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美國海軍數位雙盾 : SPY-6 神盾雷達及SLQ-32(V)7 電戰系統

PY-6 AMDR & SLQ-32(V)7 SWIP 作者 / FLAK

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1 月 11 日,美國海軍宣佈第一艘勃克級 Flight Ⅲ驅逐艦:傑克盧卡斯號(DDG 125, USS Jack H. Lucas)已完成「神盾關燈」(Aegis Light-off),意味著該艦開始作戰系統測試。勃克級 Flight Ⅲ將安裝 SPY-6 空中與飛彈防禦雷達(AMDR, Air and Missile Defense Radar),成為神盾作戰系統服役數十年來的最重大改良。另外,美軍也將從 Flight Ⅱ A 的馬斯廷號(DDG 89, USS Mustin)開始改裝 SLQ-32(V)7「水面電戰升級」計劃(SWIP, Surface Electronic Warfare Improvement Program)Block 3。這兩套系統也將出現在下一代驅逐艦計劃:DDG(X) 上,成為美軍新一代水面防空/反飛彈戰力的核心。

新世紀雷達演進

1960 年代,為了對抗前蘇聯反艦飛彈與電戰武器的威脅,美國海軍委託約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室(APL)研發先進多功能陣列雷達(AMFAR, Ad-vanced Multi-Function Array Radar ):利用相位陣列(Phased Array )天線的電子掃描波束達到多目標即時追蹤,並藉由極低旁波瓣( Sidelobe)的窄波束與脈衝壓縮( Pulse Compression)技術,抑制自然雜訊與人為壓制干擾(Barrage Jamming)的影響。AMFAR 成為SPY-1 神盾(Aegis)雷達的前身,後者在之後的數十年間一直是艦載防空/反彈道飛彈雷達的標竿。然而,SPY-1 雷達使用的技術在 1990 年代後逐漸落伍,多種新技術崛起並成為下一代相位陣列雷達的基礎。

神盾雷達利用相位陣列天線的瞬間波束指向能力,能完成終端照明以外的接戰功能,這使其可以持續更新目標動態,並全程掌控接戰過程,避免旋轉天線因週期性掃描而造成目標脫鎖或軌跡誤判的問題。_USN

被動陣列 vs. 主動陣列

APL 在 AMFAR 計 劃 中 利 用亞鐵磁榴石(Ferrimagnetic Garnet )發展出抗高溫的移相器(Phase Shifter),並以數千個單元(Element)構成陣列天線,使 SPY-1雷達能產生高度聚焦並能瞬間改變指向的發射/接收波束。但電波能量不論發射/接收都需經過導波管 ,才能從發射機傳輸到天線(或從天線傳輸到接收器)甲板下方的接收器,傳輸過程會損失能量與產生雜訊,成為被動陣列(Passive Array)的主要缺點。
主動陣列(Active Array)則將微型高功率放大器(HPA)與接收用的低噪訊放大器(LNA)組合為發射/接收模組(Transmit/Receive Modules),並整合於天線中,一方面使接收訊號更加清晰,而容易過濾雜訊與偵測低回波目標;另一方面再用多個放大器取代單一放大器(例如行波管),即便部份放大器故障也能繼續運作。

由於 14 呎版(37 塊 RMA)的 SPY-6 將使全艦電力負載由 4MW 提高到 5.5MW,因此將發電機由 3MW 升級到 4MW,使其能用 2 具發電機作戰(1 具備援),並改用 4160VAC 高壓電路減少耗損;其冷卻能力也從1,000 噸增加到 1,500 噸;另外由於主動相位陣列天線的重量集中在天線端,也增加了艦底與艦艉的配重以壓低重心。_USN

類比塑波 vs. 數位塑波

主動陣列需透過「塑波」( Beamforming)機制精確協調各單元的相位,以產生高度聚焦的發射/接收波束,若加入適應性( Adaptive)演算機制調整接收的相位/強度權重,就能對干擾源方向產生遮蔽訊號的「零點」(Null) ,過濾掉影響周遭回波。早期主動陣列雷達多透過類比電路進行塑波,若要同時產生多波束(Multi-beam)會有較大損耗。如果將接收訊號轉成數位型式,再以數位運算塑波,就能避免多波束損耗問題。多波束具有以下好處:

