機載有源相控陣火控雷達技術發展

賁 德

(南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

自第二次世界大戰第一代噴氣式戰斗機登場以來,戰斗機發展經歷了五個代系的發展。當今世界主流國家空中戰斗機為四代或者四代半飛機,部分國家已經步入隱身作戰的五代機時代[1],戰斗機作戰從能量機動制勝發展到信息機動制勝[2]的新階段。作為戰斗機平臺的核心傳感器,機載火控雷達的發展也隨之經歷了測距機、脈沖雷達、脈沖多普勒雷達及相控陣雷達四個階段,從簡單的空中目標距離測量,發展到空中目標距離速度測量,再到地面目標探測與合成孔徑成像,最后到偵干探通多功能一體化的演變[3-5]。

早期的機載火控雷達只具備測距功能,所以稱為測距機,主要用于機槍或者航炮瞄準。隨著戰斗機性能的提高和武器的發展,第二階段機載雷達實現了天線掃描和角度跟蹤,采用普通脈沖體制實現目標探測,相比測距機進一步發展了測速能力。機載火控雷達發展至第三階段的標志是機載脈沖多普勒雷達研制成功。20世紀50年代～70年代,脈沖多普勒體制的突破使得雷達能力邁上新臺階,解決了傳統機載雷達的下視難題,典型裝備包括F-14戰斗機的AWG-9雷達、F-15戰斗機的APG-63、F-16戰斗機的APG-66以及F/A-18的APG-65/73雷達。

20世紀80年代～90年代美國率先開始機載有源相控陣(AESA)火控雷達的研制,其主導思想是利用裝備的代差優勢壓制其他主要的競爭對手,機載火控雷達發展進入第四個階段。與傳統脈沖多普勒體制雷達相比,相控陣雷達具有波束快速掃描、波束捷變、大帶寬、高增益、高功率等特性[6-7]。

當前,隨戰斗機隱身技術的發展,空中目標的散射截面積(RCS)不斷縮小,各類新型威脅層出不窮;在雷達對抗方面,電子支援措施靈敏度越來越高,干擾形式也從傳統的能量壓制逐步變化為各類偽裝的靈巧干擾。隨著技術的進步、威脅提升和戰斗機作戰使命的變化,對機載火控雷達的要求也隨之提升,牽引機載火控雷達技術發展[6-8]。

本文通過分析現有機載雷達技術發展趨勢,考慮未來戰斗機平臺作戰任務需求變化,分析展望未來機載火控雷達的發展趨勢。

1 機載有源相控陣火控雷達現狀

由于相控陣雷達較傳統機械掃描雷達的不可比擬的優越性,當前國外主流戰斗機均采用或者更換為相控陣體制雷達。當前國外主流戰機的機載火控雷達裝備如表1所示。

表1 國外典型機載相控陣火控雷達裝備型譜發展

根據表1可以看出,當前國外主流戰斗機火控雷達均采用相控陣體制,美國主要戰斗機已更換為有源相控陣體制,在歐洲和俄羅斯等國家地區,也逐步由無源相控陣體制過渡至有源相控陣體制,并有N036有源多面陣和Captor-E有源機相掃等寬角域探測體制。對主要國家和地區的典型火控雷達分析如下。

1.1 無源相控陣雷達

當前國際上主流戰機中,俄羅斯的蘇-35安裝的Irbis-E為無源相控陣X波段的多功能雷達(圖1)。雷達電子掃描,實現±60°的方位角和俯仰角空域覆蓋。同時,相控陣天線通過液壓機構的驅動轉動,液壓機構可獨立操縱陣列天線機械水平轉動60°,實現雷達的最大波束角在方位上增加到120°。

圖1 Irbis-E無源相控陣雷達

相較于有源相控陣雷達,無源相控陣雷達雖然在成本和散熱上有優勢,但在輻射功率、抗干擾和多功能等方面存在一定的欠缺[3]。隨著技術進步,俄羅斯在米格-35和蘇-57等戰斗機上已逐步更替為有源相控陣雷達。

1.2 有源相控陣雷達

RBE-2 AESA有源相控陣雷達(圖2)由泰雷茲集團研制,雷達具有邊搜索、邊跟蹤能力,而且提供威脅辨識。

圖2 RBE-2 AESA有源相控陣雷達

在“陣風”F1標準階段時,RBE-2雷達具備空對空模式。F2標準階段時RBE-2雷達具備完善的空對地模式與海面目標搜索能力。F3標準階段時RBE-2雷達進一步提升地形跟蹤功能,還增加了合成孔徑雷達(SAR)與地/海面動目標跟蹤指示功能。2008年11月,法國宣布,為“陣風”配備的RBE-2有源相控陣雷達進入生產階段。

有源相控陣雷達的應用擴展了戰機的偵測范圍,豐富了戰機的作戰功能,提升了平臺在多種威脅環境下以低可觀測性、高機動性和高靈活性對超視距敵機進行攻擊能力。

1.3 寬角域相控陣雷達

安裝于機頭內的相控陣火控雷達最大可覆蓋的探測角域范圍為±70°,當前隨著作戰威脅目標形式多樣,對戰場進行廣域甚至全向感知和火控打擊的需求逐漸增強,寬角域乃至全向探測成為機載火控雷達發展方向之一。

