國外海軍新一代護衛艦及其雷達裝備研究

2020-10-20 13:27:38陳楠楠宮尚玉劉小平

艦船電子對抗 2020年4期

陳楠楠，宮尚玉，劉小平

(1.海裝駐上海地區第八軍事代表室，上海 200083；2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇揚州 225101)

0 引言

隨著各種遠程精確打擊與信息化武器裝備技術的不斷發展，以及水下智能作戰水平的不斷提高，各國海軍都更加重視復雜對抗環境下海上作戰能力的提升。護衛艦是當代各國海軍建造數量最多、分布最廣、參戰機會最多、設計最靈活的一種水面艦艇，承擔著反潛、護航、巡邏、警戒、偵察、反水雷以及登陸支援作戰等任務。近年來，美、英、法、意等主要西方國家為完善航母作戰體系、提高復雜對抗環境下的海上作戰能力，在既有護衛艦項目取得新進展的同時，不斷提出新的護衛艦發展項目，護衛艦成為發展領域的一個熱點[1]。

護衛艦的雷達使命因護衛艦在編隊或獨立作戰的定位不同而有所差異，基本承擔著中近程監視、跟蹤、武器制導等功能。新型護衛艦的發展，都伴隨著新型艦載雷達裝備的設計和運用。各國海軍的新型護衛艦都普遍裝備了較先進的有源相控陣雷達，本文介紹了主要國家新一代護衛艦及其雷達裝備概況，總結分析了雷達發展特點和護衛艦平臺設計的內在聯系。

1 主要國家護衛艦項目和艦載雷達裝備

1.1 法國FDI護衛艦和“?；?00”雷達

2019年10月24日，法國“中型通用護衛艦”FDI首艦舉行剪鋼儀式，預計2023年交付法國海軍，共計制造5艘。FDI護衛艦是FREMM計劃的延伸，大量利用了法國在FREMM和“地平線”兩型艦上的優秀設計成果，通過模塊化和隱身化設計，使得艦體外形緊湊干凈，自衛和遠程作戰能力有顯著提升。從外表上看，FDI的最大亮點是采用獨立組裝的全景傳感器與智能模塊(PSIM)，這實際上是一種集雷達、光電、電子戰、通信設備于一體的綜合桅桿。其中，桅桿中的雷達將配置還在開發當中的“?；?00”(Sea Fire 500)，如圖1所示。

圖1 “?；?500”雷達

“?；?500”是泰勒斯公司為法國開發的首款固定陣面有源相控陣雷達，由空中監視模塊、水面監視模塊、彈道導彈監視模塊、“紫菀”(ASTER)導彈火控模塊、水面火炮系統支持模塊以及反火箭彈、火炮、迫擊炮模塊(C-RAM)組成，可以執行遠程三維監視、水平搜索、水面監視、火控引導與支援等多重功能，對包括慢速低多普勒效應目標、低RCS目標和超音速高機動目標等具有良好的追蹤能力[2]。其技術特點有以下幾點：

(1) 采用數字陣列接收和GaN高功率放大器技術，單元級數字波束形成同時產生100個以上的瞬時波束，在軟件控制之下，這些波束能根據環境和任務進行自適應調整。

(2) 瞬時超寬帶特性提高了距離分辨率，因而能探測與評估快速攻擊。在提供初始導彈位置信息的前提下，可應對600 km級別的反艦彈道導彈。

(3) 獨立通道和“故障弱化”設計提高了雷達可靠性，降低了維護需求，即便雷達陣列中10%～20%的模塊發生故障，也不會顯著影響雷達的性能。

(4) 采用模塊化設計，具備軟件定義的功能，擴展性強。

1.2 英國26型護衛艦和Artisan 3D雷達

英國26型護衛艦堅持實用至上的設計原則，定位為模塊化、結構簡單、通用性強、運行成本低的平臺，能執行反潛、對陸、支援兩棲作戰、反水雷作戰等任務。因此，26型護衛艦的雷達裝備并沒有創新，沿用裝備“伊麗莎白女王”級航母、23型護衛艦上的Artisan 3D雷達。2017年7月20日，26型護衛艦(滿載8 000噸)首艦“格拉斯哥”號正式開建，計劃在2020年代中期服役，首批預計建造3艘。

