美國海軍艦載相控陣技術發(fā)展綜述

吳小強

(海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)

美國海軍艦載相控陣技術發(fā)展綜述

吳小強

(海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)

綜述并研究了美國海軍在艦載相控陣技術方面的發(fā)展狀況,特別是進入21世紀以來,與艦載雷達功能相關的寬帶有源電掃描相控陣技術的發(fā)展歷程。從美國海軍在寬帶有源相控陣技術方面的大力投入及發(fā)展路線圖來看,在寬帶相控陣天線以及GaN等寬帶大功率固態(tài)器件以及開放式通用信號處理架構的技術推動下,增加無源探測、協(xié)同探測和電子干擾能力已成為艦載相控陣雷達的發(fā)展趨勢。

寬帶有源相控陣; 先進多功能射頻; 綜合桅桿; 協(xié)同探測

0 引 言

上世紀七八十年代起,為滿足美國海軍對艦載系統(tǒng)的功能、運行和互操作能力不斷提高的要求,艦上的電子設備(雷達、通信、電子戰(zhàn)設備等)的數(shù)量持續(xù)增加,從而導致艦艇甲板天線數(shù)目劇增。據(jù)美國海軍研究實驗室(NRL)的數(shù)據(jù),90年代各類大中型艦艇上的天線數(shù)量基本上是80年代的2倍,其結果帶來了電磁兼容、隱身、成本、維護等方面的一系列問題[1]。

在作戰(zhàn)需求層面上,隨著海上及空中反艦導彈、彈道導彈以及各種攻擊型新型飛行器的快速發(fā)展,對艦載雷達預警探測提出的要求越來越高。對美國海軍而言,隨著其全球化戰(zhàn)略的推進演變,對瀕海作戰(zhàn)也提出了更高的要求。

在電子技術和信息技術的層面上,隨著GaAs、GaN、SiC等固態(tài)大功率器件的不斷發(fā)展,其工作帶寬越來越寬,功率越來越大,成本及價格越來越低,極大地推動了固態(tài)寬帶有源相控陣技術的發(fā)展。FPGA等高速高性能信號處理芯片以及商用貨架(Cots)技術的飛速發(fā)展,為寬帶數(shù)字多波束技術、高性能綜合信號處理技術、系統(tǒng)資源調度以及共享硬件資源的多功能、多任務系統(tǒng)技術的發(fā)展奠定了良好的基礎。

上述若干因素為艦載相控陣技術特別是艦載相控陣雷達功能的發(fā)展產生了深遠的影響。本文旨在通過對美國海軍近年來在艦載相控陣技術方面的發(fā)展狀況的探討,為研究分析艦載相控陣雷達技術的發(fā)展趨勢提供參考。

1 典型裝備現(xiàn)狀

1.1 雙波段雷達(DBR)

雙波段雷達(DBR)由兩部雷達組成[2]：一部工作于X波段的AN/SPY-3型多功能雷達(MFR)和一部工作于S波段的AN/SPY-4型立體搜索雷達(VSR)。兩部雷達均采用有源固態(tài)相控陣體制,每個波段3個陣面,其中AN/SPY-3每個陣面為5312個單元。

AN/SPY-3雷達的主要工作模式是掃描時的水平線搜索/跟蹤、水面搜索/導航、潛望鏡檢測和辨別以及環(huán)境繪圖。在交戰(zhàn)期間,AN/SPY-3雷達還執(zhí)行目標精確跟蹤、己方導彈跟蹤/制導、導彈通信和目標照射。VSR主要工作模式是連續(xù)的立體搜索、精確跟蹤和環(huán)境繪圖。在資源管理器的指令下,幾個模式能夠被不同波段執(zhí)行,如有限區(qū)域的立體搜索、精確跟蹤或目標截獲。其作戰(zhàn)模式如圖1所示。