在寬角域實現方式上,主要有兩種方式：一種是“機掃+相掃”結合的“機相掃”方式,另外一種是對隱身性能要求高的平臺通過多個陣面來實現寬角域覆蓋[8]。

目前機相掃的機載火控雷達,主要搭載于四代和四代半飛機,主要包括俄羅斯搭載于蘇-30MKI 戰斗機一維無源相控陣N007雷達和搭載于蘇-35 戰斗機二維無源相控陣Irbis-E雷達、歐洲搭載于“臺風”戰斗機Captor-E有源相控陣雷達和瑞典搭載于下一代鷹獅戰斗機Raven ES-05 旋轉斜盤有源相控陣雷達等。

對于第五代隱身飛機,通常采用在機頭側面增加側視雷達天線陣的形式,在保證隱身效能前提下實現寬角域搜索和跟蹤,如俄羅斯蘇-57戰斗機的N036多波段機載火控雷達系統。

Captor-E有源相控陣火控雷達由英國、德國、意大利和西班牙聯合為臺風戰斗機研制。如圖3所示,Captor-E火控雷達采用機相掃方式,用電機驅動伺服二維轉動實現三維掃描,通過天線陣面點掃描和機械掃描結合,較固定安裝的相控陣雷達提升了探測視場范圍,同時具有體積小、重量輕、成本低的優勢。

圖3 Captor-E雷達和常規相控陣雷達能力對比

俄羅斯在繼Su-30戰斗機一維無源相控陣N007雷達和Su-35戰斗機二維無源相控陣Irbis-E雷達后,在Su-57(原T-50)戰斗機采用了最新的有源相控陣N036多波段機載火控雷達系統(圖4)。N036由3種雷達組成,包括位于機頭的X波段N036-1-01有源相控陣雷達、飛機機頭兩側安裝的小型側視型X波段N036B-1-01雷達,以及安裝在機翼前緣的2部L波段N036L-1-01雷達。3種雷達均采用有源相控陣體制。多雷達設計將雷達視角由前向120°擴展到240°,使Su-57戰斗機對于側向目標也能進行精確跟蹤。

圖4 N036多波段機載火控雷達

N036雷達通過X+L多頻段和多陣面設計,提升單平臺信息感知能力,一方面體現了戰斗機全向感知能力的發展趨勢,另一方面也是俄羅斯編隊協同能力不足的有效補充,通過專注單機在未來復雜作戰環境中的態勢感知能力,以單機的非對稱優勢,抵消其他國家的信息作戰體系優勢。

1.4 隱身有源相控陣雷達

當前戰斗機已經進入隱身作戰時代,尤其是先進戰斗機的隱身能力更成為隱身時代的標志。為適配隱身戰機高隱身性能,配裝的有源相控陣雷達需具備優異的天線隱身和射頻隱身探測能力。天線隱身設計支撐隱身戰機整體RCS較傳統戰機大幅縮減,使敵機雷達威力縮減數倍,變成“近視眼”;射頻隱身探測能力通過時/空/能/頻多維輻射信號控制手段支撐隱身戰機對目標隱蔽探測,實現“靜悄悄”擊落。

繼F-117之后,作為隱身戰斗機的締造者,美國相繼推出F-22和F-35戰斗機,其優越的隱身性能、高空氣動力效率和大載荷大幅提升了戰斗機生存能力、突防能力和縱深打擊能力,分別配裝的AN/APG-77以及AN/APG-81雷達均為具備高隱身性能的有源相控陣雷達。

AN/APG-77有源相控陣雷達搭載于美國F-22“猛禽”戰斗機,2005年開始服役。AN/APG-77雷達由諾斯洛普·格魯曼公司和雷聲公司聯合研發,其中諾斯洛普·格魯曼公司負責AN/APG-77和AN/APG-77(V)1雷達的總體設計、控制和信號處理軟件以及雷達系統集成和測試。

AN/APG-77雷達(圖5)是有源相控陣技術首次在戰斗機上應用,具備脈間變頻、快速掃描能力;并可通過時分方法實現電子情報搜集、實施干擾、監視或通信。2008年,諾斯洛普·格魯曼公司展示了雷達合成孔徑成像能力,使F-22戰斗機的任務能力擴展到空面作戰。在非合作目標識別方面,AN/APG-77通過形成窄波束、逆合成孔徑(ISAR)處理可獲取目標的高分辨率圖像。據稱,AN/APG-77雷達具有低截獲概率(LPI)能力,每秒雷達波形變化在1 000次以上[3]。

圖5 AN/APG-77雷達

基于“寶石柱”計劃,APG-77雷達首次采用綜合航電架構,實現信號處理與數據處理模塊的模塊化、開放式設計,但傳感器孔徑與射頻電路仍是分立結構,射頻天線數量達62部。

AN/APG-81(圖6)同樣由諾斯格魯曼公司生產,主要搭載于F-35A/B/C等三款飛機。與F-22雷達相比,提升了空地能力,包括高精度成像、地面動目標檢測跟蹤等方面能力。