Artisan 3D雷達如圖2所示，由BAE系統公司開發，為一款S波段空海監視與目標指示雷達，其采用模塊化設計、開放式結構，在開發過程中結合了ARTIST、Commander、SAMPSON、TYPE 996等上一代雷達的部件和開發經驗[3]。該雷達采用先進的數字自適應波束形成(12個同步接收)、數字脈壓以及自適應動目標檢測濾波等處理手段。通過對比探測性能、雜波濾除、跟蹤精度指標可以看出，Artisan 3D相較以往雷達，在小型、高速、低飛目標以及大型遠程目標探測上有較大幅度的提升，能夠適應近海雜波和強干擾環境下的小型快速目標的檢測需要。此外，除監視和提供目指外，該雷達還擁有航母空管、二次導航、火炮支援、干擾壓制、敵我識別等功能，具有功率孔徑積大、反應速度快、數據率高、資源自適應管理、抗干擾能力強等優點，適裝平臺類型豐富。

圖2 Artisan 3D雷達

1.3 英國31型護衛艦和NS-100雷達

英國31型多用途巡邏護衛艦作為26型護衛艦的補充，能夠執行反艦、防空、反潛、兩棲支援、反水雷、特種作戰、反恐、反海盜、偵察監視等任務。2019年9月，巴布科克公司聯合泰勒斯公司獲得31型護衛艦的建造合同，首艦將于2021年動工，計劃在2028年完成全部5艘建造。為滿足未來海上信息戰需求，提高艦艇防空反導能力，該艦將裝備先進的TACTICOS作戰管理系統，CEC協同交戰能力系統和NS-100/NS-200型雷達。

NS-100系列是市面上首款雙軸多波束雷達，定位是滿足近海中小型水面艦艇的監視需求[2]。該雷達吸收了Sea Master 400三坐標雙軸多波束有源電掃陣列(AESA)技術，在方位和俯仰上進行全數字波束形成，能夠快速進行前向和后向掃描，因而起始建航快、瞬時單脈沖精度高。

圖3所示為NS-100雷達。據泰勒斯公司的宣傳，NS-100雷達采用的是單元級數字化，相比子陣列結構性能更優。NS-100雷達副瓣較低，多普勒處理可以實現60 dB雜波抑制，顯著提升了在近海雜波的背景下對小型目標的感知能力。除雷達處理機柜外，其他所有硬件(雷達信號產生器和天線控制系統)都安裝在天線罩中。天線罩內還能集成其他多種傳感器(敵我識別器、調頻連續波雷達、紅外相機、自動識別系統和相關監視廣播)，既節省甲板空間，還能為系統提供整體的探測性能。

圖3 NS-100雷達

NS-100雷達基本型有10個64通道接收模塊，根據發射瓦片數量和功率大小派生出3種型號：NS-103(3個瓦片)、NS-106(6個瓦片)和NS-110(10個瓦片)。

1.4 美國FFG(X)項目和SPY-6(V)3雷達

2020年4月，美國海軍確定了下一代FFG(X)導彈護衛艦(約6 000 t)的競標結果，最終意大利版“歐洲多功能護衛艦”作為母型的設計方案中標，這也是美國首次采納歐洲海軍的艦船設計方案。根據該方案，艦載雷達武備將利用AMDR開發的架構和技術，預裝SPY-6(V)3型雷達，為艦船提供全方位態勢感知和防衛能力。無論是從艦船總體設計還是武器裝備，都體現出美海軍從追求先進卓越到注重務實、效費比和研制采辦進度的轉變。

AMDR是美國海軍目前重點開發的下一代防空反導雷達，作為未來宙斯盾系統的核心傳感器，取代使用了40多年的AN/SPY-1(V)雷達。完整的AMDR包含一部S波段雷達(AMDR-S)、一部X波雷達(AMDR-X)和一部雷達控制器，它采用全新的GaN大功率放大器與收發組件、有源相控陣物理結構、分布式接收機/激勵器以及大孔徑子陣級數字波束形成等關鍵技術[4]。

