機載火控雷達技術發展及對導引頭的啟示

徐艷國

(南京電子技術研究所，南京 210013)

機載火控雷達技術發展及對導引頭的啟示

徐艷國

(南京電子技術研究所，南京 210013)

機載火控雷達和導彈導引頭具有相似的功能定位，均面臨著來自于隱身目標、高機動目標、慢速目標、復雜電磁環境和地理環境的挑戰。兩者基于相似的技術途徑應對挑戰，主要包括相控陣、載荷與平臺一體、智能化架構、體系化作戰等。但與機載火控雷達相比，考慮到導引頭的獨特之處，在低成本相控陣天線、高精度波束指向、高效散熱、高效算法等方面提出了更高需求。

機載火控雷達； 導引頭； 相控陣； 低成本相控陣天線

0 引 言

機載火控雷達主要用于實現對空、地/海目標探測及跟蹤，配合武器系統實施攔截與打擊。導引頭用于快速探測和截獲目標，穩定精確跟蹤，引導導彈攻擊目標。總體而言，兩者具有相似的功能定位。此外，在作戰應用中，機載火控雷達與導引頭均面臨著隱身目標、高速高機動目標、復雜電磁環境和雜波環境的挑戰。

相似的功能定位及挑戰，意味著機載火控雷達和導引頭在體制和硬件實現上并無不可逾越的鴻溝。導引頭可視為一部功能精簡、硬件濃縮的小型火控雷達。因而，將在機載火控雷達中已經逐漸開始應用的相關理念和技術移植到導引頭上，是一個可行的做法。

但在具體實現上，機載火控雷達的重量、供電和環控條件與導引頭相比更為理想，火控雷達在技術體制的應用上比導引頭更為冒進一些。目前，機載火控雷達正處于從機械掃描體制轉換為全面有源相控陣的階段，導引頭則依然以機械掃描體制為主。

未來，兩者在技術途徑選擇上必然殊途同歸，主要采用有源相控陣、一體化設計、智能化架構、體系化應用等技術。然而，具體到細節之處，相控陣導引頭有其需要重點研究的獨特之處，主要包括更低的天線成本約束、更高的波束指向精度要求、更高效散熱設計、更智能算法選擇。

1 面臨的主要挑戰

1.1 愈發難以應對的目標

與常規目標相比，隱身目標的微波波段RCS值降低1～2個數量級，從5～10 m2降低到不足0.1m2量級。對于現代戰爭樣式構成巨大沖擊[1]。

(1) 壓縮防御方的探測距離，提高突防效率。現役預警機主要是針對常規非隱身空中目標，探測隱身目標時性能下降嚴重。地基情報雷達面臨的情況與預警機類似。隱身飛機的出現使得雷達威力大幅下降，因而覆蓋網出現了很多“漏洞”。傳統飛行器突破對方嚴密的防御系統需要冒著槍林彈雨，風險極大。隱身飛行器則可以尋找預警探測網的“漏洞”，沿著這些安全通道突防，如圖1所示。

圖1 常規飛行器和隱身飛行器突防效能對比

(2) 增強空戰中的對抗優勢。對于戰斗機而言，隱身意味著被對方探測的距離大幅縮減，進而提升在空戰中的優勢，確保本方“先敵發現、先敵攻擊”的優勢。對于導引頭而言，由于對隱身飛機的截獲距離大幅下降，同樣導致導彈的攻擊效能下降。

除增強隱身能力外，目標的機動性能進一步提升，飛行包線逐漸向兩個極端拓展。一方面，美、俄等國都在加緊研制飛行馬赫速度可達5以上的高超音速飛行器，以提高對目標的打擊效率，典型項目包括美HTV-2，X-51、俄羅斯Yu-74等。另一方面，全球范圍內，各種“低小慢”目標的應用越發普遍，主要包括大量應用的低空慢速無人機，這類無人機可單獨作戰，也可蜂群協同作戰。無論是高超音速目標還是“低小慢”目標，均對戰斗機雷達或導引頭構成巨大挑戰。目標太快，容易出現跨波束、跨距離單元、跨多普勒單元的“三跨”現象，導致無法有效積累； 目標太慢，則從多普勒域上和雜波難以分離。

