美國防空反導系統雷達新技術發展及應用

趙飛　郭凱麗

面對導彈技術的擴散、五代機的入役和高超聲速武器等新威脅的出現，美軍的防空反導系統面臨著日益嚴重的威脅，目標識別難題也更加嚴重。為進一步提升探測跟蹤及目標識別能力，增強防空反導系統的作戰能力，美國近年來從雷達新體制、新器件等多個方面，加大雷達新技術的研究力度。

美國防空反導雷達部署及不足

導彈預警雷達和天基紅外預警衛星是美軍主要防空反導預警裝備。目前，美軍導彈預警雷達主要包括固定陣地的3部升級型早期預警雷達、2部鋪路爪雷達、1部丹麥眼鏡蛇雷達，以及移動型海基X波段雷達、前置型X波段雷達AN/TPY-2、巡洋艦和驅逐艦裝備的宙斯盾系統雷達AN/SPY-1、陸軍愛國者系統雷達AN/MPQ-53/65等。

其中，早期預警雷達、鋪路爪雷達和丹麥眼鏡蛇雷達是地基中段防御系統的預警雷達，分別工作在P波段和L波段，由于頻率低、帶寬窄，不具備目標識別能力。前置型AN/TPY-2雷達對來襲彈頭的識別距離有限，主要用于跟蹤早期飛行階段的導彈。“宙斯盾”系統的AN/SPY-1雷達工作在S波段，“愛國者”系統的AN/MPQ-53/65雷達工作在C波段，頻率低且作用距離有限，用于對攔截彈的末段制導。海基X波段雷達具有高分辨能力，但最初建造目的是用于試驗，不具備作戰系統所需的可靠性和實用性，且雷達波束角度范圍（即電子視場）只有25°，限制了雷達處理呈大角度分散的多目標的能力。因此，美國防空反導系統利用現有雷達進行目標識別的能力尚有欠缺。

美軍目前主要依靠X波段雷達解決防空反導系統目標識別的問題。2012年以來，美國相繼提出多項方案，以改善對來襲導彈的目標識別性能，主要包括：在早期預警雷達附近部署堆疊式AN/TPY-2雷達或X波段非相控陣雷達;將夸賈林靶場的GBR-P雷達樣機升級后部署至東海岸;以及新建S波段遠程識別雷達（LRDR），部署在阿拉斯加州克利爾空軍基地，在太平洋和夏威夷新建識別雷達等。

美國雷達新體制技術發展現狀

為解決識別能力、成本、技戰指標等不足，美國國防部門和防務公司發展了一系列雷達新技術。通過梳理近年來美國國防部門、軍工企業在雷達新技術領域的發展，從雷達新體制、雷達新器件與新材料、雷達前沿技術等角度，研究雷達新技術的發展現狀。

在雷達新體制方面，美國重點研究了數字陣列雷達技術，多輸入多輸出（MIMO）雷達與分布式相參合成孔徑雷達技術，雷達自適應技術與認知雷達，頻譜共享與雷達綜合射頻技術等。

發展數字陣列雷達技術，提升雷達多功能和小目標檢測能力。數字陣列雷達是發射和接收波束均采用數字波束形成技術的全數字陣列掃描雷達，通過在數字域對發射/接收信號進行幅相加權來形成所需波束，具有超低副瓣、多功能、小目標檢測能力強、低截獲概率、易于實現軟件化和寬角度掃描等優點，可用于搜索、監視、目標跟蹤、火控、天氣監測等各種應用。

目前，美國陸軍、海軍都發展了數字陣列雷達技術。2010年，美國陸軍通信電子研究、開發與工程中心啟動數字陣列雷達項目，旨在驗證如何運用寬帶隙半導體技術、高度集成收發器以及性能不斷增長的商業數字組件生產高性能、低成本的相控陣雷達系統。2006年，美國海軍研究生院提出“反導反隱身機會數字陣列雷達”概念，旨在以數字陣列技術為基礎，以機會陣和孔徑結構技術為核心，研究具有多種工作模式的新體制反導反隱身雷達，設想用于DDG-1000朱姆·沃爾特級驅逐艦。2014年—2018年，雷神公司設計靈活分布式陣列雷達，重點開發數字天線，用于雷達、通信和電子戰發送和接收射頻信號。2017年，世界首部采用大孔徑子陣級數字陣列技術的S波段艦載防空反導雷達AN/SPY-6在夏威夷成功完成3次實彈攔截測試，進入低速率初始生產階段。

發展MIMO雷達與分布式相參孔徑處理技術，提升雷達目標探測威力。MIMO雷達是一種多通道發射、多通道接收的新雷達技術體制，是雷達組網的最高層次，能夠增大功率孔徑積，提高對目標探威力，提高對隱身目標探測的效能，具有優良的抗摧毀、抗干擾性能和目標識別能力，可用于構建岸基預警雷達系統，遠距離微小目標以及機載/星載動目標的檢測等。該技術得到了美國空軍的高度重視，并取得了一系列進展。

