AN/APG-66脈衝都卜勒雷達

AN/APG-66/66(V) 為機載多功能數位化火控雷達。

其體制有: 脈衝都卜勒(PD:Pulse Doppler)、單脈衝、脈衝壓縮、都卜勒波束銳化。

裝備機種為: F-16、F-16A/B/N、F-4E/J、F-5F、HU-25C、A-4、霍克(Hawk)200。

配用武器為:AIM-7、AIM-9、AIM-120、機炮。

文後附有:WX機載雷達族系。

技術特點

AN/APG-66 是由美國原 西屋電氣(Westinghouse Electric)為美國空軍的 F-16 A/B 型戰鬥機研製的一種多功能全數位化相參 PD(Pulse Doppler:脈衝都卜勒)火控雷達。該雷達設計師充分吸取了 AWG-9 雷達研製過程中的經驗教訓,設計時在“壽命-周期-成本”之間作了最佳折衷,即在不斷提高雷達性能的前提下,儘可能降低成本,全機採用組件化設計,體積小、重量輕、可靠性高、維護方便。這是按“性能價格比”進行設計較為成功的一部機載火控雷達。該雷達在剛問世時具有二十世紀八十年代的先進水平,由於不斷改進,用該雷達系列裝備的 F-16 飛機目前仍是美國空軍的主力戰鬥機。

APG-66 共有 23種軟體變換,其中 12種用於改進計算機信息處理與邏輯, 6種用於濾波, 5種用於自動增益控制。用改變軟體的辦法可以獲得最佳伺服增益調整、濾波與信號處理時間。

機內測試有 88個測試程式,能測試或監控約 300個系統參數。即使有一個參數低於規定值,雷達仍能工作,同時飛行員得到系統故障的警告信號。

該雷達採用現代數位化技術後(與未採用數位化技術相比),降低造價約 2/3,可靠性約提高 9倍

性能數據

工作方式APG-66(V):空對空:上視搜尋跟蹤,下視搜尋跟蹤,空中格鬥中的自動目標截獲,上視與下視的自動選擇
空對地:實波束地圖測繪,放大波束地圖測繪(4:1),都卜勒波束銳化,信標,空對地測距,畫面“凍結”
空對海:海面搜尋(海情1,海情2),對海面動目標檢測
APG-66(V)2 邊掃描邊跟蹤(跟蹤目標10個,搜尋範圍正負60度/正負25度),多目標跟蹤時的戰情提示,高精度跟蹤,對慢速地面小目標的移動目標指示( GMTI(Ground Moving Target Indication)地面移動目標指示 ),都卜勒波束銳化(作用距離80海里),對地面、海面和沙漠上的固定目標或移動目標跟蹤,對地圖測繪中的空對地飛彈(ASM(Air-to-Surfact Missile)提供戰情提示
工作頻率APG-66(V)16.2GHz-10.9GHz
APG-66(V)29.7GHz-9.9GHz
SASS(Surveillance Analysis Support System:監視分析支持系統):APG-66(V)APG-66(V)SASS 59公里(GMTI(Ground Moving Target Indication:地面移動目標指示),對10平方米目標,最小速度為每小時一千公里時);74公里(對海面監視,對10平方米目標,在海情2情況下最小速度為0時);74公里(對海面監視,在海情2情況下,對50平方米目標,最小速度為每小時19公里時);83公里(對2平方米目標的空中監視,最小速度為每小時102公里時);148公里(對10平方米空中目標監視,最小速度為每小時102公里時)9.7GHz-9.9GHz
作用距離APG-66上視37公里-46公里
下視28公里-37公里
APG-66(V)1上視46公里-74公里
下視37公里-56公里
APG-66(V)2上視54公里-89公里
下視44公里-67公里
掃描範圍:方位:正負10度、正負30度、正負60度
仰角:1行、2行或4行
重複頻率:中/低PRF(Pulse Repetition Frequency:脈衝重複頻率)
脈衝寬度APG-660.286微秒-8微秒
APG-66(V)20.81微秒-4微秒
天線形式:平板縫陣
天線尺寸:APG-6674厘米 X 48厘米
APG-66(V)175.3厘米 X 48.8厘米
APG-66SASS1米 X 3米
APG-66SR1.295米 X 0.806米
驅動方式平衡力矩電機;天線轉速 每分鐘0.5轉到3轉
波束寬度APG-66SR1.8度
天線增益32dB
發射管柵控行波管
峰值功率20kW
平均功率250W(其中 APG-66(V)SASS 為200W)
接收通道:單通道、低噪聲前端
處理機APG-66(V)2 邊掃邊跟10個目標, 波束銳化 64:1
LRU(Line Replaceable Unit)線上可更換單元6個(其中 APG-66H 和 APG-66(V)2為4個:天線、發射機、低功率射頻單元、信號數據處理機)
電子元件APG-669500個
MTBF(Mean Time Between Failures)平均無故障時間:APG-6697小時
APG-66(V)1140小時(經驗證)
APG-66(V)2大於210小時
APG-66(V)SASS750小時
MTTR(Mean Time To Restoration)平均恢復前時間:5分鐘
ECCM(Electronic Counter-Countermeasures)電子對抗:頻率捷變、快速相移
BIT(Built-In Test)機內測試:故障隔離度為95%
體積:APG-660.097立方米
APG-66(V)10.102立方米
APG-66(V)20.097立方米
APG-66H0.082立方米
APG-66T0.08立方米
重量:APG-66134.4公斤(含電纜和支架)
APG-66(V)1134.3公斤
APG-66(V)2115.9公斤
APG-66H107.7公斤
APG-66T98.4公斤
輸入功率AC三相400Hz115V 3.209VA
DC 28V 115W
冷卻方式強制風冷,風量 每分鐘5.13公斤,27攝氏度

