機載預警雷達技術發(fā)展探析

楊 號，朱紹強

（海軍裝備部西安局，西安710089）

機載預警雷達技術發(fā)展探析

楊 號，朱紹強

（海軍裝備部西安局，西安710089）

分析了世界各國預警雷達發(fā)展概況，分別對一至四代預警雷達的功能等進行了研究；論述了新一代預警雷達的工作原理、雷達組成、功能、工作過程和技術特點；指出了機載預警雷達未來發(fā)展的關鍵技術，包括有源相控陣雷達技術、數(shù)字陣列雷達技術、共形相控陣技術，雙/多頻段雷達技術及先進的信號處理技術等。

機載預警雷達；預警機；有源相控陣

預警飛機是一種裝備遠距離搜索雷達、數(shù)據(jù)處理、敵我識別及通信導航、指揮控制、電子對抗等完善的電子設備，集預警、指揮、控制、通信和情報功能于一體，用于搜索、監(jiān)視與跟蹤空中和海上目標，并指揮、引導己方飛機執(zhí)行作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)支援飛機。機載預警雷達是預警機最主要的傳感器，預警機的絕大部分功能都依靠預警雷達提供的信息來完成。機載預警雷達主要用來探測敵方戰(zhàn)機、海面艦船、彈道導彈及地面部隊等目標。機載預警雷達采用兆瓦級以上的超高發(fā)射功率，工作頻率集中在超高頻（UHF）波段、S波段和L波段，作用距離達到數(shù)百公里，能夠在搜索的同時跟蹤數(shù)百個目標。

近年來，隨著新的電子技術的應用，機載預警雷達的功能更為強大。機載預警雷達的空域覆蓋范圍更大，下視能力更好，電子戰(zhàn)能力更高，生存能力更強。面對反輻射導彈（ARM）、隱身飛機、巡航導彈等高科技武器的出現(xiàn)，世界各國爭相發(fā)展預警機搭載新一代預警雷達[1]。因此，研究預警雷達的新技術發(fā)展方向和應用的新技術，對于發(fā)展預警飛機項目和完善預警雷達系統(tǒng)地面測試有著重要的指導意義。

1 預警雷達的發(fā)展概述

1.1 早期及第一代預警雷達

美軍的早期預警機裝備是通用電氣公司（GE）研制的AN/APS-20雷達。雷達工作在S波段，峰值功率1MW，天線采用拋物面形式，口徑達到2.4 m，波束掃描方式為機械掃描。第一代預警雷達以AN/APS-70/ 70A、AN/APS-82為代表，雷達具備了的動目標顯示電路，具有初步的雜波濾除功能，并且采用單脈沖技術對小型飛機的探測距離達到150km，可以測出目標的飛行高度。

1.2 第二代預警雷達

第二代預警雷達以裝備于E-2系列預警機的預警雷達為代表，如AN/APS-120、AN/APS-138、AN/APS-139和AN/APS-145預警雷達等。AN/APS-120雷達硬件上運用了大規(guī)模集成電路，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力；運用了動目標檢測（MTD）技術，對每一距離單元上的信號進行多普勒頻率濾波，以區(qū)別雜波和飛行目標，提高了雜波系數(shù)20dB；運用副瓣對消技術改善了天線性能。AN/APS-120雷達具備自動檢測海面和陸地低空目標的能力。AN/APS-138、AN/APS-139雷達主要改善副瓣電平，采用新型濾波器，改善邊瓣對消技術，增加自動監(jiān)控/選擇器以改善檢測性能，提高了跟蹤能力，采用全口徑相位和幅度控制（TRACE-A）陣列，使得工作方式多樣化并提升了天線性能。AN/ APS-145雷達主要改進自動檢測/跟蹤能力、擴大了檢測范圍、提高反雜波性能。

