于机械扫描方式的扫描角度等限制，相关雷达探测资料的时间分辨率较低。

传统天气雷达天线扫描时水平和垂直方向都采用机械驱动，扫描时按照 PPI 模式完成一个体扫大概需要 6 分钟时间且俯仰方向上的数据存在不连续性，很难满足对快速演变过程更为精细观测的需要。同时相关观测资料的时间分辨率低，必然影响相关气象产品的质量。目前正在业务应用的相关气象产品（包括冰雹识别、龙卷识别等）其分辨率都相对较低，影响了其业务实用性。

相控阵雷达采用了基于电扫的灵活扫描方式，可以提高采集数据的时间分辨率。

同时，相控阵雷达还分有源与无源，其区别主要在于 T/R 模组，有源相控阵雷达每一个 T/R 模组都可以实现发射和接收，从而使影响雷达整机工作的故 障率降低，同时性能也有所提升。

有源相控阵雷达正取代无源相控阵雷达，成为雷达的主要形式。根据《预 测国际》分析，有源相控阵雷达占雷达总产值的比例将由 2010年的 20%增加至2019 年的 68%，而无源相控阵雷达占比将由 2010 年的 49%下降到 2019 年的6%。新技术的发展为雷达产业的发展添加了动力，以有源相控阵雷达为代表的 高性能雷达将引领现代雷达的发展趋势。

2、全极化技术的应用

极化（也称偏振）作为电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位以外的重要基本参量，描述了电磁波的矢量特征，即电场方向在传播截面上随时间变化的轨迹特性，改变雷达发射天线的极化方向就可以改变电磁波的极化方式。

极化一般分为线极化、椭圆极化、圆极化，其中线极化又分为两个方向的极化，即水平极化和垂直极化。全极化是前述各种极化方式的综合。雷达天线极化方式不同，会导致目标反射回波的幅度和相位特性不同，进而影响雷达的探测灵敏度。一般而言，对于不同功能需求、应用背景和技术特点的雷达系统，会采用不同的极化测量体制。

雷达极化技术近年来受到较多关注和发展，为提高雷达的技术性能指标创造了较大的空间。一方面，雷达对多个极化通道的回波信号进行虚拟匹配或失配处理，可以提高雷达对信号环境、地物海杂波的感知和抑制能力，提高检测性能；另一方面，通过目标全极化测量技术，可以获得目标完整的极化散射矩阵，包括幅度特性和相位特性，进而还可以提取反射率、差分反射率、差分相移、差分相移率等，这些信息的进一步利用为目标识别提供了更加全面、丰富的信息，有助于提升目标的正确识别概率。

采用全极化设计的有源相控阵雷达有助于提高相控阵雷达对反射率弱的目标和多样化目标的探测和跟踪，获得更高的数据率和更多的目标信息，适应更复杂的环境，对提高雷达目标的探测和参数估计性能具有重要作用，在气象观测、对地遥感侦察和防空反导等领域得到了广泛应用。

在雷达气象学的应用研究中，由于不同极化特征在复杂云雨雾自然条件下的传输情况有不同，在某些气象条件下，单极化（单偏振）气象雷达已不适合于对环境复杂地区气候的测量，采取全极化技术的双极化（双偏振）有源相控阵雷达可以加强气象雷达的精细化探测能力。

在气象探测领域，单极化（单偏振）雷达的工作原理是：大尺寸的雨滴在下落过程中受到阻力使得雨滴形状发生变形，形变后的雨滴呈现扁平，这使得水平极化电磁波的散射能力增强，雷达根据电磁波的后向散射截面大小计算降水强度。但对于实际情况的降水而言，除了纯雨滴外还会存在冰雹、雪等其他固态降水粒子，单一极化的电磁波不易根据散射能力区分不同相态的降水粒子。

双极化（双偏振）雷达与目前常用的单极化（单偏振）雷达相比，能够获取降水粒子的形状、尺寸大小、相态分布、空间取向以及降水类型等更为详细的信息，有助于提高预警的准确性、定量估测降水的精度和雷达探测数据的质控能力。

3、雷达的多功能应用

从军事应用角度看，多功能相控阵雷达能同时完成搜索、识别、捕获、跟踪、引导和制导等多种功能，从而替代多部不同功能的雷达。更为重要的是雷达采用多功能相控阵体制之后，能有效地适应高密度饱和攻击等复杂战场环境，这是其他雷达难以完成的，因此多功能相控阵雷达的出现是现代雷达技术的一项重大成就。

当今世界各国都十分重视多功能相控阵雷达的研制与发展，特别是发达国家，已研制出或装备了一些性能先进的多功能相控阵雷达。如美国AN/SPY-1 和 AN/SPY-3 雷达、意大利 EMPAR 雷达、英国 MESAR 雷达、法国ARABEL 雷达、荷兰 APAR 雷达、日本 FCS-3 雷达等。这些雷达一般能跟踪数百批目标，拦截几十批目标，能有效地对付先进的综合性电子干扰。

从民用角度看，多功能相控阵雷达的硬件结构可同时搭载不同信号处理固件系统和数据处理软件系统，使其具备侦测不同目标的功能，例如气象目标、低空目标、海面目标等。这种雷达的硬件平台部分保持不变，通过不同信号处理算法在同一硬件平台实现系统的多功能性，包括兼具执行气象探测和空中交通监视等多种任务的能力，可以同时服务于天气监测、空中交通管制等。