  • 利用多道窄波束組合成寬波束進行掃描,能兼顧寬波束的資料更新率與窄波束的角度精確性。
  • 可依任務動態組成不同形狀,例如空間搜索(Volume Search )用 2 維組合,同時增加垂直、水平掃描角度;平面搜索(Horizon Search)則用水平扇形組合來縮短360 度掃瞄時間。
  • 相較於單波束的來回掃描,多波束在小角度範圍進行長時間凝視(Staring)可累積更多回波,提升偵測微弱回波與過濾雜訊能力。例如以水平扇形涵蓋彈道飛彈來襲方向,可形成固定的偵測柵欄( Fence)而沒有掃描空窗。
  • 多波束也可產生多個零點,來消除多個干擾源的影響。

另外,由於數位塑波會使用多具接收器進行類比/數位(A/D)轉換,其動態範圍(註 1)也會以倍數成長,使雷達更容易偵測到微弱的目標回波。但由於數位式接收/激發器(DREX, Digital Receiver Exciter)仍然昂貴,高頻訊號數位化的運算與傳輸速度也相當驚人,目前僅有低頻雷達(波長較大)或是較簡單的雷達(單元數較少)能做到單元級的數位塑波,高頻雷達則先以類比方式將多個單元組合成子陣列(Sub Array),再進行數位塑波,稱之為混合塑波(Hybrid Beamforming)。
註 1:意指可接收最強訊號到最弱訊號之間的強度差距。

美軍艦載 S 頻相位陣列雷達的 3 個世代:SPY-1 採用被動式相位陣列 ,達成 2 維電子掃描波束;SPY-4 利用砷化鎵發射/接收模組使其在前端進行訊號放大,訊號在後端的傳輸線路就能壓過噪訊而提升偵測能力;SPY-6 則用交錯覆蓋的子陣列產生多波束,能對目標方向停留更長時間,累積更多回波,使偵測能力進一步提升。_Author

砷化鎵 vs. 氮化鎵

雷神公司(Raytheon)在 1970年代末期以矽基積體電路為鋪路爪(PAVE PAWS)雷達製造第一代發射/接收模組,但該技術僅適於 UHF 頻段(波長大於 10 公分)以下頻率,價格高昂且難以小型化 。但在 1980 年代,使用砷化鎵( GaAs)半導體製成發射/接收模組,L 頻段以上的主動陣列才逐漸成熟。
由於砷化鎵的能量效率高,噪訊低,以上千顆單元組成的陣列天線,能產生數倍於傳統放大器的功率。而氮化鎵(GaN)半導體具有較高的工作電壓與溫度,能量密度是砷化鎵的 5 至 10 倍,並有更高的效率與更大的頻寬,用在發射/收單元可將雷達性能再提升數倍。雷神不但是研究砷化鎵與氮化鎵的先驅,甚至自建晶圓廠來提供軍用等級半導體。

歐洲泰利思集團是數位塑波的領導廠商之一,其 SMART-L 雷達就達成 L 頻的 1 維數位塑波,藉由發射單一寬波束來縮短空間搜索時間,但用多道接收波束來量測目標高度;其新一代艦載雷達則升級為 2 維數位塑波,可產生不同形狀的 2 維多波束,以適應任務要求。_Thales

DBR 雙頻段雷達

美國海軍在 1990 年代規劃 21世紀艦隊時,認為未來防空面臨 3大難題:

  • 反艦/攻陸巡弋飛彈的雷達回波與最小飛行高度越來越低。
  • 超音速/彈道飛彈的速度與最大飛行高度越來越高。
  • 從遠洋作戰轉向沿岸,陸地雜訊、手機基地台、電戰系統等干擾源的強度與速度都增加。
DBR 的高頻雷達主要用於低角度掃描,可搜索低空飛彈、海面船艦,搭配新技術甚至能搜尋到細小的潛望鏡 ,並可兼任半主動雷達導引飛彈的終端照明任務,這使其可取代大部份的傳統雷達;低頻雷達用於大角度範圍的空間搜索,在高頻雷達執行重要任務時(例:照明目標)也能兼任部份低角度搜索任務。2 種雷達的天線、發射/接收模組與訊號處理器其實都是分離的,但透過資料處理器可融合兩者目標情資,而達到綜合追蹤的效果外,並藉由同時控制 2 種雷達來活化資源運用。_USN/Author

