美升級(jí)臺(tái)灣F-16機(jī)載雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)分析

鄒東明，張福福，楊 光，張 栩

（解放軍73158部隊(duì) 福建 廈門 361100）

美升級(jí)臺(tái)灣F-16機(jī)載雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)分析

鄒東明，張福福，楊 光，張 栩

（解放軍73158部隊(duì) 福建 廈門 361100）

文章對(duì)美國(guó)升級(jí)臺(tái)灣F-16機(jī)載多功能雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)行了研究。首先介紹了有源電掃相控陣技術(shù)，該技術(shù)是提高雷達(dá)性能的關(guān)鍵所在。其次對(duì)多普勒銳化和合成孔徑技術(shù)進(jìn)行了深入的討論，研究表明合成孔徑技術(shù)能更好地提高成像效果。最后分析了升級(jí)F-16帶來的不足，說明升級(jí)不能阻止國(guó)家的統(tǒng)一大業(yè)。

有源電掃相控陣；合成孔徑；多普勒波束銳化；雷達(dá)

日前，美國(guó)已決定對(duì)臺(tái)軍裝備的F-16進(jìn)行升級(jí)，總價(jià)約為54萬美元。臺(tái)軍裝備是F-16 A/B型，其裝備雷達(dá)為AN/APG-66機(jī)載多功能數(shù)字化火控雷達(dá)，其體制為：脈沖多普勒、單脈沖、脈沖壓縮、多普勒波束銳化等。如果美對(duì)臺(tái)軍F-16雷達(dá)升級(jí)后，將變成AN/APG-80有源電掃陣列多功能火控雷達(dá)，其體制為：有源電掃相控陣、單脈沖、脈沖壓縮、脈沖多普勒、合成孔徑、自動(dòng)地形跟隨和地形回避等[1]。

通過兩種雷達(dá)的體制對(duì)比，可以看出改進(jìn)的技術(shù)有：電掃有源相控陣（Active Electronically Scanned Array，AESA）[2-4]、合成孔徑[5-7]、自動(dòng)地形跟隨和地形回避。自動(dòng)地形跟隨，是指飛機(jī)按恒定的方向飛行，且飛機(jī)自動(dòng)與下面地形保持恒定的距離。飛機(jī)在低空飛行時(shí)，自動(dòng)避開障礙物的飛行方式，稱之為地形回避。

因此，升級(jí)F-16的關(guān)鍵技術(shù)就是電掃有源相控陣技術(shù)以及合成孔徑技術(shù)。

1 AESA

AN/APG-80雷達(dá)采用的是有源電掃相控陣天線，這是使該雷達(dá)提升性能的關(guān)鍵所在。電掃陣列天線，使戰(zhàn)機(jī)的空空連續(xù)多目標(biāo)跟蹤與截獲、空中格斗、空地跟蹤、武器投放和抗電子干擾能力大大增強(qiáng)。

AESA的每個(gè)輻射器都配裝有一個(gè)發(fā)射/接收 （T/R）組件，每一個(gè)組件都能自己產(chǎn)生、接收電磁波，不需要做機(jī)載式旋轉(zhuǎn)掃描，便能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行不間斷的掃描。

由于通過相位控制天線掃描，因此AESA有許多特出的優(yōu)點(diǎn)：

1）雷達(dá)探測(cè)距離增加 這有兩個(gè)方面的原因：①由于AESA中T/R組件中的射頻功率放大器同天線輻射器緊密相連，這樣就減少了噪聲疊加到信號(hào)上去，使微波能量的饋電損耗較機(jī)載掃描相控陣減少許多。分析表明，這對(duì)于探測(cè)性能有5 dB的提高，相當(dāng)探測(cè)距離增加了35%；②由于T/R組件的數(shù)量大，大量組件輻射的功率在空間相加，可得到相當(dāng)可觀的功率，由于功率增加，使雷達(dá)的探測(cè)距離有很大增加。

2）可靠性增加 由于AESA由數(shù)百仍至上千個(gè)T/R組件組成，因此少數(shù)組件失效對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。有試驗(yàn)表明，10%組件失效時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能影響不明顯；30%組件失效時(shí)，系統(tǒng)增益降低3 dB，不過仍可維持其基本工作性能。

