機載火控雷達和電子戰一體化問題研究

戰立曉，李蕾義，湯子躍，張袁鵬

(1.中國人民解放軍94362部隊,山東 青島 266111；2.空軍預警學院,湖北 武漢 430019)

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機載火控雷達和電子戰一體化問題研究

戰立曉1，李蕾義1，湯子躍2，張袁鵬2

(1.中國人民解放軍94362部隊,山東 青島 266111；2.空軍預警學院,湖北 武漢 430019)

現在的戰斗機都裝載有火控雷達(FCR)、電子戰系統(EWS)和無線數據鏈等。這些系統都是獨立工作的，且相互之間很少有信息交換。為有效提高系統的綜合性能，提出了各系統之間的四級融合機制：初級融合、原始數據級融合、分系統級融合、組網級融合。其中前三級融合均基于單個多功能傳感器，最后一級融合基于多功能傳感器組網。四級融合機制大大提高了雷達和電子戰系統的效率，顯著提升了系統的整體性能。

戰斗機；火控雷達；電子戰；協作；融合

0 引言

現代戰斗機一般都裝載有火控雷達(FCR)和電子戰(EW)等設備，通常機載火控雷達主要是用來探測和跟蹤對方目標，為發射導彈等攻擊型武器提供目標的位置數據及其它參數；而EW的目的是為了保護自己，它要全方位全頻段探測對本機有威脅的目標，及時向駕駛員發出告警，并進行電子干擾，破壞對方對己方戰機的探測、跟蹤和攻擊，所以電子戰要對海、陸、空各種可能的威脅進行分析判斷，其告警和干擾不僅針對對方的雷達還要針對導彈等[1-6]。本文討論的機載平臺主要指有人戰斗機，在將來同樣可以擴展到無人機平臺上。

1 主要系統簡介

1.1 火控雷達

為了對遠距離目標進行探測，且進一步的對空中和地面目標進行分類，機載FCR通常工作在有源模式。對雷達反射回波進行信號處理，可進一步地提高目標的分辨率和定位(距離、方向和速度)能力，從而使其在多目標條件下也有良好的性能。但其缺點是發射的信號容易被對方電子支援措施(ESM)檢測到。

目前，在對抗電子戰系統(EWS)方面，有一種思路是利用具有低截獲概率的離散波形來實現，但關鍵問題是如何在保持較高雷達探測距離的前提下降低截獲概率。由于EWS接收機和處理機技術的進步(窄帶數字多通道接收機和有效的脈沖解耦和算法)，這個問題更加難以解決。

新型FCR裝備了有源電子掃描天線(AESA)，一般工作在X波段，其帶寬遠大于傳統的雷達帶寬，且AESA的角覆蓋范圍在方位和俯仰上都限制在±60°。通常FCR的發射功率較高(等效全向輻射功率EIRP大于60dBWi)，具有很窄的筆狀波束(一般只有幾度)，且天線增益通常大于30dBi(具體取決于天線尺寸)。由于AESA的靈活性，發射和接收可以形成不同的輻射方向圖(利用T/R模塊的相位和增益進行發射，利用自適應或非自適應DBF進行接收)。

1.2 電子戰系統

與FCR不同，EWS中的ESM是一種無源隱蔽的傳感器。它通過接收和處理來自雷達的電磁波，提供對目標的探測和精確的角定位，進而識別出目標上的雷達。

對于運動目標，如未知航跡的空中目標，目標距離由接收信號測得，與雷達波束導向等因素相關。但這種距離測量的相對精度只有十分之一。而對于靜止目標，如地面固定目標，距離測量的精度明顯提高。

因為ESM無法同雷達一樣利用接收信號的先驗信息，所以ESM接收機的靈敏度遠遠低于雷達。而且，在復雜的電磁環境中，ESM必須區分來自多個雷達的發射信號。接收機靈敏度越高，來自多個雷達的不同脈沖的分離越困難。盡管靈敏度較低，但是ESM的探測距離通常比FCR的大，這主要是因為ESM的傳播因子是R-2(單程)，而雷達的傳播因子是R-4(雙程)。

2 火控雷達和電子戰系統的協作

最初，FCR和EWS之間是要避免相互干擾的，因此需要通過時間共享來管理規劃雷達發射、雷達告警監視和雷達ECM。

隨著技術的發展，FCR和EW的功能都在不斷擴展，而且相互滲透，這就需要統一的管理和數據融合，使FCR和EW及其它傳感器協同工作，充分發揮各自的效力又不發生沖突，既能保存自己又能有效的攻擊對方。基于此，本文提出了FCR和EWS的四級融合機制，如圖1所示。