1.3 第三代預警雷達

第三代預警雷達以裝備于E-3系列預警機AN/ APY-1和AN/APY-2兩種型號的預警雷達為代表。AN/APY-1和AN/APY-2預警雷達均采用S波段PD體制，雷達數(shù)據(jù)處理能力顯著增強，工作方式多樣化。如AN/APY-1雷達可以有多種工作方式，方位掃描時可以把監(jiān)視空間分成24個扇區(qū)，各扇區(qū)可以根據(jù)情況自選工作方式，并可以隨時更換。方位覆蓋360°，小型低空目標探測距離300km，大型高空目標探測距離600km，可在復雜背景中同時跟蹤600個目標，引導己方上百架飛機實施攔截，并具有良好的對抗各種人為干擾的能力[2]。

1.4 第四代預警雷達

第四代預警雷達以格魯曼公司的多功能電掃描陣列（MESA）雷達、Phalcon“費爾康”預警機雷達等為代表。該階段發(fā)展的預警雷達以多功能電掃描陣列、共形相控陣等技術為顯著特征。多功能電掃描陣列（MESA）雷達工作在L波段，方位和俯仰二維相掃，可在350km半徑范圍內(nèi)同時跟蹤飛機和艦艇，而且波束掃描靈活、探測距離遠，如載機9km高度飛行時探測距離達850km。Phalcon“費爾康”預警機雷達最大的特點是采用L波段共形相控陣天線，改善雷達安裝平臺的空氣動力性能，增大天線有效口徑并提高天線增益。Phalcon“費爾康”預警機雷達可提供360°全向覆蓋，全方位搜索和監(jiān)視陸地、水面和空中目標。在巡航高度執(zhí)勤的典型作用距離：大型高空目標670km，中型目標445km，低空小型目標370km。

2 新一代機載預警雷達特點及其工作原理

近50年來，機載雷達不斷注入新的技術成果，性能大幅度提高。新技術是提高雷達探測能力的原動力。在單脈沖跟蹤體制未獲使用前，圓錐掃描體制的雷達難以對付敵方釋放的角度欺騙干擾；沒有相參體制脈沖多普勒雷達，就無法對付借著強大地雜波掩護的低空入侵的飛機和導彈；沒有頻率捷變體制的雷達，就很難同現(xiàn)代戰(zhàn)爭中廣泛采用的各種雜波干擾相抗衡[3]。相控陣技術是近年來正在發(fā)展的新技術，它比單脈沖、脈沖多普勒等任何一種技術對雷達發(fā)展所帶來的影響都要深刻和廣泛。相控陣體制是提高雷達在惡劣電磁環(huán)境中對付低空、機動、隱身目標作戰(zhàn)能力以及徹底改進系統(tǒng)可靠性的關鍵技術。新一代機載預警雷達無一例外地采用了相控陣體制。

2.1 新一代機載預警雷達特點

由于采用了固態(tài)有源相控陣，機載預警雷達具有以下特點：

1）高可靠性。有源相控陣天線的T/R單元成千上萬，少量單元失效，不會影響整個系統(tǒng)的工作；分布式發(fā)射機代替集中發(fā)射機，降低了系統(tǒng)對單點故障的敏感度，同時可避開集中發(fā)射機內(nèi)的高壓高功率問題；以電掃取代了機械掃描，因而預警雷達的可靠性能成數(shù)量級提高。

2）掃描速度快。機械掃描速度一般為6 r/min，即每秒轉36°，而電掃描波束的轉動幾乎無慣性，波速方向轉換約需十幾微秒，是常規(guī)雷達反應時間（大約幾秒）的幾十萬分之一。這樣快的掃描速度為對付多目標、高機動目標、隱身目標和各種干擾提供了廣闊的前景。