圖6 AN/APG-81雷達

AN/APG-81雷達工作模式包括：主動被動空空、空面目標探測跟蹤識別,支撐AMRAAM和合成孔徑成像、地面/海面動目標檢測跟蹤和A/S測距等功能,雷達同時兼容偵收和干擾等電子戰功能[9]。

在F-35平臺,雷達不再作為一個單獨的傳感器,傳感器集成化發展。在F-22“寶石柱”架構基礎上,徹底整合設計“寶石臺”架構,通過“綜合傳感器系統”計劃和“多功能綜合射頻系統”計劃,實現雷達、電子戰、通信、導航和識別功能共用公共的處理器,同時有源相控陣陣列還與其他孔徑一起完成電子戰、數據通信等功能,形成多功能口徑[10]。通過孔徑綜合,F-35機身上天線孔徑數量只有21個,相較F-22,其綜合射頻技術更加成熟。

作為全球首款五代隱身作戰戰斗機的核心傳感器,AN/APG-77有源相控陣較之前機械掃描戰斗機火控雷達相比較,在射頻功率效率高、波束捷變、多功能和高可靠等優勢基礎上,進一步提升天線隱身能力,降低雷達天線對戰斗機平臺的RCS的貢獻度,大幅提升戰斗機隱蔽作戰能力[6]。對比AN/APG-77雷達,AN/APG-81雷達在保證隱身性能的同時,進一步往綜合化、一體化方向發展,提升平臺信息獲取、目標識別和態勢感知能力。

根據國外主流戰機火控雷達分析,可以看出根據實際平臺能力和作戰需求,機載火控雷達的最新發展特點是：對于四代機或者四代半飛機,采用低成本的具有寬角域覆蓋能力的“機相掃”方向發展,對于五代隱身飛機往一體化、深度融合化、隱身探測的方向發展。

2 未來機載平臺作戰需求分析

雷達裝備發展由作戰需求驅動,未來空戰攻防對抗環境的演進變革牽引機載火控雷達的發展。未來空戰樣式呈現出攻防對抗一體化、作戰對象寬譜隱身化、作戰形態智能化以及作戰樣式體系化等特點,要求機載火控雷達具備全向攻防、探干偵通多功能、高隱身、智能化、協同探測等能力。

國外未來戰斗機和傳感器發展方面,美國空軍將全球持續感知能力作為未來的重大能力需求之一,指出未來其目標是發展全作戰域的分布式感知能力,在整個作戰環境中對敵態勢實現持續、全面、及時的了解[11]。根據2019年4月頒布的《美空軍科技戰略》,美空軍提出全球持續感知能力、信息彈性共享、快速有效決策、復雜不可預測性、集群化作戰以及高速協同打擊六大戰略能力需求。

隨著2016年美空軍發布《2030年空中優勢飛行規劃》,美國將摒棄僅對單一平臺進行“機型替換/升級”的傳統思路,發展一套可跨空、天、賽博作戰域運用的網絡化“能力簇”,并在2030年左右獲得“穿透型制空”作戰能力。“穿透性制空”強調“系統簇”或“能力簇”,呈現“大體系、強節點、云協同”的特點。未來六代機將基于全向全頻段隱身平臺[12]、有人-無人協同、智能高速處理、軟硬結合突防等技術,從時間-空間、物理-信息等雙重維度,在高對抗和高威脅環境下突防進入敵方綜合防空區域進行有效偵察和協同打擊。

2023年5月,美空軍宣布,美空軍部向工業界發布保密的招標文件,廣泛征集“下一代空中主宰”平臺方案,并明確指出計劃2024年正式授出工程和研制發展合同[11,13]。

基于對未來空戰設想,歐洲2016年啟動由法德主導、西班牙參與的“未來空戰系統”(FCAS)項目,該項目采用類似美國“穿透型制空”系統簇的方式,采用開放式、可擴展的網絡化架構,通過“空戰云”協同實現有人-無人編隊作戰,獲取在空中、電磁域的整體優勢。2019年初,已啟動項目演示驗證。預計2025年,FCAS驗證機試飛,2040年服役。

2020年2月下旬,空中客車公司和法國泰雷茲公司簽署了一項開發空戰云的協議,用以賦能FCAS體系。根據其設計概念,在FCAS系統內,“空戰云”將實時連接和同步所有平臺,增強態勢感知能力以及協同作戰的信息處理和分發能力。

綜合未來空戰的發展趨勢以及國外未來戰斗機和傳感器設計思路可以看出,下一代戰斗機是具有遠程、穿透、強感知、強火力和快速決策能力的強有力的骨干節點平臺[1]。在信息感知方面往全向探測,全向隱身、協同智能化的發展[2,14]。作為戰斗機平臺核心傳感器,對于機載火控雷達牽引發展的主要方向包括一體化、協同化、蒙皮化、隱身化、智能化和芯片化等。

3 機載相控陣雷達發展趨勢分析

3.1 一體化

雷達面臨的作戰任務從傳統的空空作戰發展到空面作戰、成像探測等多種模式,同時兼顧電子戰偵收與干擾等功能。單純利用機頭孔徑雷達實現這些功能,面臨時間和空間資源的緊缺。單傳感器多功能化和多傳感器間融合是提升戰斗機信息感知能力的重要途徑[15-17]。

