國外艦載射頻設備集成技術發展概況

戴征堅

(海軍研究院，北京 100161)

根據水面艦艇作戰使命任務,其射頻設備通常應具備遠程對空警戒、中近程對空對海搜索與跟蹤、氣象探測、目標識別、飛機指揮引導、導彈制導、火控跟蹤、導航、電子偵察、有源干擾、無線通信等諸多功能。早期的艦載射頻設備功能相對單一,雷達、通信、電子戰等射頻設備都是獨立研制和裝艦,設備種類和數量的增加需要占用大量安裝空間和頻率資源,設備間的電磁兼容問題日益突出,由此可能導致全艦綜合作戰效能難以達到預期目標。艦載射頻設備集成就是通過集成優化技術,把不同類型、不同用途的射頻設備進行集成設計,實現艦載射頻設備的集成,通過統一調度時域、空域、頻域和信號處理、數據處理等資源實現多功能的綜合一體化,大幅度提高艦艇作戰能力,主要包括：1)系統的數據率和工作方式、多傳感器協同探測等都可以根據目標的運動特性實現自適應調整,將顯著地提高對各類目標,尤其是高速高機動目標的探測和跟蹤能力;通過合理調度射頻資源,可實現干擾對象的擴展,提升對多目標的干擾能力;2)多功能多任務的綜合一體化,不僅可以通過本艦多傳感器的協同探測為武器系統提供高精度的目標指示,而且能根據戰場環境的特點實現時域、空域和頻域資源的自適應調度,縮短系統的反應時間,為武器系統的快速反應提供信息支持;3)可以減少艦載天線數量、有效改善艦艇的電磁兼容性能,而且多孔徑天線的平面化為艦船上層建筑和桅桿的結構簡潔化、尺度小型化、外形隱身化設計提供了有利條件。本文系統地分析了國外艦載射頻設備集成技術的發展現狀,研究了艦載射頻設備集成的主要關鍵技術。

1 國外艦載射頻設備集成技術發展現狀

先進國家海軍日益關注艦艇射頻設備集成技術的發展,國外艦載射頻設備集成主要有三種實現途徑[1-3],即綜合桅桿、共享天線孔徑、多功能射頻。綜合桅桿將眾多天線集成到有限空間,可使上層建筑結構設計更加簡潔,但沒有從頂層對各個射頻設備的功能進行集成;共享天線孔徑對射頻設備功能進行統一設計,采用平面陣列減少了天線數量,將數量眾多的對空對海搜索雷達、導航雷達、目標識別、無線通信、電子戰等射頻設備綜合于一體,動態分配時間、功率、頻率、天線波束和信號處理、數據處理等資源,實現射頻設備多功能一體化;多功能射頻采用寬帶孔徑,通過靈活調度時間、能量等資源和基于單一孔徑同時實現雷達、電子戰、通信等多功能,可有效提高作戰效能。

1.1 美國

美國是最早開展艦載射頻集成技術研究的國家,開發的典型系統包括先進封閉式桅桿/傳感器系統(AEM/S)、先進多功能射頻系統(AMRFS)等,建立的AMRFC演示試驗床采用收發分離的體制,分為兩個波段,低波段頻率覆蓋1～5 GHz,高波段頻率覆蓋3.5～18 GHz,可以綜合雷達、電子戰、通信、敵我識別等功能。AMRFC演示的主要功能有:Ku Satcom下行、國防衛星通信系統(DSCS)鏈路和相關雷達功能;采用調頻連續波(FMCW)波形的導航雷達功能;有源干擾(EA)功能等。AMRFC中的電子偵察、通用數據鏈等部分技術已經應用于2016年10月正式服役的DDG-1000驅逐艦中,由于采用高度集成的作戰系統和最新的設計技術,DDG-1000驅逐艦的射頻天線總數較常規艦艇大幅減少;DDG-1001驅逐艦已經于2018年4月正式交付美國海軍,主要任務將由對陸攻擊為主向反艦作戰轉變,但其射頻設備大體沿用了DDG-1000驅逐艦的技術狀態。