3）多功能。相控陣雷達在同一時間內(nèi)能完成多種功能或同一部雷達能分時實現(xiàn)多部雷達的功能。

4）探測距離遠。由于T/R單元緊靠天線，有源相控陣收、發(fā)支路的損耗要比機械掃描雷達的小4～6 dB；相掃天線能充分利用機上空間使天線增益相對變大；另外，隨著固態(tài)功率器件的發(fā)展，分布式發(fā)射機提供了加大總發(fā)射功率的潛力。這一切使得有源相控陣雷達的探測距離提高了40%以上[4]。

5）被截獲概率低。固態(tài)發(fā)射機可以實現(xiàn)瞬時開關，易于實現(xiàn)功率管理；通過陣列天線技術，使天線副瓣的零陷對準偵察機方向，增加了雷達的隱蔽性，降低了截獲概率。

2.2 新一代機載預警雷達組成、功能及工作過程

2.2.1 新一代機載預警雷達組成和功能

新一代機載預警雷達系統(tǒng)的組成可分為3個主要部分，包括有源電掃描陣列（ASEA）、接收機-激勵器（RX-EX）組合部分、處理器組合部分。其組成功能框圖如圖1所示。

圖1 有源相控陣雷達的組成及功能框圖Fig.1 Composition and function block diagram of the active phased array radar

有源電掃描陣列（ASEA）用于調(diào)整信號，控制波束的指向和形狀、輻射和接收能量。有源電掃描陣列包括T/R組件陣列及其支撐結構、將直流電源和射頻信號與所有組件聯(lián)接起來的連接器、熱控制設備、陣列的低噪聲電源和數(shù)字式波束控制器。有源電掃描陣列的接收前端和發(fā)射功能是由成百上千的固態(tài)T/R組件來完成的，這是有源相控陣雷達最顯著的特點。這些固態(tài)T/R組件和天線輻射單元之間沒有饋線連接，是直接安裝在天線輻射單元的后面。在發(fā)射信號時，由激勵源送來的信號輸入至固態(tài)T/R組件的發(fā)射通道，經(jīng)收/發(fā)開關、數(shù)字移相器、驅動放大器、功率放大器使輸入激勵信號放大后，再經(jīng)輸出收/發(fā)開關饋送給相控陣平板天線輻射單元。在接收周期內(nèi)，由相控陣平板天線收到的微弱信號，經(jīng)輸出收/發(fā)開關、開關限幅器、低噪聲放大器，再經(jīng)數(shù)字移相器、輸入收/發(fā)開關最后送至接收機。

接收機-激勵器（RX-EX）組合部分用于控制雷達工作方式和定時，選定激勵波形以及將接收信號變?yōu)閿?shù)字信號進行處理。這部分還包括1個控制器，對雷達系統(tǒng)的工作實施全面的控制并監(jiān)視雷達系統(tǒng)的全部性能。

處理器組合部分用于從數(shù)字信息源中取出目標信息，并將其變換成顯示系統(tǒng)所要求的綜合數(shù)據(jù)形式。

2.2.2 新一代機載預警雷達典型工作過程

控制指令由處理器組合單元產(chǎn)生，經(jīng)總線接口輸入到接收機-激勵器（RX-EX）組合部分。接收機-激勵器（RX-EX）組合部分根據(jù)外部指令和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后有關目標的位置坐標等，產(chǎn)生雷達波束駐留指令，包括波束的角位置、發(fā)射時間、頻率、波形、脈沖周期、檢測門限等參數(shù)及波束駐留標志等信息，并將這些指令經(jīng)雷達內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口送往波束控制計算機。波束控制計算機根據(jù)波束駐留指令計算出每個移相器的相位，使天線陣列中的各個單元具有適當?shù)南辔灰疲员阈纬芍付ǚ较虻牟ㄊ?/p>

同時，在激勵器中產(chǎn)生適宜的工作波形和載波頻率信號，然后經(jīng)變頻或倍頻處理，升高到發(fā)射的載頻，在發(fā)射機中放大到一定的功率，送至陣列天線。在陣列天線中經(jīng)移相器移相，使發(fā)射的波束處于波束駐留指令要求的方向上。