3.1.1 單傳感器多功能一體化

為適應未來空戰平臺作戰需要,并滿足諸如無人機等空中新平臺約束條件,單一平臺已難以承受雷達、電子戰等大量傳感器設備的堆積。即便在同一平臺上安裝了以上的傳感器設備,它們之間不可避免構成了強烈的功能和任務競爭、空間位置和體積競爭、載荷重量競爭、電源供應競爭、電磁兼容等競爭。此時,依靠簡單的信息交互和協同控制管理已經不能從根本上解決上述的競爭,只有采用多功能一體化技術從孔徑、通道、處理、調度等各個環節最大限度地覆蓋不同設備作戰功能和性能,才能消弭上述的沖突,打破空中平臺的射頻能力瓶頸。

多功能一體化分為分時多功能和同時多功能兩種。分時多功能條件下基于雷達孔徑在雷達工作頻段內實現無源探測、有源干擾和通信等功能,實現難度較小。同時多功能要求采用一體化波形、復用一體化射頻孔徑和通道、一體化處理等資源,突破超寬帶孔徑、收發一體等關鍵技術,實現難度較大。同時多功能一體化,尤其是雷電一體化,應從孔徑、通道、處理、調度等各個環節共同考慮。

孔徑一體化(圖7)方面,要求孔徑設計時,能夠同時滿足雷達有源探測和電子戰偵察干擾的需求。電子戰工作頻段會覆蓋雷達工作頻段,因此強烈的互擾可能使雷電無法同時工作,因此除了一體化孔徑具備廣域寬頻特點外,還需要設計與之配套的基于任務規劃雷電協同方式。孔徑一體化最核心的是要解決同時同頻雙工的問題。

圖7 一體化孔徑

通道一體化(圖8)方面,需對雷達、電子戰指標需求進行融合,充分考慮兩種功能通道差異性。首先是接收帶寬與接收靈敏度的差異,為保證截獲概率,電子戰偵察一般在頻率上采用寬開,遠大于雷達的接收帶寬,從而在接收靈敏度上要弱于雷達;其次是工作頻率差異,一般情況下敵我雙方雷達不會采取同一工作頻點以避免同頻異步干擾,故需要一體化通道具備同時分頻工作的能力。

圖8 一體化通道架構

信號一體化是實現一體化的高級階段,是多功能一體化的關鍵。目前探干偵通等不同功能波形具有顯著不同的需求：雷達波形以模糊函數為基礎,通常按照固定節拍收發信號;電子戰波形以熵和相關性為基礎,按照對方節拍偵收和發射干擾;通信波形以香農理論為基礎,按照約定節拍發射或接收信號。采用波形拼接合成以及波形統一設計等方式提升能量和時間資源利用率以及低截獲探測性能。

處理一體化方面,需要對雷達、電子戰數據處理的硬軟件平臺進行一體化設計。信號采樣一體化方面,雷電信號處理需求和方式有所不同,因此需根據ADC器件水平,確定合理的信號采樣方案,能力足夠時優先采用單個ADC同時滿足雷電信號采樣的速度和精度要求。處理硬軟件模塊化方面,以通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托,將對應的資源虛擬化,通過調用中間件上的不同軟件模塊來實現雷電的各項功能,實現軟硬件解耦,是雷電一體化處理最理想的形式。

3.1.2 多傳感器一體化信息融合

雷達、光雷、電子戰和DAS傳感器探測不同的目標特征,具有不同的探測距離、覆蓋角域、探測精度和目標識別能力,通過傳感器相互融合,可提升平臺對于周邊態勢的感知和火控目標的跟蹤能力。同時,在實際作戰使用時,戰機處于強干擾對抗環境,存在部分傳感器測量失效的情況,通過多傳感器融合,可實現目標信息的全方面的有效感知。

F-35主要的傳感器分系統包括AN/APG-81雷達、AN/ASQ-239電子戰/電子對抗系統、AN/AAQ-40光電瞄準系統、AN/AAQ-37光電分布式孔徑系統、AN/ASQ-242通信導航和識別(CNI)航電系統等。這5種傳感器分系統是F-35戰斗機多源態勢感知能力的基礎,使其能夠在射頻和紅外頻譜上進行綜合態勢感知。與以往的戰斗機相比,這種態勢感知方式可以獲得更多、更全面的環境和目標信息[9-10]。

在機載航空電子領域,美軍研制的F-22、F-35作戰任務系統中,都將信息融合作為重要的任務軟件設計開發(圖9),通過融合軟件實現對空中及地面防御系統的識別、定位與跟蹤,增強飛行員的態勢感知能力。F-22戰斗機上主要實現了雷達、電子戰、CNI的融合跟蹤,同時利用CNI數據鏈信息實現編隊飛機間相互引導和提示跟蹤,并支持多機協同空戰。