分系統

APG-66 雷達系列多數由 6LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)組成,這 6LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)又由 87SRU(Shop Replaceable Unit:車間可更換單元)組成,其中 APG-66HAPG-66(V)24個。多路匯流排採用美國軍標 MIL-STD-1553B

1.天線

雙軸機械穩定平板縫陣。用數字雜波抑制電路代替了模擬式接收機保護通道;用計算機軟體和卡爾曼亻占值技術代替了使用速率陀螺的傳統雷達跟蹤迴路。天線由平衡電機驅動,採用了與陣列象限關聯的4個非互易移相器。

2.發射機

包括空氣冷卻的柵控行波管放大器、固態柵極脈衝激勵器、高壓電源、調製器、以及保護和控制電路、低壓電路與高壓電路間信號傳輸採用光纖電纜。有4個發射頻率供飛行員編隊飛行時選用。對海搜尋時可頻率捷變,採用 MPRF(Medium Pulse Repetition Frequency:中脈衝重複頻率)及 LPRF(Low Pulse Repetition Frequency:低脈衝重複頻率)波形。

按照美國空軍的要求,在有地勤人員接近時,不允許接通雷達發射機,因為 APG-66 雷達與載的一個開關連鎖。因此只有在飛機升空後發射機才能接通通電。

根據空軍“改善可靠性保證書”的要求,飛機生產的頭4年雷達要返回 西屋電氣(WestingHouse Electric)進行大修。在外場發射機 MTBF(Mean Time Between Failures:平均無故障時間)達到500小時以後,才認為符合標準不再進行可靠性跟蹤。

3.低功率射頻單元

包括接收機保護器件、低噪聲放大器、接收機、模擬/數字變換器、穩定本機振盪和系統定時產生器。這是雷達的模擬電路部分,完成發射信號的產生和接收信號的處理調整。接收機第一混頻器和第一級中放用微帶積體電路。

小角度攻擊時,用假單脈衝(順序波瓣轉換)技術,解決了單脈衝各通道的不一致性問題。

數據採樣部件是在一塊外掛程式板上的多模可程式序部件。包括匹配濾波器、採樣與保持、逐次逼近 A/D(Analog-to-Digital:模擬/數字)變換、定時和控制,以及自動零位校準,可適應各種脈衝寬度和採樣速率。其參數如表1、表2和表3所列:

表1 可程式序表

功能模式數大概範圍
匹配濾波器積累時間6250納秒至10微秒
採樣與保持的採樣時間350納秒至100納秒
A/D(Analog-to-Digital:模擬/數字)變換器動態範圍36位至11位二進制
A/D(Analog-to-Digital:模擬/數字)變換器變換速率6100kHz至4MHz
自動偏差校正最大範圍220毫伏至50毫伏

表2 電氣參數

動態範圍6位,9位,11位
最大採樣速率4.7MHz
偏差校正正負50毫伏
脈衝恢復40dB 1微秒,70dB 2微秒
諧波失真第2次和第3次諧波下降60dB;其餘所有諧波(11位模式,100kHz輸入)至少下降65dB
交叉調製失真第3次交叉調製結果下降60dB;其餘所有的(11位模式,100kHz輸入)至少下降65dB
噪聲(除去量化)0.38個量化單位均方根值

表3 物理參數

尺寸15厘米X30厘米
重量820克
功耗25瓦
結構8層(環氧)玻璃鋼印刷電路板
冷卻1.5毫米厚銅散熱片裝飾熱傳導到兩側的冷卻板上
安裝兩側用楔形閉鎖裝置固定,第三邊用90根插針固定

4.數位訊號機

處理機是模組化的,在計算機軟體控制下具有算法選擇能力和廣泛的參數可程式性。空對空狀態的信號處理包括下視狀態的雜波對消,Dolph-Chebychev(多爾夫-切比雪夫)加權的64點 FFT(Fast Fourier Transform:快速傅立葉變換)都卜勒濾波,檢測、恆虛警自適應門限和距離相關。空對面(也就是空對地和空對艦)非相參工作狀態的信號處理包括視頻檢測、檢波後積累、對數壓縮以及數據的數字式掃描變換等。最後為符號與真空視頻信號的顯示提供 RS-170 全視頻信息。

運算處理為流水線結構,調整暫存 RAM(Random Access Memory:隨機存取存貯器)為26KB,64點 FFT(Fast Fourier Transform:快速傅立葉變換)在 224微秒內即可完成。約為256KB(262144B)的大容量存儲器在空對空狀態用做角迴轉存儲器,在空對面(也就是空對地和空對艦)狀態用做掃描變換器的顯示恢復存儲器。處理機採用雙列直插式標準積體電路。

5.雷達計算機

這是一台通用計算機,用16B定點序列去處的 CPU(Central Processing Unit:中央處理器),48KB的 EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory:紫外線可擦可程式唯讀存儲器),有8個通用暫存器和8箇中斷處理暫存器。為了提高抗干擾能力,改善顯示,增加工作方式,自動截獲目標,採用了較多的微程式編排,即“硬布線軟體”,使處理速度增加了 30%。計算機去處速度為 每秒80萬次每秒90萬次BIT(Built-In Test:機內測試)系統軟體改進後只向駕駛員提供影響雷達當前工作的故障信息,其他不影響雷達當前工作的故障信息存入 F-16 中央火控計算機的“任務差錯單”內,飛行後供維護人員使用,降低了故障指示虛警率。故障指示警告由 64%降至 19%LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)不合格率降到 20%

6.控制盒

為減少飛行員的工作負擔,大部分功能都由其它航空電子系統自動確定。但飛行員也可用座艙內的雷達控制盒手動選擇雷達工作方式,並干預雷達的自動控制狀態。

控制盒有如下開關旋鈕:

方位掃描:正負10度、正負30度、正負60度

目標積累:有4個位置,位置1到4分別表示1、2、3、4次掃描信息的積累

凍結:在地圖測繪或對海搜尋時,按壓開關,發射機關閉,最後的地圖畫面留在顯示器上。再次按壓就解凍。在空中格鬥搜尋狀態或用 PRF(Pulse Repetition Frequency:脈衝重複頻率)的普通空中搜尋狀態,按壓這一開關可以選擇或不選擇高度線跟蹤器/消隱裝置。

通道選擇:有4個頻率通道供選擇。

高度調節:連續調整螢光屏上的標誌亮度。

俯仰掃描行數:可選擇1行、2行或4行的俯仰掃描。

距離量程:有 10海里、 20海里、 40海里或 80海里 4個量程;如果顯示畫面按 1:4擴大時,以上 4個量程變為 2.5海里、 5海里、 10海里、或 20海里。