在接收機輸出端得到的回波信號，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到信號處理器中。信號處理器對于收到的這些波束駐留回波數(shù)據(jù)依相應的波束駐留目的來進行處理。如對搜索數(shù)據(jù)的處理不同于對跟蹤數(shù)據(jù)的處理。因為在搜索工作方式下系統(tǒng)只是試圖確定目標是否存在，而跟蹤方式則要求精密估計目標的參數(shù)。在搜索時，一旦信號超過設定的門限電平，就宣布發(fā)現(xiàn)目標，并開始截獲跟蹤工作方式。在跟蹤時，通常目標的位置和速度是要估計的最少參數(shù)。為了實時得到目標當前位置、速度及預測位置的最佳估計值，通常采用一組遞推算法，可以是Kalman濾波方程，也可以是α-β濾波方程，并用計算機程序實現(xiàn)，從而形成采樣數(shù)據(jù)的電子伺服回路來完成跟蹤功能。信號處理器在對信號進行恒虛警處理（CFAR）、自動調(diào)整門限電平、動目標檢測等各種抑制雜波、增強有用信號的處理后已變?yōu)閿?shù)字量，這些目標數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線進入控制/顯示單元[5]。

控制/顯示單元提取總線上目標數(shù)據(jù)，根據(jù)控制/顯示系統(tǒng)的要求，經(jīng)過總線接口送往任務電子系統(tǒng)并記錄，以便作進一步的分析；同時送往顯示器，以便把有關數(shù)據(jù)顯示到綜合平面顯示器上。

3 機載預警雷達發(fā)展的關鍵技術

3.1 有源相控陣雷達技術

目前，國外已列裝和在研的裝有相控陣雷達的預警機主要包括瑞典的“薩伯”S-100B、以色列的“費爾康”和“灣流”以及美國的“契尾”737-700（雷達為多功能相控陣雷達MESA）等。有源相控陣具有探測能力強、可靠性高、體積小、重量輕、波束控制靈活、抗干擾能力強，自適應能力強，便于實現(xiàn)功率管理和工作方式靈活可控等優(yōu)點，是雷達技術的發(fā)展方向。采用相控陣天線還易于實現(xiàn)天線陣面共形。從而進一步降低天線對飛機空氣動力學性能的影響，增大天線孔徑和提高雷達探測距離。

機載有源相控陣預警雷達的關鍵技術主要包括高可靠性T/R組件及其測試技術、高精度的加工和制造工藝、多通道幅相特性實時監(jiān)測和校準、低副瓣天線技術等[6]。

3.2 數(shù)字陣列雷達技術

有源數(shù)字陣列雷達（Digital Array Radar，DAR）的核心部件是數(shù)字T/R組件，它利用數(shù)字式直接合成頻率源（DDS）的相位可控性來實現(xiàn)對相控陣發(fā)射波束和接收波束的控制。發(fā)射和接收波束全部采用數(shù)字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）。目前是從中頻信號開始的全數(shù)字化。陣列通道數(shù)字化具有多功能、可重構、智能化、集成度高的特點。同時又便于結合空時自適應信號處理（STAP），多發(fā)多收（MIMO）等先進技術，在軍事領域有著廣闊的應用前景，通道數(shù)字化技術在應用中還需要考慮技術成熟程度、造價和實用性。最終在通道級還是在子陣級應用數(shù)字技術，還要以實際需求為最終依據(jù)。

3.3 共形相控陣技術

1）改善雷達安裝平臺的空氣動力性能。預警雷達采用共形相控陣天線。不但可以取出安裝在機身背部的天線旋罩，改善飛機空氣動力學性能，而且可以克服天線旋轉對雷達數(shù)據(jù)率的限制。