圖9 傳感器融合能力提升示意

同時,F-35支持平臺內傳感器融合和平臺間傳感器融合。根據文獻[13],F-35融合層級分為Tire 1和Tie3。Tier 1只利用本平臺信息,Tire3利用本平臺信息和外部信息源信息。2016年末,F-35完成了協同目標定位與跟蹤測試,在該測試中,F-35對一架無人機目標進行跟蹤,并利用多功能先進數據鏈實現無人機航跡與地面武器系統態勢共享,支撐地面武器系統對遠程無人機目標的超視距攻擊。

電子信息系統的綜合一體化是先進平臺的典型特征。傳感器一體化的發展,信號處理平臺從各個傳感器獨立處理逐步變化至綜合處理平臺統一調度管理。航電系統架構從傳統的分立式向聯合式,再到綜合模塊化架構發展。通過模塊化、標準化的設計方法,按照功能重新劃分、組合,將眾多分立的天線單元/陣列進行整合,將傳感器前端組件、信號處理組件和數據處理組件等組成資源共享、可重構和通用化的新型系統。最終在統一調度資源管理下實時完成高性能的雷達、電子戰、通信、導航等任務,實現完整、清晰、快速、準確的戰場態勢感知。

隨著未來戰斗機航電架構的深度綜合化、一體化發展,機載射頻孔徑在寬頻段、數字化發展基礎上,進一步向綜合化、軟件化方向發展[17-20]。多功能一體化可顯著地縮減平臺天線數量, 改善平臺的氣動和隱身性能。一體化發展帶來機上傳感器協同調度與電磁資源分配等挑戰,也蘊含著新的能力生成潛力。

3.2 協同化

當前隨著空中目標RCS的日益縮減和威脅目標種類增加,單一平臺單一傳感器受限于孔徑尺寸、系統能耗、傳感器構型等因素,在面對隱身目標、主瓣干擾等威脅時,探測性能會出現嚴重惡化且缺乏有效應對手段,難以勝任日益復雜的作戰環境變化[21]。

相對而言,多雷達協同探測技術通過編隊內部/外部輻射源構建新型的廣域分布的動態收發探測構型,利用多部雷達的空、時、頻、能、極化、波形等電磁資源,構建高維度的雷達信號空間,通過空間分集、頻率分集等提升探測效能,可打破單裝雷達在抗干擾、探測隱身目標等方面存在的固有瓶頸,是提升編隊戰場態勢感知的有效技術途徑[10,22]。

協同分為態勢級協同、信息級協同和信號級協同等多種形式。雷達的信息處理過程即有用信息的提取過程,但是每次處理在去除無用信息的同時也造成了有用信息一定程度的損失。因此,融合信息越接近原始數據,融合可獲取的信息得益越高,相應的數據量與難度也越大。一般來說,信號級協同形式包括收發分置協同[23-24]、統計多孔徑[25]和分布式相參[26-28]等多種形式。

收發分置協同發射和接收雷達處于不同平臺,根據收發分置雷達方程[3]式(1),若前置機盡可能抵近至對方攻擊距離邊緣,則后置機距離目標距離可大幅提升。在該情況下,后置機在安全區輻射,前置機通過純被動接收探測等措施,有效保證生存能力。

(1)

統計多孔徑是基于空間RCS分集多路信號聯合檢測實現協同探測方法。如雙機的探測場景下,通過兩發兩收或者一發兩收,實現同時多路獨立接收信號的聯合處理,利用目標在不同方向的RCS起伏特性獲取空間分集得益和多路獨立接收信號間的非相參積累兩方面的得益[29],獲得更優的能量利用效率。若多路信號采用頻率正交設計,還可進一步獲取頻率分集得益[30]。

分布式相參是將同一平臺不同孔徑或者多個平臺的多個孔徑之間的信號進行融合,通過各孔徑信號在處理端的相參融合,等效為一部具有大孔徑積的單部雷達,實現最優的合成性能。分布式相參的實現方式包括接收相參和收發全相參兩種,分別可實現N2和N3的信噪比改善[26]。

另外,隨著無人機技術的興起,無人機平臺以其無人化、低成本、可消耗、戰場適應能力強、配置靈活等優點越來越受到重視,并快速走向空戰舞臺。

有人機—無人機組成空中聯合編隊,無人機作為有人機平臺的“忠誠僚機”協同作戰,是世界強國面對強對抗環境的全新作戰樣式。 目前,美俄等軍事強國都在發展有人—無人空中編隊協同作戰項目,并取得了階段性成果[31-32]。在俄烏沖突中,無人機在偵察監視、打擊對抗等方面發揮了重大作用。未來有人—無人混合編隊和無人機群等新型作戰方式對于協同探測和信息共享的需求將持續推動雷達技術發展。

國外在協同化發展方面從2000年開始先后開展了分布式孔徑全相參雷達稱為“下一代雷達”“協同網絡化雷達”以及“靈活分布陣雷達”等信號級協同技術驗證,同時在跨域協同方面發展了“協同交戰能力”“海軍一體化防空火控系統”以及“先進戰斗管理系統”等跨域協同能力演示和開發驗證。