1.2 愈發紛繁復雜的環境

電子對抗能力直接決定戰爭的勝負，受到軍事強國的高度重視。僅美軍就生產和裝備有600多種電子戰設備或系統，擁有上千架專用電子戰飛機。科索沃戰爭中, 從飛機出動的架次看, 基本上約1/3用于轟炸, 1/3用于電子戰, 1/3用于支援保障。由此可見, 電磁干擾已成為空襲和防空作戰的重要手段。現代電磁干擾呈現四大特點：密度越來越高，來自立體空間、多個平臺； 功率越來越大，ERP最大可到兆瓦量級； 反應越來越快，采用信道化偵收和數字儲頻技術，速度可達微秒量級； 樣式越來越多，壓制干擾、密集脈沖干擾、欺騙干擾、靈巧干擾等。

與機載火控雷達相比，導引頭還面臨著拖曳式干擾的巨大挑戰。特別是拖曳式干擾機與靈巧干擾技術的組合，要求導引頭能夠辨識干擾，甚至能夠實現多目標跟蹤，這對當前的機械掃描體制導引頭而言幾乎難以實現。

除電子干擾外，非均勻地形地貌(如山區、陸海交界等)、高海情海雜波、地海多徑干擾、大型人造建筑物等復雜地理環境的影響也非常明顯。復雜地理環境對機載雷達和導引頭探測的影響包括：雜波回波增強導致目標檢測能力下降、雜波邊界區域虛警率增加、非均勻回波導致檢測時統計樣本減少、多徑干擾導致檢測不穩定等。

2 依托的主要途徑

為應對復雜的目標及干擾環境，需要從單平臺和多平臺兩個層面推進。單平臺層面可行的技術途徑包括：掃描體制從機械掃描到相控陣、物理形態從雷達與平臺分離到雷達與平臺一體化、系統架構從常規架構到智能化。多平臺層面通過多平臺協同提升探測能力。

2.1 采用相控陣，應對高機動隱身目標

機械掃描雷達通過伺服驅動天線實現波束掃描，相控陣雷達則通過調整每個陣元相位實現波束掃描。通過采用相控陣技術，機載火控雷達獲得了性能上的巨大飛躍。

(1) 波束快速掃描+波束捷變，實現了雷達自身性能的變革。具體體現為：具有更強的抗干擾能力、更遠的探測威力、可實現空空/空面綜合優化、可實現多目標/多任務資源綜合調度。

(2) 利于載機隱身設計，便于載荷平臺一體化。新一代戰斗機普遍采用隱身設計，雷達天線對于平臺RCS的貢獻不可忽略。相控陣雷達通過陣面偏置、負載匹配等措施，RCS比機械掃描天線降低兩個數量級以上。

(3) 利于高增益無源偵收(HGESM)、高功率電子干擾(HPECM)等功能實現，便于射頻多功能一體化。相控陣天線具有大帶寬、大增益、大功率特性，與ESM和ECM設備共享，可實現HGESM和兆瓦級HPECM； 與通信設備共享，可實現遠距高速數據傳輸。

正是由于相控陣的巨大優勢，有源相控陣雷達已成為新研機型的標準配置，而在現有機型升級中，換裝有源相控陣雷達幾乎是必然選項。國外典型機載相控陣火控雷達現狀如表1所示。

表1 國外典型機載相控陣火控雷達現狀

在相控陣導引頭方面，國外從20世紀80年代開始探索相控陣在導引頭領域應用的可行性。近年來，開始應用于實際裝備，如日本AAM-4B導彈導引頭、俄羅斯伊斯托克的X波段導引頭、美國“戰斧”巡航導彈導引頭改進型等。在可預見的將來，相控陣在導引頭領域的應用會愈發普遍。