2）增大天線有效口徑并提高天線增益。為避免雷達天線對載機空氣動力性能的影響，雷達天線安裝空間受到明顯限制，比較好的解決辦法是把天線和機身融合在一起，把天線嵌入飛機蒙皮內(nèi)，即所謂的“智能蒙皮”，可減少體積和減輕重量。而且若采用共形天線，則可以安裝在機身、機翼和機頭等部分，增加了有效利用的口徑面積。如以色列“灣流”共形相控陣天線分布在機身的兩側、機頭和機尾。T/R組件的結構形狀可分為“磚頭狀”（長條形）和“瓦片狀”（薄片形），當前有源相控陣天線所用T/R組件為長條形，而發(fā)展共形天線薄片形的T/R組件是關鍵[7]。

3）克服平面相控陣的缺點。利用共形相控陣，有可能克服平面相控陣的一些缺點，提高雷達的性能，包括獲得比平面相控陣天線波束更寬的掃描范圍；改善平面相控陣天線的天線增益和波束寬度隨掃描角遠離法線而降低的缺點，改善雷達分辨力和測角精度；獲得比平面相控陣更好的寬帶性能；降低天線通道之間的互耦影響提高幅相穩(wěn)定；便于偽裝和天線分散布置[8]。

3.4 雙/多頻段雷達技術

機載預警雷達常用頻段為UHF、L和S頻段，為了獲得最佳的綜合性能，可采用多頻段系統(tǒng)集成。UHF頻段對低RCS目標方面獲得優(yōu)于L頻段的探測能力，而且器件技術易滿足大功率要求；采用L或S頻段則不僅易獲得較大的空間自由度，以更有效地利用各種信號處理算法，提高反干擾和抗雜波抑制的能力，而且可以得到更高的目標跟蹤和定位精度[9]。

3.5 先進的信號處理技術

為了提高雷達的監(jiān)測性能、信息獲取性能和生存能力，機載雷達會采用一系列新的信號處理方法。例如，為提高雷達的雜波抑制性能，可采用空時自適應處理（STAP）方法；為提高地面慢速目標的監(jiān)測能力和獲得綜合信息的能力，將原用于戰(zhàn)場目標監(jiān)視和管理的合成孔徑雷達（SAR）和地面動目標顯示（GMTI）功能集成到機載預警雷達中；為提高檢測特殊目標（如反輻射導彈ARM、隱身飛機、巡航導彈和武裝直升機）的能力，需要探索有針對性的方法[10]。

4 結束語

目前我國也積極發(fā)展預警雷達技術，如有源相控陣技術、數(shù)字陣列雷達技術等。未來的機載預警雷達會以先進相控陣體制為主，并有機集成一系列先進技術，在增強防空預警基本功能的同時，進一步發(fā)展監(jiān)視、偵查和指揮控制等功能，從而實現(xiàn)更為強大和全面功能。隨著未來預警雷達一系列新技術的應用，對用于保障預警雷達正常使用的地面測試系統(tǒng)構建提出了更高的要求。如何滿足新一代預警雷達的測試需求，實現(xiàn)預警雷達的地面檢測，提升預警雷達系統(tǒng)的地面保障能力，這是我們面臨和亟待解決的問題。

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Development Analysis of Airborne Early Warning Radar Technology

YANG Hao,ZHU Shaoqiang
（Military Representatives Bureau of NED in Xi’an Area,Xi’an 710089,China）

The developing situation of the world's early warning radar was analyzed,and the functions of the three and four generation early warning radar was studied.Then,the composition,function,working process and technical characteristics of the new generation of early warning radar was discussed.Finally,the key technologies for the future development of the airborne early warning radar,including active phased array radar technology,digital array radar technology,conformal phased array technology,dual/multi-band radar technology and advanced signal processing technology,etc.were pointed out.

airborne early warning radar;early warning aircraft;active phased array

TN959.1

A

1673-1522（2015）05-0462-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.013

2015-05-18；

2015-07-23

楊 號（1976-），男，工程師，大學。