1)初級融合：基于FCR和EWS的數據融合的協作方法，該方法比單獨使用其中的一個系統性能要好得多。

2)原始數據級融合：在初級融合的基礎上，利用FCR和EWS的原始數據進行信息共享，進而增強系統性能。

3)分系統級融合：如天線分系統、發射機分系統、接收機分系統和處理機分系統。通過共享這些分系統來完成FCR和EWS的功能，其中發射機分系統均使用低相位噪聲發射機，接收機分系統使用高動態范圍接收機、多波段接收機等。

4)組網級融合：利用具有FCR和EWS雙重功能的傳感器，實現集約而智能的傳感器配置組網，在FCR和EWS兩個系統之間實現資源共享。

圖1 四級融合機制示意圖

2.1 FCR和EWS之間的時頻共享問題

FCR和EWS之間協同工作的主要問題是射頻耦合問題，主要包括：戰斗機上FCR和EWS天線之間的耦合；地面雜波的耦合和大雨導致的水汽現象。因此，四級融合機制涉及到時間或頻率共享問題。

2.1.1 戰斗機上天線之間的耦合

這種耦合發生在FCR天線和EWS天線的旁瓣。假設所有天線的旁瓣電平接近0dBi，耦合量可以通過g=λ/4πd2估計，其中d是天線之間的距離。

在X波段，當天線之間的距離d=5m時，耦合量大約為-70dB。FCR的AESA輻射功率大約為60～70dBm(取決于T/R組件的數量)，ESM接收的虛假信號的幅度大約在0dBm，因此在FCR脈沖發射期間，沒有任何RF前期濾波，這種信號導致ESM無法正常工作。

2.1.2 雜波的耦合

地面或空中顆粒反射雷達信號，導致發生雜波的耦合。耦合量的大小取決于戰斗機的高度、FCR天線的傾斜度、地形情況等因素。耦合的發生可能致使ESM工作異常。

以上問題需要FCR和ESM功能之間進行時間或頻率共享來保證這兩個系統的高效可靠工作。

2.2 初級融合

下面通過空中非協作目標識別問題來說明雷達和ESM系統初級融合的思想。

2.2.1 雷達非協作目標識別

非協作目標識別方法主要依靠戰斗機的發動機特點，通過提取可識別的噴氣發動機調制(JEM)特征對目標進行識別。但該方法的缺點是存在模糊識別問題，比如有多架戰斗機安裝了相同發動機的情況。解決的方法是增加一維距離像(RP)分析。通過這種方法可以在一定程度上降低模糊度。

2.2.2 ESM非協作目標識別

ESM可利用雷達發射的波形來識別目標所在的平臺，但因為一種雷達可以安裝在不同的戰斗機上，所以該方法識別平臺也是有模糊度的。

2.2.3 雷達和ESM的初級融合

雷達和ESM系統的非協作目標識別的目標是以最小的模糊度識別出平臺。因此系統非協作目標識別的主要步驟為：1)由火控雷達根據JEM特征判斷出對方戰機發動機的類型；2)火控雷達對對方戰機進行一維距離向成像，并對一維距離像進行匹配分析；3)由ESM判斷出戰斗機所裝載的雷達型號，進而綜合對非協作目標識別進行識別。

FCR和ESM的初級融合需要兩個系統的通力協作，且需要兩個系統之間的時間或頻率共享。

2.3 原始數據級融合

下面通過空對空作戰和空對地作戰兩個例子來說明原始數據級融合的思想。

2.3.1 空對空作戰中的原始數據級融合

對于空對空作戰任務，機載雷達裝載在戰斗機上。利用FCR和ESM兩種傳感器對目標進行聯合檢測和分辨。

只有當遠距離發射信號的雷達的主瓣照射到ESM，ESM才能對其進行探測和識別。在多目標情況下，利用角聯合定位的主要問題是對平臺數量難以確定，尤其當多個平臺安裝同一型雷達的情況。如果雷達處于靜默狀態則ESM無法檢測到。

而FCR是一種有效的多目標傳感器(利用距離、多普勒和天線的角選擇性進行分辨)，但探測距離比ESM近。因此，如果探測搜索的角域Ω減小，FCR的探測距離將提高。(雷達探測距離R正比于Ω-1/4)。