2.2 推進一體化，增大天線孔徑，提高平臺適裝性

有源相控陣體制的應用大大提高了發射功率和陣面效率，然而發射功率的提高受到平臺供電資源的諸多限制，為進一步提高功率孔徑積，通過與平臺一體化設計拓展天線孔徑是較理想的技術途徑。

在雷達領域，一體化設計的研究已經歷時30多年。20世紀80～90年代，美國就啟動“鉆石眼”共形陣預警機研究如圖2所示，采用“聯合翼”機翼共形有源相控陣雷達，天線孔徑達到約600平方英尺。20世紀90年代末，美國空軍研究實驗室啟動“傳感器飛機”預先研究工作，最終目標是設計一種高空巡航、長航時、裝備大功率孔徑積的飛行器，一種更為形象的說法是“飛行的雷達天線”[2]。

圖2 雷達與平臺一體化

與預警雷達相比，機載火控雷達體積和重量較小，因而與平臺一體化的研究迫切性相對低一些。然而，隨著新一代作戰平臺采用扁平化外形以及對全空域探測的高需求，一體化設計必然會提上日程。為推動高頻段火控雷達與平臺的一體化技術進步，美國波音公司與美國空軍研究實驗室(AFRL)從2003年開始至2007年聯合開展了“結構一體化X波段陣列”(SIXA) 項目，如圖3所示。該項目在2006年進行的部件測試中，子陣被集成到一個0.75 m×3 m盒狀蒙皮中。與常規的可承載天線不同，SIXA的輻射單元指向不是平行于飛機表皮，而是垂直于飛機表皮放置，形成蜂窩狀結構，如傳統的葉形偶極子天線。據稱，天線厚度不超過1英尺，重量密度達到每平方英尺8磅。

圖3 結構一體化X波段陣列

與雷達相似，相控陣導引頭意味著天線的外形設計及安裝集成更為靈活，必要時甚至可與彈體表面共形集成，實現“彈體即天線”。通過采用共形相控陣技術，還可拓展波束掃描空域范圍，進一步提升導彈應用效能。國外在這個領域也開展了先期研究工作，并提出了幾種可能的共形形態，如圖4所示。

圖4 四種可能的共形導引頭形態

2.3 深化智能化，提高復雜環境適應性

傳統雷達體制下，無論采用PD常規處理還是自適應處理，其發射波形、處理參數、處理方法通常是固定不變的，缺乏對外界環境的感知能力，無法有效利用電磁環境和地理環境信息，而雷達實際的工作環境則是多變的、非平穩、非均勻的，導致雷達系統在復雜電磁環境下很難獲得理想的探測性能。采用基于電磁環境感知的智能發射技術與智能信號處理技術是新一代機載雷達發展的必然趨勢。

通過智能化體系架構對環境進行感知和分析、提高自調節和自學習能力，可使雷達更好地適應環境。在此基礎上，通過智能決策和知識輔助處理，改進信號處理算法，智能調整雷達視場、發射波形、發射能量和處理方法，可提高雷達在復雜電磁和雜波環境中對各類目標的探測能力，有效應對隱身目標、超高速目標和“低小慢”目標的威脅。

國外對知識輔助空時自適應處理(KA-STAP)、認知雷達[3-5]等智能化處理技術已經開展了近20年的研究。STAP原理示意圖如圖5所示。Simon Haykin在2006年歸納出認知雷達的三個特征：(1) 雷達可實現對外界環境的連續感知； (2) 根據目標情況實時智能化調節發射波形； (3) 整個雷達在發射、環境和接收之間形成一個閉環系統。Michael Wicks在2009年的一篇文章中提出：認知的主要特點是感知、記憶和推理，其范疇比自適應和智能化更高一個層面，自適應和智能化主要針對于雷達中的具體環節，而認知處理則通過對這些環節進行交互串成一個有機的整體。Guerci在2011年中提出：認知雷達具有無與倫比的收發自適應性和多樣性，以及高度“智能化”的高性能嵌入式計算，可以基于知識實現對于環境的“智能化”自適應。在2014和2015年的IEEE雷達年會上，認知雷達仍是一種重要的關注熱點[6-7]。