面對這些難題,美軍認為需用主動陣列技術發展下一代 3D 防空雷達,安裝在負責岸轟的 DDG 1000 朱瓦特級(Zumwalt)驅逐艦以及兩棲艦、航空母艦等大型艦艇上。原因為:

  • 主動陣列天線的偵測與抗雜訊能力較強。
  • 電子掃描波束可在偵測到目標後,立即「回頭」掃描以進行確認程序,不受機械天線的轉動速率限制。
  • 固定式平面天線可與艦體融合,降低雷達回波。
  • 電子掃描波束可以分時多工方式執行多種任務,同時取代多種雷達,使艦體外形更為簡潔,而能進一步降低回波。
  • 提高雷達妥善率,並減少維護人力

由於低頻雷達的大氣吸收率低 ,利於中高空長程搜索;高頻雷達受海平面多路(Multipath)效應的影響小,利於低空與海平面搜索,美海軍決定發展 L 頻段與 X 頻段 2種雷達(而非神盾的 S 頻段)。為了降低成本,美海軍將 2 種雷達組合為雙頻段雷達(DBR, Dual Band Radar),共用電源、冷卻系統以及資料處理器(DP, Data Processor )。由於處理器的自動化程度很高 ,雷達可直接與作戰系統溝通,而不需要專職操作員。

1999 年,雷神贏得 X 頻段雷達的合約,型號為 SPY-3 多功能雷達(MFR, Multi-Function Radar) 。但美海軍在 2004 年決定將 L 頻段雷達換成 S 頻段,理由是較高的頻段具有較好的解析度來分辨彈道飛彈與誘餌,作為未來的防空/反彈道飛彈雷達的基礎,於是由雷神分包給洛馬研發 S 頻段 SPY-4 空間搜索雷達(VSR, Volume Search Radar)。但在 DDG 1000 計劃重啟並且只建造 3 艘後,DBR 計劃跟著縮減,DDG 1000 級只安裝SPY-3 並修改軟體,以兼任空間搜索任務,唯一的 SPY-4 雷達只裝在福特號(CVN 78, Gerald R. Ford )航艦上。

福特號航艦是唯一安裝完整 DBR 組的作戰艦。SPY-3 選擇 X 頻的原因則是太高的頻率難以穿透雲霧,同時 X 頻也與 ESSM、標準飛彈的半主動雷達尋標器相同,使其可取代機械照明雷達;SPY-4 原訂使用 L頻,原因是更低的頻率無法滿足射控所需精度,但為了未來發展彈性又改用了 S 頻。USN/LM

AMDR 飛彈防禦雷達

在 DBR 計劃進行同時,美海軍也召集產官學界進行數位陣列雷達(DAR, Digital Array Radar)的研究,希望用數位塑波機制將偵測動態範圍提高 30 分貝(1,000 倍 ),並提升抗雜訊與抗干擾能力。 2010 年,雷神公司利用混合塑波架構發表了「可擴充相位陣列雷達的模組化架構」專利,這是將多具發射/接收單元安裝在小機櫃中而形成子陣列,每個機櫃含有 1組 DREX,可將子陣列訊號轉成數位型式,透過光纖傳遞給後端電腦進行數位塑波。這個機櫃後來被命名為雷達模組組件(RMA, Radar Modular Assembly),可以組合成不同尺寸雷達,使數位陣列雷達可輕易擴充為雷達家族。

2005 年,美海軍啟動下一代巡洋艦計劃:CG(X),預計採購 19艘來接替 22 艘提康德羅加級巡洋艦的防空/反彈道飛彈任務。美海軍打算用數位陣列雷達技術發展 S頻段 AMDR,但 SPY-3 改良型也被當作備案。透過填滿陣列的發射/接收單元,並增加工作週期(Duty Cycle),雷神宣稱 SPY-4 的偵測能力,可由目前的神盾系統水準再提高 15 分貝(32 倍)。