PRF (Pulse Repetition Frequency:脈衝重複頻率)選擇:可手動選擇,也可由雷達根據外界環境自動選擇。

狀態開關有 8種狀態供選擇:準備、自動、空對空、地圖測繪、信標、海情1、海情2、雷達工作方式。

此外,在油門把手上還有天線俯仰旋鈕、雷達標線旋鈕和格鬥開關。格鬥開關有 3個位置,位置 I選擇火炮和飛彈,位置 II正常雷達工作,位置 III只用於飛彈。

操縱桿控制器上有三位的目標識別開關。空對空搜尋時可以識別目標或返回搜尋狀態。格鬥時,改變天線搜尋圖形,使平顯的視野由 20度X20度變為 10度X40度。在空對地方式,按壓一次開關,雷達由真實波束地圖測繪轉變為擴展波束地圖測繪;再按一次則轉到都卜勒波束銳化地圖測繪方式;最後按壓一次則雷達恢復到原來的真實波束工作方式。

APG-66 雷達的各分機機械參數如表4所列:

表4 分機機械參數

重量(公斤)尺寸(厘米X厘米X厘米)體積(立方米)功耗冷卻
VAW公斤/分鐘
115伏3相400Hz28伏75X9.8帕,27攝氏度
天線28.848X直徑71.62NA25000.318
發射機31.329.9X46.9X26.60.0341430301.497
低功率射頻單元25.428.7X17.78X56.880.0266051101.043
數字式信號處理機29.528.7X17.93X59.420.027107001.814
計算機15.428.7X10.16X62.230.01635550.454
雷達控制臺2.0314.6X8.55X16.510.002615——
支架、電纜、波導8.165NA0.0100——
合計140.6NA0.11537161605.126

試驗情況

APG-66 雷達是由美國原 西屋電氣(WestingHouse Electric)防禦系統分部與北約4國-丹麥、荷蘭、比利時和挪威聯合生產的用於裝備 F-16 戰鬥機的一種多功能火控雷達。該機主要用於晴天近距空中格鬥。 APG-66 系雷達已用於裝備16種不同機載平台,遍布 20個國家,截止到 2001年已生產並銷售 2400餘部,其中美國空軍裝備了 1388部,銷售到其它國家有:阿根廷、比利時、丹麥、埃及、印度尼西亞、日本、荷蘭、挪威、新加坡、泰國、委內瑞拉、紐西蘭、葡萄牙、馬來西亞、阿曼、土耳其、英國、西班牙及我國台灣省。

這裡要特別提及的是我國台灣省與美國簽訂了購買 157架 F-16 戰機的契約,裝備的雷達型號是 APG-66(V)3, 採用 CW(Continuous Wave:連續)照射器對 AIM-7 空對空飛彈進行制導, 1995年11月開始交付使用。

西屋電氣(WestingHouse Electric)根據軍方要求制定了一個雷達可靠性試驗計畫(見表5)並作了可靠性鑑定試驗(見表6)。

表5 雷達可行性試驗計畫

試驗項目說明GD(General Dynamics:通用動力)WH(WestingHouse Electric:西屋電氣)全尺寸研製型生產型抽樣
SRU(Shop Replaceable Unit:車間可更換單元)老煉溫度、衝擊——全部
LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)老煉溫度、隨機振動-——全部
可靠性鑑定試驗MIL-STD-781B試驗方案III,修正試驗F級-——
3.5
熱檢驗試驗兩次溫度改變方向——-1
可靠性驗收試驗MIL-STD-781B,試驗方案IVa,修正試驗F級-——- ——8
發射機波導可行性鑑定試驗(製造廠)MIL-STD-781B,修正試驗F級,3000小時允許1次故障————3
可靠性增長試驗溫度循環,隨機振動,潮濕2000小時——2

表6 APG-66的可靠性(MTBF(Mean Time Between Failures)平均無故障時間)