圖5 STAP原理示意圖

在學術界開展深化研究的同時，相關技術驗證工作也同步開展。2002年，美國“國防先進研究計劃局”(DARPA)支持林肯實驗室開展了“知識輔助傳感器信號處理及專家推理”(KASSPER)[8]項目研究工作。目的是檢驗知識輔助型數據庫及專家系統對STAP處理性能的改善，采用數字地形高度數據、地面雜波信息、合成孔徑雷達數據、多層譜圖像數據等信息，以減少非均勻雜波的影響。

為實現智能化處理，需要雷達采用閉環架構以實現對環境的實時感知，采用同時多通道處理實現對雜波和干擾的自適應抑制。而目前的導引頭受限于體積和技術水平的約束，主要還是采用和差的通道設置。隨著天線集成度的提高及相控陣天線成本的下降，未來的導引頭采用數字陣列技術是大勢所趨。仿真分析表明，若采用12個子陣，對于同時存在一個近主瓣和兩個副瓣干擾的情況，可達到45～60 dB的抑制。強近主瓣干擾抑制效能為導引頭抗拖曳式干擾提供了一種比較好的選擇如表2所示。

2.4 融入大體系，實現協同作戰能力

從雷達角度，通過雙/多基地、多站協同等措施，可提高雷達隱身目標探測能力、探測精度、抗干擾能力。受硬件條件的限制，早期的研究主要針對地基或海基雷達系統，典型代表如美國海軍的“協同網絡化雷達”(CRN)、“協同交戰能力”(CEC)計劃等，如圖6所示。

表2 對不同位置處干擾的抑制效果

圖6 CEC典型應用模式

隨著網絡化作戰概念的發展，各種數據鏈的廣泛應用，戰斗機編隊協同作戰逐漸成為一種新的作戰模式。編隊內各單元的協同探測和信息共享，做到優勢互補，分工協作，實現戰場態勢的協同感知。同時，各平臺之間彼此分散獨立，即使單平臺損毀，對整個“系統之系統”的作戰性能的影響較小。

美空軍提出“作戰云”(Combat Cloud)概念如圖7所示，強調海、空、天、網絡層的跨域協同，海上、空中、太空各平臺實現數據共享和跨域協同，每個平臺作為一個節點，可向云端提供信息或從云端下載所需信息。各平臺自組織入“云”出“云”，實現戰場數據的網狀交互。

圖7 “作戰云”概念

協同探測需要解決空時頻三同步技術、編隊布站優化技術、多源信息融合技術等，相關關鍵技術目前已經逐漸取得突破。

由于導彈目前同樣面臨隱身目標、主瓣干擾等挑戰，采用多彈協同模式攻擊目標是一種可考慮的選擇。一方面，通過一發一收或一發多收的雙/多基地探測，可增大隱身目標RCS值； 另一方面，通過不同視角探測，可更有效剔除來自主瓣的干擾，是一種潛在的應對拖曳式干擾的手段。

3 關注的主要問題

雖然導引頭可與機載火控雷達采用相似的技術途徑，然而具體到細節，兩者之間的差異也不可忽視，包括波束指向精度、天線成本、散熱設計、算法設計等。

3.1 更高天線指向精度，滿足捷聯去耦的需要

機載火控雷達與平臺之間是一種開環關系，雷達接收平臺提供的慣導信息，以實現對目標的有效探測及對機載武器系統的引導。機載雷達與飛行控制系統是兩個獨立的系統，即機載雷達與飛行控制系統之間是隔離的，機載雷達只需閉合自身的角跟蹤回路和隔離機體姿態擾動即可，但雷達并不直接參與飛機的飛行控制，不存在影響飛機飛行品質的寄生回路振蕩問題，因而不會危及飛行安全。

