SMART-L/S1850M/SMART-L MN長程對空搜索雷達

皇家海軍Type 45飛彈驅逐艦勇敢號(HMS Daring D32)的S1850M D/L波段長程對空搜索雷達,採用SMART-L的

天線與射頻系統,後端接收處理則由英國GEC-Marconi設計。此照片攝於2011年7月23日樸次茅茲軍港。

 ──by  Captian Picard


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SMART-L長程對空搜索雷達(D/L波段)

(上與下)德國海軍薩克森級巡防艦的SMART-L長程多波束對空監視雷達 ,負責遠程空域的監視警戒。

 

 

此雷達採用D(L)波段操作。在1991年,Signnal宣布將發展SMART的D波段長程版本SMART-L;先前這個計畫最早出現在1987年荷蘭提出的北約防空作戰系統(NATO Anti-Air Warfare System,NAAWS)提案,與X波段的APAR主動相位陣列雷達構成艦載防空雷達系統。NFR90取消後,荷蘭、西德合作開發新一代防空作戰艦艇(荷蘭LCF與德國F124),就使用SMART-L與APAR的雷達組合,並結合美製標準SM-2與發展型海麻雀(ESSM)防空飛彈系統。在1997至1998年, SMART-L在Signaal的Hengelo地面測試設施進行測試工作 。荷蘭總共建造四艘LCF,而德國建造三艘F124。在2003年,韓國購買一套SMART-L,裝備於獨島號(L6111)船塢運輸艦上。隨後,丹麥也選擇APAR/SMART-L雷達組合,用於三艘SF3500AAW防空艦上。

SMART-L採用L波段(C/D頻)操作 ,能在遠程探測戰機類目標,在中距離探測低雷達截面積目標,具備航空指引能力以及良好的電子反反制(ECCM)能力,此外還結合I波段射頻功能來進行水面搜索。

SMART-L天線含基座的尺寸為4m x 4m x 4.4m,重7800kg,天線本身重6200kg。SMART系列的雷達波發射機無須穿透甲板安裝於艦體內,好處能大幅縮短導波管的長度,安裝與後勤維修都十分便利,但是暴露在甲板上的發射機也比較容易蒙受戰損 。

SMART-L天線由24個水平向線性陣列構成,其中16個是收/發天線(transceivers)、八個是純粹的接收天線(receivers)。SMART-L天線的接收端使用數位波束成形( digital beamforming) 技術,同時產生16道在垂直方向極化的虛擬接收波束(採用1x16的一維排列),每個波束水平寬度為2.2度,堆疊成的波束在垂直軸向涵蓋70度角。SMART-L也整合了一個I波段頻率模組連續波雷達(I-band frequency-modulated continuous wave,FMCW),來自於Scout導航雷達,用於低截獲率的水面探測;此外,SMART-L整合有D波段的敵我識別器 (Identification Friend or Foe ,IFF)。SMART-L水平旋轉速率為每分鐘12轉。

SMART-L採用D-SSTX固態發射機組,由七個併聯的固態發射機構成,每個擁有至多216個併聯的發射器組件(transistors)。整個後端發射機組共有512個發射器組件,構成32個功率放大(Power Amplifier,PA)模組,每個PA模組由16個併聯的發射器組件構成,單一發射器尖峰功率300W,每個PA模組的發射功率約4KW,32個PA模組一起運作的尖峰功率達100KW以上,平均功率約65KW。32個PA模組中,即便有10個失效,雷達探測距離也只會降低10%。發射機由微處理器控制,控制指令以及回覆狀態是經由序列化資料鏈(serial datalink)。SMART-L的發射機組位於雷達底座,透過導波管將射頻能量輸送到天線。

SMART-L的前端處理電子架構是基於美國德州儀器(Texas Instruments)的C-40數位信號處理器,結合特定應用集成電路技術(application-specific integrated circuit technology),有16條平行的處理通道。後端處理架構是Signaal的SigMA/Splice並結合商規的Sun SPARC主機板。SMART-L的後端系統具有濾波、波束壓縮、數位 接收波束成形、都卜勒訊號處理等先進的技術特徵,具備良好的抑制沿岸地形雜訊能力,並透過電子方式修正船身搖晃帶來的誤差。