3）同時(shí)多功能 由于AESA可實(shí)現(xiàn)波束瞬時(shí)捷變，使AESA可以時(shí)間分割的方式實(shí)現(xiàn)多功能，能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，相當(dāng)于用一部雷達(dá)完成多部常規(guī)雷達(dá)的功能。AESA可以根據(jù)不同任務(wù)的需求，形成不同形狀的波束?？諏?duì)空工作時(shí)采用窄波束，空對(duì)地工作（如地圖測(cè)繪時(shí)）采用寬波束等。

2 合成孔徑與多普勒波束銳化

合成孔徑技術(shù)是相對(duì)于AN/APG-66中的多普勒波束銳化（Doppler Beam Sharpening，DBS）技術(shù)的提高。這兩種技術(shù)都是用來提高雷達(dá)橫向距離分辨率。

2.1 實(shí)孔徑天線的橫向分辨率

根據(jù)天線理論，實(shí)孔徑天線的橫向分辨率是在一定距離R處對(duì)應(yīng)天線方向圖波束寬度的橫向距離間隔。則橫向分辨率為：

其中，θa是天線波束角。

其中λ是雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)，而L是天線孔徑的長(zhǎng)度。從公式（1）中可以看出，對(duì)于實(shí)孔徑雷達(dá)，橫向距離分辨率與距離成正比，隨著距離的增長(zhǎng)而橫向距離分辨率下降。

2.2 多普勒波束銳化

多普勒波束銳化（DBS），是一種提高分辨率的技術(shù)。DBS是適用于安裝在現(xiàn)代多功能戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)頭中的雷達(dá)的幾種典型工作方式之一。通常這些飛機(jī)的雷達(dá)在以機(jī)頭正前方為中心的扇掃范圍內(nèi)為±π/2弧度，最大波束銳化出現(xiàn)在掃描角度接近±π/2處。當(dāng)波束掃過正前方的0弧度時(shí)波束銳化率降為1。

典型的工作方式為：天線連續(xù)掃描飛行路線一側(cè)或另一側(cè)，或同時(shí)掃描前面兩側(cè)感興趣的區(qū)域。由于積累時(shí)間限制在地面塊出現(xiàn)在天線波束中的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)。

圖1 多普勒波束銳化示意圖Fig.1 Sketch of Doppler beam sharpening

圖1中VR是雷達(dá)載機(jī)的速度，φ為VR與天線波束軸線間的夾角，地面回波信號(hào)的多普勒頻率為：

因此，角度φ越大，多普勒頻率fd越小。在波束寬度里，相鄰兩點(diǎn)（如點(diǎn)1和點(diǎn)2）的間隔很小，多普勒頻率差可以表示為：

Δ fd與角度差Δφ相對(duì)應(yīng)。對(duì)Δ fd的分辨是由多普勒濾波實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過濾波后，多普勒波束銳化的角分辨率為：

其中Ti是信號(hào)積累時(shí)間，與多普勒濾波器的帶寬成反比。因此，可以得到對(duì)應(yīng)的橫向距離分辨率為：

多普勒波束銳化的重要指標(biāo)是波束銳化比，其定義為：

式中φ3dB表示天線的波束角寬度。B表示經(jīng)過多普勒波束銳化后，方位角分辨率提高的倍數(shù)。一般B取16，32，64等，其為FFT的點(diǎn)數(shù)，一般為2的冪。但從式（5）可以看出，多普勒銳化能提高分辨率，但分辨率仍然與距離有關(guān)。

2.3 合成孔徑技術(shù)

合成孔徑是一種更好的提高橫向距離分辨力技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)利用載體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)等效的陣列天線，在載體運(yùn)動(dòng)的過程中，每發(fā)射一個(gè)脈沖，就形成陣列天線中一個(gè)新的天線單元，把相繼發(fā)射脈沖的回波相加，就可合成大陣列天線。為了保證精確測(cè)量雷達(dá)與目標(biāo)之間產(chǎn)生的多普勒頻率，雷達(dá)發(fā)射相干信號(hào)。圖2是合成孔徑的示意圖，雷達(dá)以速度VR向前運(yùn)動(dòng)，每移動(dòng)一個(gè)位置，就發(fā)射一個(gè)脈沖。