為勃克級設計的 SEWIP Block 3 天線,將以 2 面 1 組的方式安裝在上層結構的兩側,每組可涵蓋 180 度範圍,上層結構的外牆會鑽洞,讓電力、冷卻與訊號管路可以通過。為其他大型戰艦設計的天線,將以單面方式安裝在外牆。美海軍也將發展小尺寸天線,使其能安裝在巡防艦上,甚至是未來的無人水面艦。USN/NG
美國海軍在 2011 年的簡報投影片顯示,其打算利用可擴充的數位塑波技術,發展出不同尺寸的 S 頻雷達家族,其中右上兩者可能是 CG(X) 的概念之一,最上方似乎在艦島後方架設大型雷達塔來加大雷達尺寸,上二則沿襲DDG 1000 級的外形以降低修改成本。_USN

但由於潛在威脅(尤其是中國 )加快升級反艦與彈道飛彈,美國防部要求美海軍加快 CG(X) 發展,美海軍於是利用 RMA 的擴充彈性 ,評估多種數位陣列方案:

  • 大幅修改 LPD 17 級兩棲艦以安裝 30 呎天線的 SPY+30(註 2 )方案。
  • 大幅修改 DDG 1000 級以安裝 18 呎高天線 SPY+25 方案。
  • 小幅修改 DDG 1000 級或大幅修改勃克級,以安裝 14 呎天線的 SPY+15 方案。
  • 小幅修改勃克級以安裝 12呎天線的 SPY+11 方案。

註 2:數值代表偵測能力為SPY-1D 雷達的幾倍(以分貝為單位),+30 代表 1,000 倍,+25 代表 320 倍,+15 代 表 32 倍,+11代表 12 倍。


經過綜合評比後,美海軍認為SPY+25 以上方案雖能滿足獨立反彈道飛彈的要求,但成本太高;若搭配衛星、陸基或空基感測器的「 感測器聯網」(Sensor Netting)進行遠端接戰,則 SPY+15 方案勉強能滿足需求。由於勃克級的艦體與神盾戰系最為成熟,美海軍決定取消 CG(X),改以兩階段升級勃克級以滿足防空/反彈道飛彈需求:

  • 第一階段:以現役Flight Ⅱ A 設計增加建造 9 艘勃克級,並改良神盾戰系使其能同時收發 2 道波束,分別執行防空與反彈道飛彈任務。
  • 第二階段:發展勃克級Flight Ⅲ,擴充電力與冷卻能量,以滿足 SPY+15 方案的需求。
AMDR 除了保衛艦隊免於彈道飛彈與空中威脅外,也需協助辨識中段彈道的彈頭與誘餌,以支援洲際彈道飛彈防禦任務,後者也是它選擇 S 頻的主因。AMDR 利用數位塑波產生不同形狀的多波束,有助於偵測巡弋飛彈(低回波,高雜訊)、彈道/極音速飛彈(低回波,通過時間短)、直升機(低都卜勒、高雜訊、旋翼回波忽強忽弱)等高難度目標。_USN

美海軍在 2009 年啟動 AMDR計劃,原先也打算採用 S 頻段+ X頻段雙頻段架構,但將雷達套件控制器(RSC, Radar Suite Controller )獨立出來,使其能整合不同雷達。2012 年,美海軍暫緩 X 頻段AMDR 的發展,決定先整合現役的X 頻段旋轉天線雷達:SPQ-9B。 2013 年,雷神贏得 S 頻段 AMDR與 RSC 標案,型號為 SPY-6,在研發完成後發現性能超乎預期,達到SPY+17(50 倍)水準。
除了防空艦之外,美海軍也利用 RMA 的擴充性,發展 6 呎單面天線的 SPY-6(V)2,以取代大型艦艇的 SPY-48 雷達,又在 2017年發展 6 呎 3 面固定天線的 SPY-6(V)3,以安裝在福特級航艦與星座級巡防艦上,可說是代替 DBR完成了一統艦載 3D 雷達的夢想。