所以可以由ESM提供給火控雷達原始的探測方向。FCR只在一個很小的區域內進行探測，性能大大提高。同樣，雷達可以給EWS提供探測目標的數量及其相關參數(距離、角度和速度)，從而大大降低目標識別的模糊度，提高目標識別的概率。

2.3.2 空對地作戰中的原始數據級融合

空對地作戰任務有很多種，比如對對方空防的壓制。

1)首先，ESM提供給雷達關于地面對方雷達的粗定位，ESM定位的不確定性是一個橢圓。

2)其次，FCR以該粗定位為中心，對所需區域進行SAR成像。SAR圖像的尺寸與EWS的位置精確地匹配。

3)然后，通過對SAR圖像進行必要的圖像處理，根據SAR圖像的特征，火控雷達對對方目標進行探測。

4)最后，在FCR的測量坐標系中，對目標進行精確定位。

無論空對空作戰還是空對地作戰，ESM和FCR系統都是相繼工作的，它們之間不涉及時間或頻率共享問題。

2.4 分系統級融合

分系統級融合包括資源的共享和模塊的共享兩部分。

2.4.1 資源的共享

以X波段下ESM靈敏度的提高問題進行說明。現在，ESM的靈敏度普遍較低，只有當雷達的主瓣照射到ESM后，才能被探測到。解決辦法是通過把ESM接收系統連接到火控雷達的高增益AESA上來提高系統性能。這樣，ESM的靈敏度大大增強，但僅僅局限在雷達AESA的主瓣內。

該升級不影響雷達在主瓣和副瓣內的連續探測，而且可以大大提高ESM的靈敏度。現在急需發展一種新的天線掃描策略，擴展到頻域和空域中的掃描和處理，經典的只利用主瓣和固定頻率的模式已不能滿足要求。

但是這種升級僅僅適用于X波段雷達，與AESA具有相同的極化。因為ESM系統利用了FCR天線，FCR和ESM之間不涉及時間和頻率的共享問題。

2.4.2 模塊的共享

EWS和FCR之間可以共用以下幾個分系統模塊：1)高增益、寬帶X波段有源陣列帶有多個子陣；2)低/中增益寬帶天線；3)可調的RF濾波器、RF和IF轉換器；4)下變頻和上變頻；5)多模式數字IF接收機；6)頻率合成、寬/窄帶波形產生器；7)電源。

這樣既可以減少無用元件的重復，降低費用，又能使其集約化。但要保證同時多功能(雷達探測、ESM和ECM)，而且要確保整個系統的可靠性。

2.5 組網級融合

人們希望雷達不僅能夠從飛機尾部發現目標，而且可以從飛機側身方向發現目標，同樣希望EWS能利用高增益和寬帶AESA。現在，諸如寬帶AESA和相關的RF技術已經成熟，因此這種雷達和電子戰能力也可以實現。

雷達和電子戰系統都可以應用寬帶和雙極化AESA，如以下兩個典型的機上單平臺的例子所示。

2.5.1 無人機上的組網戰斗電子系統(NCES)

NCES是一個基于無人機平臺的多功能傳感器組網的例子。

該組網系統包括無人機平臺、分布式寬帶AESA、相關的前后RF分系統等，實現該無人機平臺上的所有的RF功能，如1)360°范圍內可精確測角的ESM功能；2)雷達功能(空對空模式和空對地模式)；3)干擾功能。

該組網系統可以實現以下功能：1)多-多功能AESA系統的管理(監督、次序、優先級管理)。如 360°范圍內無源監視需要所有邊天線之間的配合，而空對空雷達跟蹤模式等其它功能可以僅用一個天線工作，與其它天線無關。2)基于FPGA組件重新配置中間設備(如數字接收機，波形產生器，高速數字處理機)；3)所有的處理(信號處理、數據處理)；4)與平臺的人機交互界面。

2.5.2 戰斗機規避機動阻止火力目標的反擊

載有有源天線的導彈遠距離發射時，在導引彈頭鎖定目標并自動跟蹤前，需要一個初始的導航，這個初始的導航由FCR跟蹤提供。

導彈發射后，可通過實施規避機動來避免對方目標的反擊。對方戰機目標被跟蹤并且鎖定導彈頭以后才能實施規避機動，即對方戰機目標必須在FCR的視場內。一般戰斗機上的火控雷達的視場限制在鼻錐前±60°，這導致了己方戰機仍然可以被對方戰機FCR檢測到，如圖2所示。