1.2 荷蘭

泰勒斯荷蘭公司在艦艇集成上層建筑設計方面具有豐富的經驗,泰勒斯公司的集成桅桿系列包括:I-MAST 50、I-MAST 100、I-MAST 400和I-MAST 500,可適用于巡邏船和護衛艦等不同類型艦船。其中,I-MAST 400是泰勒斯公司的第一種集成模塊化桅桿,安裝在荷蘭皇家海軍排水量3750噸的Holland級巡邏艦上,可取代以前許多獨立的雷達和通信天線,并將它們的功能組合到一個單獨的即裝即用的密閉裝置中。在I-MAST 400的組成中,從上至下包括:泰勒斯公司的雙波段(X/Ku)超高頻衛星通信(SATCOM)天線、基于非旋轉圓環形天線陣的敵我識別器、Sea Watcher 100 X波段有源相控陣雷達、Gatekeeper 360°全景紅外/光電監視與告警系統、綜合通信天線系統(ICAS)(由便于應用的標準VHF/UHF通信設備以及與Link 16組成)、用于空海監視的非旋轉Sea Master 400 S波段有源相控陣雷達等。

1.3 意大利

意大利海軍的集成模塊化桅桿項目(稱為MITOS),旨在裝備其新型多任務遠洋作戰巡邏艦PPA,MITOS項目重點研究如何集成意大利本國開發的傳感器和系統,包括雷達、敵我識別器、紅外/光電、通信和電子戰系統,分析新型桅桿的不同解決方案,以便供意大利海軍選擇。MITOS項目主要采用英國塞萊克斯ES公司開發的一系列集成桅桿成果,該系列集成桅桿結構的組成部分包括多功能三坐標雷達、敵我識別器、紅外/光電、通信設備(包括戰術數據鏈)以及電子戰系統,并可根據不同船型對各模塊重新配置,如其UNIMAST 300項目采用綜合了GaN(C波段)和GaA(X波段)收/發模塊的有源電子掃描陣列(AESA)雷達、360°全景紅外/光電傳感器、采用平面天線的無線電通信、衛星通信和電子戰系統。

1.4 德國

德國海軍的隱身戰艦FDZ-2020采用了集成全封閉桅桿(也稱為“集成多探測器桅桿”,IMSEM),桅桿中集成了對空搜索、對海搜索、火控、導航、通信、數據傳輸,以及紅外、激光和雷達告警等設備的天線,實現了雷達、通信、電子戰等系統的“孔徑集成”;其頂部是紅外、激光和雷達告警設備的接收天線,下面是通信設備、X波段數據鏈及相控陣雷達、C波段雷達、L或S波段雷達等設備的天線。

1.5 法國

法國和加拿大等幾個國家設計的FREMM-ER護衛艦,其最重要的改進是集成桅桿,這種集成桅桿解決方案也是形成法國海軍FREDA結構的基礎,新型集成桅桿包含泰勒斯公司的SF500 AESA雷達以及紅外搜索與跟蹤(IRST)、通信和電子戰等諸多設備;法國諾曼底機械制造公司與空客公司防御空間部和Ineo防御公司合作研制的C-MAST輕型桅桿集成了空客防御空間部研制的3D(或2D)TRS-3D搜索雷達、泰勒斯公司研制的IRST和導航雷達等,C-MAST將用于新型隱身輕型艦和近海巡邏艦。

2 艦載射頻設備集成涉及的主要關鍵技術

目前,艦載射頻設備的集成大體可采用“數字化射頻前端+高速大容量數據傳輸+軟件化高性能后端處理”的體系架構,構建開放式、可重構的雷達、通信、電子戰一體化系統,系統組成一般由綜合孔徑天線和射頻前端、預處理、共用平臺(含綜合信息處理、綜合顯示控制、綜合調度控制)等部分組成(如圖1所示)。通常情況下,雷達、通信、電子戰等設備由各自或共用的天線和射頻前端、預處理以及加載在共用平臺上的相應軟件來實現各設備的完整功能。艦載射頻設備集成涉及綜合一體化設計、寬帶和超寬帶綜合孔徑天線、寬帶數字T/R組件、時間和能量資源調度、高速信號處理與數據融合等諸多關鍵技術。