分布式相參合成孔徑雷達是將若干部（設為N部）機動式雷達進行信號級合成處理，實現N3信噪比增益（MIMO雷達只能獲得N2信噪比增益），等效形成一個大威力的機動式雷達，滿足大威力、高精度探測與機動靈活部署等需求。

發展雷達自適應對抗技術與認知雷達，提升雷達電子戰能力和智能化水平。雷達自適應對抗技術是可識別敵方未知雷達系統的信號特征，利用實時生成的對抗措施進行電子干擾，并可進行效果評估的一種電子戰技術。2012年7月，美國防高級研究計劃局（DARPA）啟動自適應雷達對抗（ARC）項目，旨在開發一種新型電子戰能力，有效識別敵方不斷變化和不清晰的雷達信號，并快速采用有效手段對其進行干擾。ARC技術采用開放式結構，算法和信號處理軟件可以在不改造前端射頻硬件的情況下改造現有電子戰系統。ARC項目分為3個階段，研發周期為5年，重點進行算法開發和部件級測試，系統開發，研制一個實時自適應雷達對抗樣機，并進行飛行測試。2014年11月和2016年7月，DARPA先后與BAE系統公司簽署合同，用于ARC項目的第二、三階段。BAE系統公司計劃2018年推出ARC樣機。

位于阿拉斯加的美軍早期預警雷達

鋪路爪雷達相控陣天線陣列

氮化鎵器件能顯著提升有源相控陣雷達組件性能

認知雷達是具有感知周圍環境能力的智能、動態的閉環雷達系統，可實現對外界環境的連續感知，并實時、智能化地調節發射波形，雷達在發射、環境和接收之間形成一個閉環系統。目前，國外認知雷達研究主要集中在認知雷達架構、環境感知、認知發射、發射雜波抑制、雜波預測、認知系統模塊等方面。2014年，美國研究人員闡述了一種具備完全自適應發射/接收的認知雷達架構，提出應用“感知—學習—適應”方法實現雷達環境感知，并首次提出正交多輸入多輸出波形技術對高度非平穩雜波預測的適用性。

發展雷達綜合射頻技術，提升雷達多功能水平。現代化體系作戰要求作戰平臺的載荷具有雷達、電子戰、通信等多種射頻功能。為此，美軍近年來開展了多個雷達綜合射頻項目。雙波段（DBR）雷達是為DDG-1000驅逐艦研制的雷達，由洛克希德·馬丁公司的AN/SPY-4體搜索雷達和雷神公司的AN/SPY-3多功能雷達綜合而成。DBR同時工作于兩個頻段，首次實現了用一個資源管理器協調兩個頻率的操作。能夠在波形級對任一部雷達進行控制，對兩個頻段進行綜合優化利用，使雷達時間線的使用達到最大化;還可根據需要增加搜索和跟蹤重訪率，從而改善航跡相關處理能力，提供精確的威脅跟蹤，并減小對電子攻擊的敏感性。AMDR雷達由X波段雷達、S波段雷達以及1個雷達套件控制器組成。雷達套件控制器為2部雷達提供接口，協調管理2部雷達，使AMDR作為一個整體工作，保證AMDR雷達在反導、防空及海面戰等不同角色中快速轉換，未來將取代宙斯盾系統雷達。未來AMDR可能要增加電子攻擊能力，該功能可能使用基于大功率氮化鎵的有源相控陣來執行完成。

DARPA的雷達和通信共享頻譜計劃。DARPA的雷達和通信共享頻譜計劃旨在提高雷達和通信共享頻譜的能力，主要支持兩種頻譜共享：軍用雷達和軍用通信系統（軍用/軍用共享）之間頻譜共享;軍用雷達和商業通信系統（軍用/商業共享）之間頻譜共享。第一階段對宙斯盾系統中的AN/SPY-1雷達和AN/TPS-80雷達進行了研究，運用仿真和分析手段驗證在保證雷達和通信系統性能的同時，頻譜共享是否具有可行性。2015年3月，第二階段工作重點關注2～4吉赫茲間的S波段。該計劃在雷達研究方面要使多功能雷達實現空中監控、空中跟蹤、非合作目標識別并且同時監測天氣，通信系統研究重點關注軍用移動自組網和商用小型基站寬帶。

DARPA舉辦首個智能頻譜協作挑戰賽。2016年3月，DARPA官員公布“頻譜協作挑戰賽”，旨在確保數量成指數級增長的軍用和民用無線電設備能夠充分使用日益擁擠的電磁頻譜。DARPA為該挑戰賽建造了名為“羅馬斗獸場”的無線試驗臺，為下一代無線電系統評估頻譜共享策略、戰術和算法。SC2項目自2017年開始，分為三個階段，每個階段為期1年。DARPA希望以此加速機器學習技術的研發，在時間尺度上實時共享頻譜。2017年12月，30支競爭團隊在約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室參加了初賽。2018年12月，15支團隊在第二輪初賽中通過了6種不同的射頻場景，這些場景旨在模擬協同自主無線電將在現實世界中面臨的挑戰。第二輪比賽過程中自主協同第一次超越了目前的頻譜管理水平。