SMART-L最大有效對空偵測距離約400km,對戰機目標的最大搜索距離約220km,對小型飛彈的偵測距離則有65km,對RHIB快艇之類的小型水面目標探測距離約2000m,對快速攻擊艇(FPB)之類的目標探測距離約7km,能自動追蹤60km內100個水面目標,或者是400km內的1000個 空中目標 與至多40個水面目標。即便在高強度雜訊與電子干擾的環境下,SMART-L仍可有效進行中程對空搜索並追蹤超低雷達截面積的目標,甚至曾在測試中發現一顆50km外、掛著鋁箔條的網球(相當於美製F-117隱形攻擊機的水平) 。經過軟體升級後,SMART-L的最大探測距離可達2000km左右,具備探測、追蹤射程1000公里級短程彈道飛彈的能力。

S1850M(SMARTELLO)長程對空搜索雷達
 

皇家海軍Type 45驅逐艦鑽石號(HMS Diamond D34)的S1850M雷達。攝於2012年4月4日樸次茅茲。

皇家海軍Type 45驅逐艦不屈號(HMS Dauntless D32)上的S1850M三維多波束長程對空監視雷達。

攝於2012年11月16日樸次茅茲。

 

S1850M是以SMART-L為基礎發展的衍生型號,用於英國、法國、義大利在1990年代開始發展的防空驅逐艦上。

在1994年,法國、義大利、英國合作的水平線(Horizon)防空驅逐艦重新選擇雷達系統(原本打算採用法國的Astral雷達),經過公開競標程序後,在1998年正式選擇了由signnal與英國GEC-Marconi(稍後成為Alenia Marconi)合作的SMARTELLO,後來改稱S1850M。在1999年10月,英國退出水平線驅逐艦計畫,轉而發展本國的Type 45飛彈驅逐艦,然而英、法、義三國都仍繼續以S1850M雷達作為驅逐艦的防空雷達。在2001年3月,英國BAE Systems正式宣布選擇S1850M作為Type 45的長程預警雷達,供應商是Thales以及BAE Integrated System Technologies (Insyte)。而法國與義大利繼續進行的水平線飛彈驅逐艦也同樣沿用S1850M。英國Type 45驅逐艦的防空雷達組合包括Sampson S波段主動相位陣列雷達與S1850M雷達,而法國、義大利的水平線飛彈驅逐艦的雷達組合則是C波段的EMPAR相位陣列雷達與S1850M雷達。

SMARTELLO/S1850M由SMART-L的天線硬體架構與GEC-Marconi的後端系統組合而成,結合了SMART-L以及GEC-Marconi的S-753 Martello雷達系統的長處。SMART-L的後端處理能力較原版SMART-L更為強大,抗干擾能力與信號處理能力更上一層樓。與SMART-L相同,S-1850M採用L波段操作,水平旋轉速率同為每分鐘12轉,多波束在垂直向涵蓋範圍是0度到70度,具備優良的電子穩定技術與自動追蹤能力,對大型飛機的最大偵測距離超過400km,對戰機等級目標的偵測距離可達220km,可同時追蹤1000個空中目標與100個海面目標,具備偵測大氣圈外彈道飛彈的潛力,並 能在65km外截獲具有匿蹤設計的目標。

皇家海軍Type 45驅逐艦不屈號(HMS Dauntless D32)上的S1850M三維多波束

長程對空監視雷達。攝於2012年4月4日樸次茅茲。

皇家海軍Type 45驅逐艦龍號(HMS Dragon D35)的S1850M雷達,

攝於2016年9月15日樸次茅茲港。

 

S-1850M的初期生產合約在2001年簽署,共生產四套,其中2套提供給英國,而法國與義大利各分得一套。S1850M雷達的研發測試工作與船艦(英國Type 45和法/義水平線)是分開平行作業。S1850在測試階段就展現了良好的探測能力,包括在倫敦希斯洛(Heathrow Airport)機場、阿姆斯特丹史希浦機場(Schiphol Airport)、巴黎戴高樂機場(Charles de Gaulle Airport)以及法蘭克福機場(Frankfurt Airport)的測試都能捕捉所有的航空活動,同時還保有後備能量。