圖2 戰斗機規避機動阻止火力目標的反擊示意圖

如果己方戰機位于對方戰機方位角90°方向，那么己方戰機的多普勒為零，位于多普勒凹口上，此時可以避免被對方戰機檢測到。所以可以通過升級，在對方戰機被消滅之前，使方位角一直保持在90°方向。

這種升級要求：1)雷達跟蹤達到至少90°，例如可以利用多功能側視陣列天線。2)無論對方戰機如何機動，通過精確導航始終保持己方戰機處于對方戰機FCR的多普勒凹口內。由于使用相同的多功能寬帶側視陣列天線，該任務可以通過ESM對對方FCR的測量來實施。

不同前面的例子，因為大多數FCR工作在X波段，所以FCR和ESM系統之間的兼容性問題非常重要。

2.5.3 多協作平臺上的雙重功能傳感器

利用波達時間差分技術(DTOA)的無源目標定位是一個雙重功能傳感器有效實施的多平臺的例子。

單戰斗機平臺上的ESM系統不能精確測距，實際上的距離由接收功率來估算，因此誤差比較大。

為了獲得運動目標的精確的瞬時距離，可以利用需要至少三個協作平臺的DTOA技術，如圖3所示。所測對方戰斗機的火控雷達發射的脈沖信號，需有統一時鐘進行記錄標記，如用GPS信號進行標記。

圖3 三協作平臺DTOA技術示意圖

所要明確的一個問題是接收到的脈沖信號是否來自同一個雷達的同一組發射脈沖，這就需要有良好的靈敏度和分辨性能。ESM通過利用高增益窄波束天線可以達到這種要求，如戰斗機鼻錐方向上火控雷達的AESA。

三個平臺之間的協作需要數據鏈進行通信，數據鏈也可以用側視多功能寬帶陣列天線實現。

3 結束語

本文討論了戰斗機上火控雷達和電子戰系統一體化問題。通過火控雷達和電子戰系統之間的相互協作，大大提高了戰斗機上雷達和電子戰系統的效率。按照協作程度的遞進，依次討論了四種融合機制：初級融合、原始數據級融合、分系統級融合、組網級融合。特別是組網級融合中，火控雷達和電子戰協作可以擴展到多協作平臺。更進一步地，火控雷達和電子戰系統之間的相互協作也可以擴展到其它RF功能以及通信領域。■參考文獻：

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高性能的美國無人水下潛航器

2016年12月15日，中國海軍在南海發現一套不明裝置，為防止其對過往船舶航行安全和人員安全產生危害，本著負責任和專業的態度將其捕獲并進行識別查證，該裝置為美國無人水下潛航器(UUV)。2016年12月20日，中美雙方在南海有關海域順利完成UUV的移交工作。

這已不是國外UUV第一次出現在中國南海。有關人士指出，號稱"海底殺手"的UUV具有能淺能深、可遠可近、攻防兼備、亦單亦群和可主可輔的特點，其作戰功能多樣化，不僅可以是有人作戰平臺的輔助手段，亦可獨立成軍，很可能成為顛覆未來海戰模式的重要因素。因此，世界各軍事強國高度重視UUV的研發，美軍處于世界領先地位致力于高性能UUV技術的研究，其發展方向主要體現在以下幾個方面：1)智能化程度更高;2)導航更精確;3)航程更遠;4)下潛更深;5)航行時間更長;6)隱蔽性更高。

Study on the integration of airborne fire control radar and electronic warfare

Zhan Lixiao1, Li Leiyi1, Tang Ziyue2, Zhang Yuanpeng2
(1.Unit 94362 of PLA,Qingdao 266111,Shandong,China;2.Airforce Early Warning Academy,Wuhan 430019,Hubei,China)

Nowadays,fighters are fitted with Fire Control Radar (FCR), Electronic Warfare Systems (EWS), and some radio links. Each of these systems is dedicated to a particular task and cooperation is reduced to a minimal exchange of information between them. Major system performance enhancements are to be expected from close cooperation to other sensors. The future cooperations can be ordered in four stages: junior fusion, primary data fusion, subsystem fusion, and networked fusion. The first three stages lead to a multi-function sensor. The last is the deployment of compact multi-function sensors on a network basis. The four stages greatly improve the efficiency and the performance of the system.

fighter; fire control radar (FCR);electronic warfare (EW);cooperation;fusion

2016-09-13；2016-11-05修回。

戰立曉(1986-)，男，博士，主要研究方向為雷達成像與電子對抗技術。

TN97

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