國內機載火控雷達協同探測當前主要集中在同型機編隊點航跡協同層面,協同深度方面將向收發分置和統計多輸入多輸出(MIMO)等信號級協同擴展,需進一步突破高精度空時頻同步技術并開展信號級協同應用驗證;協同廣度方面將進一步向空地、艦機、星機等跨域協同方向發展,需突破機間高速數據鏈、體系資源調度等關鍵技術并開展跨域協同應用驗證。

3.3 蒙皮化

隨著任務功能需求增多,原先安裝于機頭的單一電孔徑難以滿足同時多任務和全向探測的需求。因此,多個陣面分布于機身不同位置,構成分布式孔徑,是實現全向探測是一種重要的可行途徑[33-37]。

蒙皮共形天線可降低傳感器對于飛機氣動性能和隱身性能的影響。共形天線可分為表面共形天線與結構共形天線。表面共形天線一般為低剖面天線,天線貼合在載體表面并與其共形。結構共形天線是指先在載體表面開槽或開縫,天線嵌入載體內部,再采用齊平安裝的方式使天線與載體表面共形[38]。

智能蒙皮天線體系架構可分為射頻層、控制與信號處理層以及封裝層。可通過控制智能蒙皮天線射頻層的T/R 芯片,實現蒙皮的電磁輻射/散射可重構,同時通過控制波控電路實現蒙皮的波束自適應。通過“分布式孔徑-智能蒙皮-集中式處理終端”的布局,把不同規模的蒙皮單元沿著飛行器表面共形布置,最大限度地利用飛行器表面積[39-41]。

國外在智能蒙皮研究方面,美國空軍通過“智能蒙皮結構驗證”“射頻多功能共口徑結構”“結構一體化X波段陣列”和“X波段低厚度雷達孔徑 ”項目等一系列項目,支撐開展智能蒙皮天線研究[34]。

2017 年弗吉尼亞理工大學的研究人員以 X-47B 無人機的氣象探測雷達為例,使用矩形波導天線作為復合夾層結構的中間層(圖10),在機翼上集成了結構嵌入式裂縫波導天線的共形蒙皮陣列[42]。

圖10 X-47B共形天線[42]

飛行器平臺上布置多組智能蒙皮天線可構成分布式孔徑。更進一步,不同蒙皮孔徑之間通過統一的射頻資源管理調度,根據作戰任務需求和孔徑時間頻率資源重構,可實現分布式機會陣雷達架構[43]。相較單孔徑雷達,具有360°全空域覆蓋、作戰使用靈活多變的特點[44]。對于機會陣雷達,每個蒙皮單元都是參與機會陣雷達構成的基本單元。機會陣雷達綜合環境的感知、目標的特性、場景的變化和自身的資源,通過機會發現、機會調度、機會決策實現雷達機會性工作。

相對傳統雷達,機會陣雷達具有更強的隱身能力、抗干擾能力、抗摧毀能力、信息融合能力、抗低空突防能力,適應未來空中作戰平臺扁平化發展趨勢。在實際應用中,分布式機會陣雷達面臨三維異構陣列電磁輻射特性與控制機理、三維異構陣空時處理理論與處理架構兩大基礎理論問題挑戰[45]。

對于智能蒙皮和機會陣列構成的一體化可重構雷達,需要強大的寬帶傳輸與處理能力。當前射頻器件難以滿足分布式孔徑同時多功能的超寬帶、多頻段射頻信號的傳輸和處理需求。微波光子技術的快速發展和不斷成熟,為一體化分布式孔徑的應用提供了一種解決途徑[46-48]。

3.4 隱身化

雷達和電子戰一直在相互博弈提升[49]。隨著電子戰探測靈敏度的提升,傳統火控雷達簡單波形的脈沖多普勒探測體制易被敵方接收機偵收截獲與分選識別[50]。

機載火控雷達需要綜合天線隱身、射頻隱身與有源隱身等多種手段實現全向/全頻段隱身的作戰需求。

3.4.1 天線隱身

天線隱身主要涉及結構項散射、模式項散射、邊緣衍射和漫散射等[3,49]的控制約束。對于天線隱身而言,結構項散射、模式項散射是天線RCS貢獻的主要因素。

傳統天線隱身方式通過采用Vivaldi等低散射天線形式和采用傾斜安裝等方式實現單天線RCS降低,通過天線孔徑綜合設計,降低機體天線單元數量實現平臺整體天線RCS的降低[51-52]。

面向未來戰機全向隱身和寬頻隱身的需求,可通過表面電流控制、分形/仿生結構、阻抗加載/匹配、超材料和頻率選擇表面天線罩等技術應用,進一步降低天線RCS[53-54]。

3.4.2 射頻隱身

雷達的射頻隱身技術本質上是以減小雷達信號的參數特征為手段,降低電子偵察系統對信號的截獲、識別等能力,從而提升雷達的抗偵察、抗干擾能力。相較于傳統雷達以目標信噪比最大化為目標,射頻隱身雷達通過時域、空域、頻域、極化域、能量、波形等多維途徑綜合,以最小可被偵測概率下實現工作任務為目標,開展探測任務。現在常用的單平臺雷達射頻隱身技術主要分為四大類,即輻射源功率控制技術、低截獲波形技術、定向天線技術以及信號的最大不確定性技術等[55-56]。編隊協同方面,可通過戰術戰法設計,干擾目標判斷,包含閃爍探測、雙/多基地探測、外輻射源探測等手段,降低編隊平臺能量輻射時間和強度,降低截獲概率[57]。