在2005年3月,由VT Shipbuilding建造、準備用於英國Type 45首艦勇敢號(HMS Daring D32)的第一套S1850M長程雷達桅桿模組(編號unit 35)運往Thales荷蘭分公司的設施,與S1850M雷達結合後進行測試。在2005年4月,用於法/義水平線飛彈驅逐艦的第一套S1850M雷達在法國土倫(Toulon)的水平線岸基整合設施(Horizon Shore Integration Facility,SIF)達到全功能運轉,SIF主要是支援水平線飛彈驅逐艦項目戰鬥系統的整合測試工作。在相近的時間,S1850M雷達也交付英國位於樸次矛茲(Portsmouth)附近的Portsdown山丘的海事整合支援中心(Maritime Integration,MISC),在5月完成安裝,這是英國整合測試Type 45驅逐艦戰鬥系統的地面設施。

在2005年5月,Thales集團與BAE Insyte正式簽署S1850M的後續生產合約,共交付七套,其中五套給英國、法國與義大利各一套,連同先前三套(英、法、義各一套),總計裝備六艘Type 45與法/義共四艘水平線驅逐艦上。

在2009年2月11日,Thales宣布,英國會進一步採購S1850M雷達,裝備於兩艘新造的伊莉莎白級(Queen Elizabeth class)航空母艦。

SMART-L MM主動相位陣列雷達

在2010年代,Thales在SMART-L的基礎上開發全新的主動相位陣列雷達版,早期稱為SMART-L-EW或SMART-L Mk.2

,之後稱為SMART-L MM(Multi Mission)。SMART-L MM使用氮化鎵(GaN)T/R組件構成雷達陣面,因此天線

上呈現方塊狀的單元,而早期型SMART-L雷達陣面的單元則是條狀。此照片是一部荷蘭海軍訂購的量產艦載版

SMART-L MM/N即將出廠的畫面。

SMART-L MM/N量產型安裝在Thales荷蘭分公司Hengelo分部的地面測試場進行測試。

第一與第二部SMART-L MM/N量產型同時在Thales荷蘭分公司Hengelo分部的地面測試場進行測試,攝於2017年3月。

第一部SMART-L MM/N在2019年3月下旬運抵船廠,隨即裝上正在翻修的七省號De Zeven Provicien F-802

飛彈巡防艦(背景)

 

 

之後,Thales繼續開發S-1850M/SMART-L的升級版, 早期稱為SMART-L-EWC早期預警能力(Early Warning Capability)或SMART-L Mk.2(陸基版稱為SMART-L EWC GB),之後稱為SMART-L MM多任務雷達(Multi Mission,MM)艦載版稱為SMART-L MM/N(Multi Mission/Naval),陸基版改稱為SMART-L MM/F,而車載機動版為SMART-L MM/D

相較於原本的SMART-L,SMART-L MM/N外部尺寸相同,但由裡到外的軟硬體都全面翻新。先前SMART-L的接收端是一維數位波束成形雷達,產生16個一維排列的接收波束來函蓋垂軸向;而SMART-L MM/N是一種數位控制的電子掃描雷達(Active Electronically Scanned Array,AESA),接收端是雙軸向多波束(Dual Axis Multibeam receiver),能同時產生多個波束並在水平與垂直方向堆疊成一個更寬廣的大波束。原本第一代SMART-L的一維多波束只能在垂直軸向堆疊,而二維波束在垂直/水平軸向都可堆疊,同時擴大水平與垂直向搜索範圍,在廣區域體積搜索(Volume Search)更為有效,更重要的是提高了探測彈道飛彈的效能。SMART-L MM/N天線陣面採用氮化鎵(GaN)半導體製作的T/R元件構成,天線重9噸,一般防空探測距離提高到480km以上,並能追蹤超過800km以外的外大氣層目標 (雷達探測高度的刻度範圍高達2000km)如彈道飛彈。SMART-L MM/N天線上的組件呈現方塊狀,而第一代SMART-L雷達陣面的單元則是條狀,成為兩者外觀上最容易識別的差異。

SMART-L MM/N擁有多種不同的探測模式(雷達轉速不同)以及凝視模式,結合雙軸多波束處理與以及經過驗證的擴增遠距離(Extended Long Range ,ELR)操作波形,能滿足廣區域對空監視以及搜索、追蹤彈道飛彈(凝視特定方位)等任務,探測彈道飛彈的最大距離提高到2000km。由於後端高度程式化,可透過升級軟體的方式來擴充功能與升級性能,在整個壽期生涯具有良好的擴充彈性,並輕易滿足不同客戶的需求。此外,SMART-L M/N還結合寬頻自動相依性監視 (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast,ADS-B)的敵我識別(IFF)技術。