圖2 合成孔徑示意圖Fig.2 Sketch of synthetic aperture

合成孔徑的長(zhǎng)度由實(shí)天線的波束寬度決定，而且長(zhǎng)度隨距離的增加而增加。

合成孔徑形成的波束角為：

從圖2中，可以看出合成孔徑的長(zhǎng)度為：

則合成孔徑的橫向距離分辨率為：

可以看出合成孔徑的分辨率與距離無關(guān)，為實(shí)孔徑長(zhǎng)度的一半。這樣，利用合成孔徑技術(shù)可以大大提高橫向分辨率，而且在任意距離上，分辨率相當(dāng)。所以，合成孔徑技術(shù)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于星載、機(jī)載雷達(dá)中，用來進(jìn)行對(duì)地面目標(biāo)、對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行測(cè)繪。

通過上面3種天線的比較可以看出，多普勒波束銳化能提高橫向分辨率，但分辨率仍然同距離有關(guān)，隨著距離的增加而分辨率下降；而合成孔徑技術(shù)能使橫向距離向分辨與距離無關(guān)，只是孔徑長(zhǎng)度的一半，從而大大提高分辨率，是一種比較好的成像技術(shù)。

3 不 足

采用AESA性能要優(yōu)于機(jī)械掃描雷達(dá)，但是耗電量、冷卻需要的換熱量和重量都有相當(dāng)提升，等于是F-16的腦袋上要增加100多公斤重量，為了配平，還需要在尾部加上配重塊，整個(gè)飛機(jī)的自重必須要猛增至少300公斤。因?yàn)轱w機(jī)老舊無法更換新發(fā)動(dòng)機(jī)，所以只能使用舊的F100-PW220E，飛機(jī)的推重比將會(huì)急劇下降，嚴(yán)重影響性能?？梢姡械帽赜惺?。

另一方面，更換雷達(dá)后，整個(gè)航電系統(tǒng)也必須翻新，F(xiàn)-16上目前采用的80年代水平的聯(lián)合式航電根本無法支持這么高級(jí)的雷達(dá)。但是翻新航電系統(tǒng)只會(huì)帶來高額的成本，浪費(fèi)臺(tái)灣民眾的血汗錢。

由此可見，由于臺(tái)軍的F-16是80年代的產(chǎn)品，戰(zhàn)機(jī)的性能已經(jīng)老化，即使進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，也不會(huì)很大提升臺(tái)軍F-16的作戰(zhàn)性能。隨著近年來我國(guó)新進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的相繼投入使用，美升級(jí)臺(tái)軍的F-16戰(zhàn)機(jī)，也不能阻止我們國(guó)家的統(tǒng)一。

4 結(jié) 論

從上面的分析來看，通過關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，可以增加F-16的戰(zhàn)機(jī)的電子設(shè)備性能。但由于F-16已經(jīng)老化，美軍升級(jí)不能阻止我們國(guó)家統(tǒng)一。

[1]中國(guó)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院.機(jī)載雷達(dá)手冊(cè) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

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Key technologies of F-16 upgraded by U.S.A

ZOU Dong-ming， ZHANG Fu-fu，YANG Guang， ZHANG Xu
（Unit73158of PLA，Xiamen361100，China）

The key technologies of upgrade airborne radar of F-16 by U.S.A have been studied in this article.The active electronically scanned array is introduced firstly， which is the key of radar performance.Then， Doppler beam sharpening and synthetic aperture techniques have been discussed.Synthetic aperture techniques can increase imaging effect.Finally，the deficiency of upgrades is analysis.The upgrade can not stop national unification.-

active electronically scanned array； synthetic aperture； doppler beam sharpening； radar

TN 958

A

1674－6236（2012）04-0127-03

2011-12-07 稿件編號(hào)：201112031

鄒東明（1974—），男，江西吉安人，總工程師。研究方向：電子信息系統(tǒng)。