美國雷達新器件與新材料技術發展現狀

隨著寬禁帶半導體器件和多種超材料技術的發展，雷達技戰指標將出現質的飛躍。氮化鎵器件作為寬禁帶半導體器件的代表，其技術發展已趨于成熟，并開始在美軍多個新雷達研制和舊雷達改造中得到廣泛應用。超材料隨著技術成熟也將在多種軍用電子系統中得到廣泛應用。

發展氮化鎵器件技術，實現雷達高性能和低成本。氮化鎵微波器件具有高擊穿電場強度、高截止頻率、良好的熱穩定性、強抗輻射能力等特點，能夠提升有源相控陣雷達收/發組件性能;提高雷達的工作頻率、工作帶寬和瞬時信號帶寬;提高放大器的輸出功率和功率密度;提高抗輻射能力等。雷神公司演示驗證了世界首個集成氮化鎵基單片微波集成電路。該器件功率、效率和帶寬性能卓越，能同時實現高性能和低成本。氮化鎵基射頻放大器的輸出功率密度比砷化鎵基器件高5倍，能使雷達提升50%的作用距離，或在相同時間內增大5倍搜索空間體積。目前美軍的遠程識別雷達和地/空任務導向雷達都采用了氮化鎵器件，美軍還將氮化鎵器件用于新型愛國者雷達中。

發展超材料技術提升未來天線性能。超材料可用于導彈、機體、船體和車體等表面，實現寬頻、超薄隱身;可用于雷達罩，實現帶內高透波和帶外高截止;還可制作小型超輕的寬頻天線。近年來，超材料技術在隱身、軍用天線等應用領域取得突破性進展。2014年4月，英國BAE系統公司和倫敦瑪麗女王學院研制出一種新型超材料平面天線，利用超材料平面匯聚電磁波的特性，替代了傳統天線的拋物面反射器或球形“鏡頭”，實現了天線減重、小型化和帶寬擴展、信號增強。2017年，美國杜克大學用超材料制造出一種合成孔徑雷達，這種超材料由眾多微小的電子元件組成周期性結構，每個電子元件都和電磁場相互作用，使得雷達能夠精確地控制輻射方向，性能更加靈活高效。

美國雷達前沿技術發展現狀

雷達前沿技術領域主要包括量子雷達技術、太赫茲技術等。

發展量子雷達技術，提升雷達反隱身抗干擾能力。量子雷達技術是將量子信息技術應用于雷達信號的生成、發射、接收和處理的技術。可用于探測隱身目標的武器系統及空間探測等領域，并為反隱身提供了一種全新技術發展途徑。與傳統雷達相比，量子雷達具有分辨率高、探測距離遠、靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強和易于成像等顯著特點。鑒于其強大的反隱身抗干擾能力，美國海軍、陸軍都進行了量子雷達研究。量子雷達的理論已經成熟，但受關鍵技術及器件的限制，技術與實踐研究仍處于探索階段。

AMDR雷達概念圖

2012年12月，美國羅切斯特大學光學研究所披露了利用量子增強型激光雷達，對隱身目標進行探測的試驗情況。試驗證明量子雷達不僅能探測到隱身飛機，還能探測具有欺騙能力的隱身飛機。這是世界上首次應用量子理論研制成功的量子成像雷達系統。2015年，德國亞琛大學、美國麻省理工、英國約克大學組成的聯合團隊首次創造性提出了一種微波量子雷達系統形態，為量子雷達技術從光頻段轉入更適合目標監測的微波波段提供了全新方案。2018年4月，加拿大滑鐵盧大學量子計算研究院成功研制出一種新型量子雷達，能夠在大幅降低復雜背景噪聲干擾的同時剝離探測目標，可有效探測隱身飛機和隱身導彈。

發展太赫茲技術，發掘導彈預警能力。20世紀80年代末，各國開始加大對太赫茲技術的研究力度。目前大功率太赫茲波輻射源和高靈敏度探測技術的研究取得了關鍵性突破，太赫茲技術已應用于環境檢測、生物醫學以及天文物理學等領域，未來在軍事通信、戰場偵察、精確制導、反隱身、電子戰等軍事領域也有廣闊的應用前景。美國DARPA開展了多項太赫茲技術研究。2012年推出視頻合成孔徑雷達計劃，2014年推出成像雷達先進掃描技術，2016年在專門雷達特征解決方案中加強亞毫米波目標特性測量雷達研究。太赫茲技術在導彈預警方面有著潛在應用。導彈尾焰分子在太赫茲頻段上可吸收能量并在光譜上特定頻率范圍內形成吸收線，通過光譜分析可對導彈尾焰進行識別，實現對戰略或戰術導彈的密切跟蹤監視，精確確定導彈發動機的關機時間，進行導彈防御。

目前，美軍已經在雷達中應用的新技術包括數字化陣列技術、綜合射頻技術等。其中，以氮化鎵器件為代表的新材料技術，近年已在美軍現有雷達改進和新雷達研制中得到廣泛應用;未來美軍還將通過認知雷達技術實現雷達智能化，通過與量子信息技術等前沿技術結合，進一步提升對目標的探測、跟蹤和識別能力。

責任編輯：彭振忠