2.1 射頻設備綜合一體化設計技術

2.1.1 同時多功能技術

艦載射頻設備需要完成雷達、電子戰、通信等多功能,理想情況下,如通過射頻集成實現所有功能的收、發同時進行,則可實現資源利用率的最大化,但需要在陣面收、發分離的情況下才能實現,主要因為雷達發射功率太大,單一陣面不易解決收、發分離問題,發射功率會使接收通道飽和。同時多功能的另一種技術途徑是通過同時發射和接收多波束實現,如采用陣面收、發合一的模式,主要措施是利用雷達接收時間進行有源干擾和通信的小功率發射,典型工作方式包括:

1)雷達發射時不能接收,雷達接收時,電子偵察和通信均可接收;

2)雷達發射可以與有源干擾、通信發射同時進行,但需要解決發射多波束問題;

3)雷達接收時,有源干擾和通信可以小功率發射,在保證低噪聲放大器(LNA)不飽和的情況下,同時實現電子戰和通信的功能。

2.1.2 多通道任意波形生成與智能化資源管理技術

雷達、通信、有源干擾、目標識別、導彈制導和火控跟蹤等信號對數字T/R組件有不同的要求,特別是多波束發射時,多信號疊加后的波形更加復雜,需要實現多通道復雜信號的實時產生;數字T/R組件的信號產生部分要兼容不同的功能要求,具備復雜信號實時產生的功能。智能化資源管理技術主要包括雷達、電子戰、通信等一體化工作中的能量、頻域、時域、空域資源管理等方面,需要實現系統的時間、能量、頻域等資源的綜合調度與管理控制[4]。

2.2 先進的多功能一體化艦艇天線技術

艦載射頻設備需要集成的功能繁多、性能要求高,這對綜合天線孔徑提出了極高的要求。一方面需要優化綜合天線孔徑,綜合考慮天線單元的形式、成本、數量和性能(電氣指標性能、電磁兼容性能、隱身性能等)等要素,達到最優天線系統的目的;另一方面,需要與艦艇總體設計匹配,解決其適裝性問題;綜合天線孔徑還涉及多功能天線集成和整合技術、可重構天線技術、靈巧天線罩制造技術等。一體化綜合天線孔徑的典型實現方法有兩種：一是用一個通用的孔徑來實現幾種功能,但技術難度大,需要解決功能間的協調、隔離和控制等問題,此外，須解決寬角寬帶天線單元設計、寬帶共用孔徑陣列天線設計、互耦影響與修正、輻射單元校正和寬帶T/R組件等關鍵技術;二是將一個大的孔徑分成多個子孔徑,每個子孔徑執行一些特定的功能,此方法雖然未能實現共用孔徑所期望的所有可能的優點,但具有易實現、技術難度小等特點。

2.3 高速信號處理與數據處理技術

艦載射頻設備集成需要解決高速信號處理軟、硬件平臺的構建和大容量雷達、偵察、通信等信號的實時處理,以及雷達、偵察等數據的融合和數據儲存、管理與分發等技術。在具體的設計中需要采用開放式體系架構,實現硬件和軟件的標準化與模塊化,以便于系統的可重構、可擴展和技術升級;在多源、多維信息獲取和融合處理方面,需要實現本艦雷達、電子偵察、光電、紅外等多源、異類信息的融合處理,以充分挖掘和綜合利用各類信息,提升艦艇復雜電磁環境下的作戰使用性能。

3 結束語

國外艦載射頻設備集成技術已經走過了綜合桅桿、共享平面化的天線孔徑兩個階段,正在邁入寬帶多功能射頻階段,未來還將采用共形相控陣等技術,并將數字化進一步向射頻前端推進,大力提升系統的軟件化、數字化水平。總體而言,射頻設備的集成不是新技術的簡單應用堆砌,不能以單純減少設備和天線數量為主要目的,應以作戰需求為牽引,以可靠頂用為前提,以效能優化為目標,既要有利于艦艇在海上信息化作戰體系下完成使命任務，有利于作戰使用效能的發揮，有利于提高艦艇作戰任務的可靠性和射頻設備間的電磁兼容性;同時,還需要綜合考慮射頻設備集成的技術成熟度、實現代價等諸多因素。