AMDR-S通過眾多2英寸×2英寸×2英寸雷達模塊化組件(RMA)堆棧形成能力，每個RMA本身包含144個高功率GaN收/發模塊和第四代數字接收激勵器。根據任務定位和平臺大小，可以配置不同數量這樣的模組。SPY-6(V)3型雷達，又稱為固定陣面版“企業級對空監視雷達”(EASR)，由9個RMA堆構成。出于降低開發成本和風險，美國海軍計劃用SPY-6(V)3取代原SPS-48和SPS-49老式雷達，裝備于“福特”級航母和未來護衛艦項目。根據美國海軍SPY-1+0 dB的方案，SPY-6(V)3型雷達的探測距離不比當前使用的AN/SPY-1(V)雷達遜色。圖4所示為旋轉陣面SPY-6(V)雷達。

圖4 旋轉陣面SPY-6(V)

1.5 德國F-125型護衛艦和TRS-4D雷達

F-125型護衛艦(7 000 t)是集中了德國在全電力推進、全艦隱身、集成天線等領域的最新成果。首艦“巴登·符騰堡”號于2011年11月開工建造，2014年3月31日下水，2016年7月交付德國海軍。該艦運用全新的信息戰系統，強調海上編隊的協同作戰、多層次區域防空、兼顧多用途功能，定位是充當著德國海上網絡中心戰的核心節點。因此，在雷達的配備上更強調性能，選用的是空客防務與航天公司開發的TRS-4D/NR(非旋轉)雷達，如圖5所示。

圖5 F-125艦載固定陣面TRS-4D雷達

TRS-4D雷達在2011年的倫敦防務與安全裝備國際展覽上首次亮相，是一款C波段多功能空海監視和目標捕獲雷達，具備目標監視、跟蹤、自我防御、火炮打擊支援、飛行管控等多種工作模式，在海上或復雜的近海區域執行不同的監測任務，最多能夠同時跟蹤1 000個目標。

TRS-4D雷達基于固態GaN 收/發組件，采用新一代信號處理技術的接收通道和新型接收機，支撐了數字波束形成和多接收波束的同時工作，所有波束采用脈沖多普勒處理，因而TRS-4D雷達的目標跟蹤能力較為突出，尤其是對小目標擁有優越的檢測性能，可以發現雷達截面積小于0.01 m2的目標，在嚴重雜波環境以及干擾機干擾的情況下保持優越性能。TRS-4D雷達的特點還包括：對目標快速進行跟蹤啟動和確認，反應時間不超過1 s；具備網絡化協同作戰能力；采用靈活的軟件定義技術；可重復編程；可靠性高，全壽命周期維護成本低等[2]。

根據天線類型，TRS-4D雷達分為旋轉和固定陣面2個版本，在結構上這2種類型完全相同，不過固定陣面對單個目標的跟蹤精度更高。TRS-4D/NR雷達天線孔徑按角度部署，四面陣為電子掃描天線，能覆蓋90°以上的掃描角，陣面通過矩形機械方式對齊，實現全方位覆蓋，專門裝備德國海軍；而旋轉型裝備已經在美國海軍瀕海戰斗艦(LCS)和智利的23型護衛艦上使用。

1.6 意大利多功能護衛艦和KRONOS Grand雷達

歐洲多功能護衛艦(FREMM)是法國和意大利聯合發展的面向21世紀海上作戰的多功能通用護衛艦，也是全球最先進、性價比最高的艦艇之一。由于法國和意大利的作戰需求不同，兩國除采用相同的船體、動力系統外，上層桅桿、武器系統、平臺管理系統等方面具有較大差異，其中意大利版多功能護衛艦注重區域防空能力，因而配備強大的EMPAR多功能雷達。意大利萊昂納多公司目前以EMPAR為基礎，引入固態砷化鎵(GaAs)有源天線技術，開發KRONOS Grand海軍型多功能雷達，計劃裝備在后續的意大利版歐洲多功能護衛艦(FREMM)“貝爾加米尼”級上。圖6所示為KRONOS 海軍型雷達。

圖6 KRONOS 海軍型雷達

KRONOS Grand海軍型雷達工作在C波段，包含2 200個T/R組件，可執行空海監視、立體搜索、多目標實時跟蹤和多枚導彈引導任務。主要特點有：

(1) 通過對威脅等級進行評估，采取不同的跟蹤速率，高威脅目標的更新周期是1 s；

(2) 多目標主動制導能力，能同時引導多達16枚“紫苑”導彈；

(3) 航跡初始化迅速，掃描一次確認威脅，下一次掃描開始建航，因而可專門跟蹤小型、低可見以及突然出現的目標；

(4) 副瓣匿隱功能，副瓣低于40 dB；5)干擾選通探測與跟蹤；6)增加方位和俯仰單脈沖技術，提高了對機動目標的探測能力[2]。

表1給出上述幾型雷達的主要指標參數。

表 1 幾種型號雷達主要指標參數對照表[2]