(上與下)SMART-L-EWC的早期概念原型在Thales荷蘭分公司Hengelo分部試驗場測試的畫面。

(上與下)在Thales荷蘭分公司Hengelo分部進行地面測試的 量產型

SMART-L MM/N,測試完畢後就交付荷蘭海軍,裝在七省級飛彈巡防艦

取代原本的第一代SMART-L。

在2011年9月26日,荷蘭國防部宣布將為荷蘭海軍四艘LCF巡防艦換裝SMART-L-EWC雷達,預算1.16億歐元。荷蘭國防物資局(DMO)在2012年6月與Thales荷蘭分公司簽署合約, 提供四套SMART-L MM/N來換裝四艘>現役的七省級飛彈巡防艦,其中第一套雷達會先在Thales荷蘭分公司的Hengelo分部進行地面測試,完成測試與必要修改後在2018年交付荷蘭DMO(是第二套交付的雷達);第二套雷達則是第一套直接交付荷蘭DMO的雷達(在2017年10月開始工廠驗收,完成測試後交付DMO,並安裝於七省級巡防艦上)。此外,Thales荷蘭分公司也為荷蘭空軍提供2套陸基的SMART-L MM/F。

在研製SMART-L MM/N的同時,荷蘭海軍也進行現有SMART-L的反彈道飛彈能力升級與驗證,七省級飛彈巡防艦的七省號(De Zeven Provicien F-802)在2010年代前半進行升級,在原有的SMART-L雷達後端增加了為SMART-L-EWC開發的ELR操作波形,艦上並加裝由荷蘭DMO / JIVC / SATS合作開發的防衛者(Guardion)戰鬥管理系統(CMS,整合了一般艦隊防空與反彈道飛彈能力)以及Tecnobit LINPRO整合資料鏈處理器(能透過Link 16 JREAP-C資料鏈路即時交換數位資料、視頻信息等),在2015年10月美國海軍在彈道飛彈海上威脅(Maritime Theater Missile Defense,MTMD)論壇的海上展示(At Sea Demonstration,ASD)期間成功探測並追蹤彈道飛彈目標,傳輸給負責發射SM-3防空飛彈的美國海軍神盾驅逐艦作為指引。

在2017年9月,Thales宣稱,SMART-L MM在該集團位於荷蘭Hengelo的地面測試場進行陸地測試,期間輕易探測到距離超過1500公里之外的模擬彈道飛彈目標。在2017年9月25日、由美國海軍第六艦隊主導的多國海上聯合反彈道飛彈演習「可畏之盾2017」(Formidable Shield 2017)演習期間,安裝英國蘇格蘭北部海域的赫伯瑞德測試場(Hebrides Range)的SMART-L MM雷達成功捕捉到模擬的彈道飛彈目標;在此次測試中,SMART-L MM雷達在這枚模擬飛彈標靶一躍出水平線就成功捕捉(距離在1500km以上),並維持穩定的追蹤達300秒以上,其追蹤品質足以發射並引導反彈道飛彈進行攔截。

在2019年3月21日,荷蘭海軍發布消息,正進行壽命中期升級的七省級首艦七省號(De Zeven Provicien F-802)裝上了全新的SMART-L MM/N主動相位陣列雷達;而其餘三艘同型艦也會陸續在壽命中期翻修期間安裝。在2021年5月30日北約盟國的可畏之盾(Formidable Shield 2021)聯合演習期間,七省號透過SMART-L MM/N多任務雷達,成功追蹤了模擬彈道飛彈的標靶,並透過資料鏈提供追蹤資料給負責接戰的美國海軍柏克級飛彈驅逐艦保羅.伊那提斯號(USS Paul Ignatius,DDG-117),指引後者發射一枚標準SM-3防空飛彈,成功攔截了這枚彈道飛彈靶;這是SMART-L MM/N雷達第一次在實彈演習中成功追蹤彈道飛彈目標並協助射控作業。

荷蘭也希望向其他SMART-L或S1850M雷達的用戶推銷SMART-L MM/N,成為反彈道飛彈升級選項,例如德國海軍F124薩克森級巡防艦、法國水平線飛彈驅逐艦等。

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