在射頻隱身探測體制方面,有學者探索MIMO體制在LPI技術中的應用[58-62]。相較傳統相控陣雷達,MIMO雷達采用M路通道發射相互正交的信號,N路接收來實現探測。MIMO雷達發射的多波形信號在空間保持獨立,經過目標的散射,被N路接收。每一路接收都采用M個匹配濾波器對回波進行匹配,從而可以得到M*N個通道的回波數據。基于雷達陣面在空間的分布不同,MIMO雷達可劃分為統計MIMO雷達和緊湊式MIMO雷達[59,62]。通過波形分集技術,MIMO雷達較相控陣雷達獲得了更多的自由度。但隨著陣列規模增大,MIMO雷達在波形設計、架構實現和信號處理的復雜度就會急劇上升,因此有學者提出結合相控陣和MIMO技術的相控陣MIMO雷達。相控MIMO雷達把發射陣列劃分成若干個子陣,各個子陣內發射相參信號,子陣之間發射正交信號,實現了相控陣雷達和MIMO雷達的結合,可同時獲得相干處理增益和波形分集增益[63]。

正交波形的設計和處理是低截獲概率MIMO雷達實現的關鍵技術之一。在MIMO雷達LPI設計中,需要考慮雷達探測性能和LPI性能在不同MIMO工作狀態下的優化解[64-65]。

隨著通用處理模塊性能提升,新型信號處理算法的應用,復雜波形在探測和抗偵收分選方面的應用具有較大潛力[66-67]。在LPI波形設計方面,國內外學者提出各類復雜波形來降低雷達信號被偵收機截獲概率。最開始LPI波形設計從能量角度出發,以降低峰值功率為主要目標,后續逐步發展至通過時頻空能多個維度進行綜合評估與設計[67]。此外,當前LPI波形效能評估和實際效能以及LPI波形在降低被偵測概率的同時雷達探測性能評估,如何保證在空戰高機動場景中對復雜波形有效積累和雜波抑制是需要認真研究與分析問題[68-70]。

3.4.3 有源隱身

有源隱身是一種新興的潛在的提升機載火控雷達以及戰斗機平臺RCS的技術[71]。

有源對消技術利用目標上裝備的有源對消電子設備,產生與反射波同頻、同幅、反相的電磁波來減弱或消除反射波,從而使敵方雷達接收不到目標反射波信號。可類比聲學上的主動降噪技術。廣義上,有源對消技術為在已知來波照射條件下目標的散射場分布,若能產生額外的電磁波,改變目標的整體散射方向分布,使散射方向圖零點指向敵方雷達,可達到隱身目的。有源隱身技術可分為兩大類：一類為集總式有源隱身,包括自適應有源隱身技術和基于電子戰干擾對消概念的有源對消;另一類為分布式有源隱身技術,即采用智能電磁結構芯片排列成智能蒙皮,對雷達的入射波進行接收、檢測并激發一定幅度、相位的對消波[72]。

有源對消隱身系統如圖11所示,包括來波探測系統、信息處理系統、數據存儲系統、電磁波發射系統。其工作流程為：首先傳感器測出敵方雷達探測信號方向、頻率和波形,然后經信息處理系統得出目標對應的散射波,指令電子設備產生和發射所需的對消信號,最終實現有源對消隱身。有源隱身技術的原理容易理解,工程實現技術難點主要包括：(1) 雷達來波信號參數的精確測定;(2) 被保護目標的全方位RCS精確計算;(3) 對消波的精確控制等方面。

圖11 有源對消系統示意圖

據稱,B-2隱身轟炸機上的防御電子設備—ZSR-63是一種有源對消系統,其通過主動發射電磁波來消除照射到機體上的雷達能量反射強度,目前未見有公開的詳細報道。

3.5 智能化

人工智能對態勢感知、指揮控制、通信互聯、打擊決策全作戰流程產生廣泛影響,必將深刻改變未來戰爭形態。智能感知成為影響戰爭勝負的決定性因素。未來戰爭形態對雷達提出了新的需求：

(1)學習能力：精確感知建模;積累更新知識;自適應未知戰場環境。

(2)自主能力：精準態勢感知;自主規劃、決策;探干偵通智能調度。

(3)協同能力：跨平臺智能信息融合、多平臺智能調度。

機載火控雷達面臨的作戰環境越來越復雜多變,如何在復雜多變的干擾雜波環境中實現目標智能化精確檢測、跟蹤、識別,將是未來機載火控雷達發展迫切需要解決的技術難題[73]。此外,隨著射頻前端數字化程度的提高,自適應處理技術的完善,高性能計算技術的飛速發展,雷達信息處理逐漸朝向“環境自感知、處理自適應”的智能化方向發展。

雷達智能化包括智能化雷達系統架構、智能化處理以及智能化調度等方面。處理的智能化通過自適應處理、識別算法等提升雷達對于干擾、雜波的抑制和對目標的識別能力。雷達系統的智能化指整個雷達系統具備適應機載平臺高強度高動態復雜電磁環境的智能化的自主工作能力[73-75]。