相比之下，導引頭屬于制導控制回路的一部分如圖8所示，導引頭的測量精度或參數精度直接影響飛行控制性能，導引頭與平臺屬于緊耦合關系。

圖8 典型相控陣雷達導引頭制導回路原理框圖

近年來，業界通過仿真和實際測試對捷聯去耦技術開展了深入研究。基本結論是，在波束指向角精度和數據率足夠高的情況下，相控陣導引頭去耦系數是滿足要求的，特別是在高頻端甚至要優于機械掃描導引頭[9]。然而，為了滿足更高波束指向精度的要求，對相控陣天線的誤差控制、標校、長期存放后的性能變化等提出了新的課題。

3.2 更低天線成本，滿足一次性使用的需要

機載火控雷達是長期使用的裝備，壽命可達20年以上。相控陣雷達雖然比機械掃描雷達成本高，但由于可靠性高，因而全壽命周期成本有可能反而更低。相比之下，導彈是一次性使用的設備，對于導引頭的采購成本要求必然更為嚴苛。如何降低相控陣導引頭的采購成本成為一個需要認真研究的課題。

具體的思路包括兩個層面：

(1) 從總體架構上優化設計。以美國1999年啟動的Ka波段“低成本巡航導彈防御”(LCCMD)[10-11]研究計劃為例，如圖9所示。在方案設計時，選擇了一個T/R組件拖多個低成本MEMS移相器的方案。由于MEMS移相器不成熟，后采用基于單片T/R組件的方案，雖然單個組件的功率相對較低(40 mW)，但仍然確保了整部導引頭天線成本得到有效控制。

圖9 LCCMD相控陣天線

(2) 需要進一步研究封裝工藝。結合機載火控雷達和導引頭對可靠性的不同要求，從工藝材料選取和工藝優化方面，進行低成本設計。

3.3 更高效散熱能力，滿足嚴苛的裝彈條件

無論對于雷達還是導引頭，推遠威力的根本還是功率孔徑積。采用相控陣天線實現目標遠距探測，主要是依靠相控陣天線分布式發射可實現更大的總輻射功率。然而，大輻射功率的代價是在工作過程中會產生大的熱量。

以一個具有200個通道的有源相控陣導引頭為例，假定每個組件產生的脈沖功率為10 W，工作比為30%，平均功率為3 W，組件效率為25%，則有9 W的功率要變為熱量。整部天線有1 800 W 的功率變為熱量。要在天線陣面有限的空間內散發如此大的熱量，熱流密度非常大。

機載火控雷達可采用液冷或強迫風冷實現高效散熱，然而導引頭并不具備這樣的條件。當然導引頭也有相對于雷達的有利條件，即工作時間只有幾十秒。目前主要研究方向包括采用高熱容材料、相變材料、微細液體管路循環加冷板技術。然而，不可能有一種技術能夠針對所有導彈、解決所有問題，必須針對具體裝彈條件開展方案的優化設計。

3.4 更高效算法設計，滿足高機動條件下目標的探測需求

與機載火控雷達一樣，反隱身、反干擾、反雜波是導引頭永恒的追求。

為實現對隱身目標的探測，除在硬件平臺上提高功率孔徑積外，長時間積累也是可行的技術途徑。從某種意義上，導引頭比機載火控雷達更適合采用該技術，因為導引頭開機前通常有雷達提供的先驗信息，而且導引頭通常僅需要應對單個目標，可以將資源集中。但從另外一個角度，導引頭面臨的均為高機動目標，長時間積累對此類目標的效能下降明顯，而且長時間積累如何確保去耦所需的高數據率，都是需要深化研究的課題。