2 新型護衛艦及其雷達裝備的發展內在聯系

2.1 有源相控陣已成為護衛艦雷達的主流體制

新一代護衛艦為適應未來海戰對艦船提出的隱身需求和降低天線間的電磁干擾需求，大多采用優化布局的綜合桅桿設計。綜合桅桿內的有限空間限制了電子設備的安裝數量。而艦載AESA雷達的多功能特性與綜合桅桿的設計相契合，采用1部這樣的多功能雷達便可以替代以前多部傳統雷達，同時執行跟蹤、監視、導航、火炮支援等多種功能。另外，新型護衛艦的設計噸位水漲船高，客觀上基本滿足了相控陣雷達的供電需要。從防空反導作戰上講，雷達從搜索到目標，到轉入精度跟蹤，再到武器發射，這個過程的反應時間越短越好?？v觀主要國家新型護衛艦的雷達體制，可以看出，艦載AESA多功能雷達集搜索、跟蹤和火控于一體，極大地縮短了防空反導的反應時間，已經成為護衛艦雷達配置的普遍選擇,單雷達艦船成為了現實。

2.2 護衛艦的多任務定位要求其雷達性能更加全面

受防務預算的限制，多國的新型護衛艦研發側重于多任務能力，實施艦艇模塊化技術、搭載不同的任務模塊，期望在不同的作戰環境下都能提供全域的態勢感知。美國海軍在分布式殺傷概念的推動下，要求將護衛艦納入航母編隊和兩棲遠征打擊群內，為艦隊提供遏制或擊毀敵方軍艦與超視距反艦導彈的能力，并擁有基于艦隊網絡體系下，復雜海區的獨立作戰能力。因此，新型護衛艦艦載雷達為應對復雜電磁環境和提供綜合態勢感知的需要，都進行了有針對性的改進。這些改進包括：

(1) 基于先進的半導體元器件技術、采用高速數據轉換器的收/發技術、自適應波束形成以及認知技術等實現雷達工作帶寬、靈敏度、雜波抑制和抗干擾能力的提升，即便存在干擾情況下，雷達對小型慢速目標、低飛目標、突然出現目標保持優異的探測性能；

(2) 引入彈道導彈防御能力，加快雷達傳感器和作戰、指控系統一體化融合，基于先進的數據網絡系統例如交戰能力(CEC)，構建起分布式的信息系統，實現與航母、驅逐艦和其他作戰單元的無縫對接和信息融合。

2.3 護衛艦雷達與其他平臺的通用性

從以上各國新一代護衛艦雷達裝備的情況來看，SPY-6(V)型、?；?00型、NS-100型、Kronos型雷達都具有多個版本，可進行天線尺寸縮放和配置數量調整以裝備不同平臺，并非為某一型平臺專門設計。以模塊化的SPY-6(V)雷達為例，該雷達總共有4個版本，分別裝備在美海軍各種主戰水面艦艇上。其中四固定陣面SPY-6(V) 1將裝備于“阿利·伯克” Flight Ⅲ 型導彈驅逐艦，每個陣面含37個RMA；旋轉型SPY-6(V) 2主要裝在兩棲攻擊艦和“尼米茲”級核動力航母上，內含9個RMA；三固定陣面SPY-6(V)3將裝在FFG(X)和“福特”級航母，每個陣面9個RMA；四固定陣面SPY-6(V) 4主要用于升級“阿利·伯克” FlightⅡA型驅逐艦雷達，每個陣面24個RMA。這一型有源相控陣雷達僅通過陣面以及雷達模組數量的變化，便可得到能力不同的雷達，但又符合艦艇在艦隊的作戰定位。通過模塊化可擴展的設計方式，可大幅縮短裝備研制的周期和成本，迅速形成作戰能力，還能降低后期的維護成本，已成為各國護衛艦雷達配置的重要考慮因素之一。