智能化系統架構方面,傳統雷達架構和處理模式靈活性較差、自適應能力弱,無法應對日益復雜的強電磁對抗環境。智能化雷達架構擬通過認知、人工智能技術,使雷達具備自適應閉環的智能發射能力和端到端的深度處理能力,在復雜雜波和電磁環境中實現精準化、自動化的態勢感知。2006年,文獻[76]借鑒蝙蝠回聲定位系統及認知過程,首次提出了認知雷達概念,并明確指出認知雷達是引入并模仿人類認知特性的新一代智能雷達系統,具備感知、理解、學習、推斷與決策等能力, 使雷達系統不斷地調整接收機和發射機參數以適應日益復雜的探測環境, 從而有效提高目標檢測、跟蹤及抗干擾等性能。

智能化處理方面,在智能化處理領域的應用主要包括利用深度學習、基于知識庫等先驗信息實現雷達目標的智能檢測、智能跟蹤和智能識別等。在自適應波形設計方面,通過回波信號和其它感知信息自適應優化發射波形,提升雷達性能參數和應對復雜電磁環境的能力。針對干擾和雜波這兩項機載雷達有源探測的重要影響因素,雷達可通過主動對抗和被動對抗等措施提升信息感知能力。主動對抗手段包括自適應調頻、射頻掩護、頻率分集、射頻隱身等,被動手段包括STAP處理、極化、運動特性分析等處理手段和方法[77-79]。在目標識別方面,豐富的多維度信息獲取是實現識別的前提,通過RCS特性、寬帶一維距離像和SAR/ISAR成像等多種手段火控雷達可獲取空中和地面目標多維度信息。

智能化調度方面,通過對環境的動態感知能力和自適應調整發射、接收處理能力,實現干擾對抗和目標信息感知。通過頻譜認知、頻譜學習、頻譜推理和頻譜利用結合的方式,自主根據目標和外部環境特性智能選擇發射信號、工作方式和資源分配[76,80-91]。文獻[76]對比了常規雷達架構和智能化認知雷達處理架構,參見圖12。從架構上可以看出,常規雷達架構只具備信號處理的自適應能力,為開環架構;智能化認知雷達通過各類信息的感知和分析實現發射、接收兩個層級的自適應控制的閉環架構。

圖12 傳統雷達架構和智能化雷達架構對比

機器主導的認知型智能將是未來空戰單體智能的發展方向,群體智能將是未來空中作戰體系的主流形態[14]。未來雷達需要精細化的環境感知能力和自適應的探測工作與處理方案。雷達未來發展必然要以智能化作為突破口,結合人工智能算法在知識積累、知識發現和知識應用方面的優勢,提高雷達功能集成、資源(空、時、頻、能、極化、波形)管控、能力重構、環境認知、信息處理等方面能力,形成雷達智能化感知能力,爭奪戰爭主動權和制信息權,積極應對未來智能化作戰和復雜作戰環境帶來的挑戰,在雷達體制架構、理論和技術上不斷發展演變。

3.6 芯片化

現代戰斗機平臺對載荷重量、體積要求嚴苛,對雷達系統輕量化提出了更高要求。有源相控陣天線中包含大量T/R組件,每個組件均包含功放芯片、放大器、移相器等多種電子元器件。隨著半導體技術發展,單片微波集成電路技術、射頻微機械電子技術技術和集成封裝技術為高性能、高可靠和小型化T/R組件提供了技術途徑[92-96]。

隨著半導體基礎以及先進封裝工藝的發展和驅動,出現了片上天線(AoC)、封裝天線(AiP)、系統級封裝天線(SiP)等新型天線[92,96-97]。

AoC通過半導體材料與工藝將天線與其他電路集成到同一芯片上,但由于使用了相同的材料和工藝,難以使每個類型的電路性能達到最優,導致雷達天線難以達到最優性能。AiP通過封裝材料與工藝,將天線集成在芯片封裝內。相比于AoC,AiP將多種器件與電路集成在一個封裝內,完成片上天線難以形成的復雜功能和特定的系統級封裝,有效避免了半導體襯底的低電阻率帶來的增益損耗問題。SiP采用絕緣襯底上的硅工藝和QFN封裝技術,將片上天線和封裝天線相結合,可實現更高的天線增益,同時體積和重量也得到大幅縮減。

在后摩爾時代,亞微米、納米技術的出現給有源相控陣雷達的發展帶來了新的契機,雷達芯片化技術進步有望將系統微型化、低功耗與可靠性提升至新的高度。

4 結束語

本文通過分析現有主流戰機機載火控雷達能力,結合未來作戰發展趨勢和技術發展趨勢,展望未來機載火控雷達發展。

機載火控雷達發展與作戰使命任務緊密結合。面向未來隱身作戰和無人作戰需求,雷達發展往綜合射頻一體化、協同化、蒙皮化、隱身化和智能化等方向發展。隨著技術進步的推動,機載火控雷達將采用更多的新技術,產生更多的新能力,達到更高的水平。