AMRFC 的發射陣列可切成 16 組子陣列,接收陣列則切成 9 組子陣列 ×4 個頻道,綜合類比塑波與數位塑波可同時產生 4 道發射波束、36 道接收波束;MFEW 則是由 20 個接收單元形成 2 個陣列,可以頻率掃描方式截收訊號,交給大量數位窄頻接收器進行精確頻譜分析;InTop 則利用波長尺度陣列與矽化鍺半導體技術,使寬頻天線的尺寸大幅縮小,使天線能裝在較高的位置。_USN/NG

SEWIP 水面電戰升級計劃

主動陣列天線除了統合多種雷達任務外,也有可能發射/接收通訊與電戰訊號,成為多功能射頻天線。於是美國海軍在 1999 年推動了「先進多功能射頻概念」計劃(AMRFC, Advanced MultiFunction Radio Frequency Concept),希望能發展出雷達、電戰與通訊系統的共用天線(Shared Aperture),減少太多天線之間的相互干擾,並使艦艇外形更加匿蹤。

然而,通訊與電戰系統都需要持續接收訊號,以免遺漏重要數位資料或稍縱即逝的電磁情報,無法像雷達在發射瞬間關閉接收單元,以免造成干擾。於是 AMRFC 將發射與接收單元分離,分別構成 4 組發射陣列與 9 組能涵蓋 C 到 Ku 頻段的寬頻接收陣列。其中,測試陣列將部份單元天線換成干涉計型式 ,以提供精確測向功能。

AMRFC 天線展示了對空與衛星視線通訊功能,並能截收電磁訊號,但雷達僅展示了低功率的導航模式。2005 年,美海軍又委託諾格公司為 DDG 1000 級驅逐艦研發了多功能電戰(MFEW, Multifunc-tion Electronic Warfare)原型,它專注於電戰任務而採用了干涉計式接收陣列。

美海軍在 2009 年又啟動「整合式頂層」計劃(InTop, Integrated Topside),希望開發多功能的多波束射頻天線,搭配模組化開放式架構與軟體定義能力,允許不同廠商共用天線與後端元件來發展不同系統。諾格在 2012 年發展多波束電戰/資訊戰/通訊(Multibeam EW/IO/Comm)實驗系統,也成為SEWIP Block 3 計劃雛形。

SEWIP 計劃開始於 2003 年,預計分 4 個階段更新 SLQ-32 電戰系統,以應付未來威脅:

  • Block 1:更新顯示器,並提升發射源識別能力。
  • Block 2:更換天線,以提升截收能力。
  • Block 3:換裝新型主動陣列天線,以提升截收與干擾能力。
  • Block 4:加入先進的光學與紅外線反制功能。
AMDR 的天線就像 1 座大型機櫃架,在框架嵌入電源、冷卻與通訊管路以支援每一具 RMA 機櫃。每座機櫃含有 144 具發射/接收模組(分裝在 24 片單板模組),但只有 2 片 DREX 數位接收/激發模組。由於子陣列併排進行塑波會產生光柵現象而增大旁波瓣,因此機櫃上的塑波器(應為類比型式)會彙整周遭機櫃的接收訊號,以交錯覆蓋(Overlapping)方式組合成子陣列,再傳遞給 DREX 轉換成數位訊號,最後透過光纖傳遞到甲板下方的數位塑波器進行合成。_Raytheon

SEWIP Block 1/2 已安裝在美海軍艦艇上,但 Block 3 天線的上 、下層結構有 22 呎高,目前僅有修改上層結構的勃克級 Flight Ⅲ能裝在側舷外。DDG(X) 則將其融入上層艦體,並在周圍增設其他陣列(可能是通訊用途),使面積更大,加上 AMDR 還需保留天線擴充為 18 呎的空間,不得不將 2 面AMDR 天線移到後方結構,以騰出外牆空間。

AMDR 提供作戰艦艇更強大的主動偵測與硬殺功能,而 SEWIP則強化能被動截收與軟殺能力,兩者的搭配可說是美軍水面艦的數位雙盾。而在 InTop 計劃中,雷神公司負責的彈性分散式陣列雷達( FlexDAR, Flexible Distributed Array Radar),已能用單元級的 S 頻段數位塑波擴大多波束角度,並以網路協同與精確對時技術做到了多基(Multi-Static)雷達,未來將使主動陣列科技又提升一個層次。

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