為提高反雜波和反干擾能力，除采用低副瓣、干擾辨識等常規技術外，采用STAP處理也是一個非常有效的手段。然而，該技術在導引頭上的應用效能不如機載火控雷達，主要原因有：(1)導彈和目標均處于高速高機動狀態，雜波和干擾的抑制凹口深度會比靜態條件下明顯惡化。(2)導彈飛行速度快，導引頭需選擇較高的重頻，距離維折疊次數多，STAP參考單元數少，這些都意味著在機載火控和預警雷達上的STAP處理算法無法在導引頭上直接借用。

4 結 束 語

隨著隱身飛機、高超音速飛機、智能化干擾的威脅愈發嚴重，無論是機載火控雷達還是導引頭都面臨著巨大的挑戰。本文從火控雷達和導引頭的相似性入手，提煉出了未來的技術發展方向。與此同時，針對導引頭在平臺約束、使用環境等方面的特殊性，梳理出需重點深化研究的四大問題。

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·簡訊·

雷神公司的相控陣技術——波束合成和信號/數據處理

早期AESA的波束形成是在較低的頻率(例如UHF)，最初使用同軸電纜和商用現成的連接器組合。在更高的頻段，一般采用波導管、印刷電路或微帶合成器，主要是考慮到模擬波束形成的成本、重量和尺寸等方面的優勢。

如今，仍使用上述核心科技的變種，但制造能力和材料的選擇更加多樣化。未來無源模擬RF波束合成器件會持續利用新材料，在它們變得可用的時候，進一步改進封裝、互聯和減少成本。

數字波束合成和信號出現于20世紀90年代早期，當時模數轉換器(ADC)技術開始在無線RF領域商用。主要的改進是更低的抖動和功耗開啟了新的應用。很多軍用AESA雷達系統也從這項改進中受益。多數商用行業研究聚焦于Si，然而更高端的軍事系統研究轉向關注InP電子技術，以追求更高的采樣率和動態范圍。

今天大多數AESA雷達系統只含有少量的數字接收通道，因此總的動態范圍分配在1個或極少數轉換器上。下一代AESA系統將擁有子陣級上的數字化，并且有的將擴展到元器件級。因此，可以在先進的信號和數據處理中使用成百上千的數字化通道和自由度。這將為雷達、通信和EW任務提供前所未有的性能和功能，包括創建和處理多個瞬時波束、增加極化多樣性和改進動態范圍。器件級別的AESA數字化同時還簡化發射/接收模塊(TRM)功能，因為不再需要MMIC來進行幅度和相位控制。

AESA的數字化不僅限于改進ADC技術，數字域的移動和處理所接收數據的能力也持續快速得到改進。信號和數據處理器受益于摩爾定律，變得更大處理容量、更低功率/體積、經濟上更可承受，使得接收數據的更新和更復雜的處理得以實現。

(趙毅寰 天 光)

Development of Airborne Fire Control Radar Technology and Its Inspiration to Seeker

Xu Yanguo

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology，Nanjing 210013, China)

Because of similar function orientation, airborne fire control radar and missile seeker both need to face the challenges from stealthy target, high maneuverable target, slow moving target, complex electromagnetic and geographical environment. Airborne fire control radar and missile seeker have to depend on several methods, such as phased array, integration of payload and platform, intelligence system architecture, system combat to deal with the challenges. Take consideration of the peculiarities, compared to airborne fire control radar, seeker needs to adopt cheaper phased array antenna, higher accuracy beam pointing capability, higher efficiency heat dissipation technology and higher efficiency algorithm.

airborne fire control radar； missile seeker； phased array； cheaper phased array antenna

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.008

2016-08-30

徐艷國(1980-)，男，山東濟寧人，高級工程師，研究方向為雷達系統總體設計。

TH133; TP183

A

1673-5048(2016)06-0033-07