LRU(Line Replaceable Unit)線上可更換單元
固有可靠性預測/小時
使用可靠性
修正後
全尺寸研製型
生產型
RQT(可靠性鑑定試驗)測定值/小時
現場測定值/小時
現場測定值/小時
天線
17641764370138182
低功率射頻單元
651651148150225
發射機
13661366185220303
數位訊號處理機
491576不確定399599
雷達計算機
12592008738300499
雷達控制盒
1204812048——————
雷達整機
168187573552

附屬檔案

1972西屋(WestingHouse)公司以“ 設計-成本”概念為指導思想開始研製組件化雷達族系,命名為 WX(見表7)。設計目標是低成本、簡單可靠與易於維護。主要途徑是:1.儘量減少部件,減少複雜性;2.儘可能採用數位技術;3.各種功能的實現儘可能依賴於軟體而不是硬體。 WX 雷達族系證明,採用數位技術在給出同樣的或更好的雷達性能時,批量生產成本大約減少 2/3;可靠性大約為原來的 10倍(“ WX -”後面的數字表示 1000部平均的指生產價格)。 WX雷達族中, WX-200是具有中等能力的雷達,作為該雷達族系的基本型。 WX-200 是一部準備裝在全天候戰鬥機和攻擊機上執行空對空和空對地作戰任務並具有高峰值功率的脈衝都卜勒雷達。

WX雷達族還推廣了多路匯流排,以數字形式連線模組化的各個 LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)。由於不用調整,所有 LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)均易於更換。該族系除表中所列之外還有 WX-150WX-175。發射平均功率為 100W至 1kW,空對空探測距離為 25公里至 160公里,天線直徑為 0.36米至 0.92米不等。設計規定 WX雷達標準 MTBF(Mean Time Between Failures:平均無故障時間)為 150小時, MTTR(Mean Time To Restoration:平均恢復前時間)為 1.2小時。

WX-200 未投產和服役, WX-50 由美國海軍在 AT-4 JDV-10和一架直升機 UH-1N上作過空中試驗。

表7 WX雷達族系


名稱
組成
性能
功能
WX-200
天線與伺服、微波接收機、發射機、穩定本振、計算機、信息處理機、電源、7個LRU(Line Replaceable Unit:線上可更換單元)中PRF(Pulse Repetition Frequency:脈衝重複頻率)脈衝都卜勒、單脈衝、跳頻空對空搜尋、跟蹤、空對地測距、地圖測繪
WX-300
WX-200+附加數據處理機重量190公斤,500部平均價格30萬美元下視,探測地面動目標,合成孔徑高分辨力地圖測繪,全天候攻擊/偵察
WX-400
WX-200 的平均輸出功率增加到5kW重量240公斤邊掃邊跟多目標,良好的前線遠距截擊能力,無空對地能力
WX-160
WX-200的變型,發射機功率較低,天線尺寸較小下視 32公里(2平方米目標,Pd=85%),脈間跳頻,平均功率200W,重量102公斤,體積0.12立方米WX-200 類似,發展為 APG-66
WX-100
非相參脈衝型,重59公斤,數位化AN/APG-120
WX-60
輕型,低成本,非相參,有動目標指示器,重60公斤制空,攻擊,武器投放
WX-50
2部天線,2個處理機,主天線直徑0.38米,地圖測繪,照射用;另一個單脈衝天線測量相位,提供正負10度俯仰角上的地形輪廓,而不需垂直掃描Ka波段(35GHz)非相參,重64公斤近空支援,空對地,地圖測繪,空對地測距,地形迴避,探測地面動目標,地形跟隨,光電顯示

性能數據

體制
脈衝都卜勒、單脈衝、脈衝壓縮
工作頻率
X波段,頻寬300MHz
作用距離
上視:90公里; 下視:70公里
掃描範圍
正負90度
重複頻率
9030Hz
脈衝寬度
0.85微秒
天線
變態卡塞格倫型(鍋蓋),電機驅動,口徑0.71米
發射機
行波管,峰值功率100kW,平均功率700W
接收機
噪聲係數4dB,二次變頻,第一中頻1000MHz;參放噪聲係數 3.5dB;參放增益 17dB(300MHz頻寬)
抗干擾
跳頻
元件總數
4105個
體積
0.17立方米
重量
159公斤

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