DBR同時工作于兩個電磁頻段(X和S頻段),首次實現(xiàn)了用一個資源管理器協(xié)調兩個頻率的操作。DBR具備無源搜索和跟蹤能力,在該種模式下工作時無電磁輻射,紅外輻射也很低,具有很好的隱蔽作戰(zhàn)能力。DBR在波形級對每一部雷達進行控制,可以對兩個頻段進行綜合優(yōu)化利用,使雷達時間線的使用達到最大化,雷達可以根據(jù)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。

圖1 雙波段雷達DBR的作戰(zhàn)模式

DBR主要裝備美國海軍DDG-1000型“朱姆瓦爾特”級驅逐艦和CVN-78型“福特”級航母。其在DDG-1000驅逐艦和CVN-78航母上安裝示意圖見圖2[3]。

1.2 空中和導彈防御雷達(AMDR)

空中和導彈防御雷達(AMDR)是由雷聲公司為美國海軍FlightⅢ阿利·伯克級驅逐艦(DDG-51)開發(fā)的,包括1部S波段雷達(AMDR-S)、1部X波段雷達(AMDR-X)和1部雷達套件控制器(RSC)[4-5]。AMDR將為阿利·伯克級驅逐艦增加檢測范圍和識別準確度。圖3給出了AMDR的概念示意圖。

圖2 雙波段雷達DBR在DDG-1000驅逐艦和CVN-78航母上安裝示意圖

圖3 DDG51 FlightIII上AMDR概念示意圖

空中和導彈防御雷達(AMDR)將彌補海上空中及導彈防御聯(lián)合部隊(MAMDJF)初始能力文件中確定的能力差距,提供了下一代綜合空海防御能力(IAMD)以應對空中及彈道導彈威脅的并發(fā)襲擊。

據(jù)美國海軍海上系統(tǒng)司令部項目執(zhí)行辦公室綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)(PEO IWS)官員在水面海軍協(xié)會2014年研討會上介紹,未來的AMDR可能要增加電子攻擊能力,該功能可能使用基于大功率GaN的有源電子掃描陣列(AESA)來執(zhí)行完成。類似的功能已經在機載AESA雷達上實現(xiàn),如安裝在洛克希德·馬丁公司的F-22猛禽戰(zhàn)斗機上的諾斯羅普·格魯門公司的AN/APG-77多功能雷達已經具備電子攻擊能力。在未來,洛克希德的F-35和波音公司F/A-18E/F和EA-18G也將獲得諾斯羅普AN/APG-81和雷聲AN/APG-79雷達類似的功能。

1.3 先進的多功能射頻概念(AMRFC)

先進的多功能射頻概念(AMRFC)是針對上世紀90年代以來艦艇電子設備持續(xù)增加、甲板天線數(shù)量劇增所帶來的電磁兼容、隱身、成本、維護等方面的一系列問題。為解決這一難題,美國海軍及相關工業(yè)部門提出了在寬帶有源相控陣體制上實現(xiàn)電子設備的雷達、通信、電子戰(zhàn)等多功能、多任務綜合一體化設計的概念[6-8]。AMRFC的功能示意圖如圖4所示。

1997年,由美國海軍研究辦公室(ONR)發(fā)起,在佛羅里達州召開了一次寬頻帶射頻科技研討會。會上,工業(yè)界與會者就寬頻段技術在多功能射頻系統(tǒng)中的應用、寬頻帶雷達系統(tǒng)、寬頻帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)、寬頻帶通信系統(tǒng)以及支撐多功能射頻系統(tǒng)未來應用的光電技術等進行了廣泛、深入的討論。在此基礎上,開始了AMRFC計劃。該計劃由ONR資助,海軍研究實驗室(NRL)牽頭實施,主要合同商包括洛克希德·馬丁公司(Lockheed-Martin)、諾斯羅普·格魯曼公司(Northrop Grumman)、雷聲公司(Raytheon)和通用動力公司(General Dynamics)等。

圖4 AMRFC系統(tǒng)工作示意圖

AMRFC的目的是演示把雷達、電子戰(zhàn)和通信等多種艦載功能在一組共用的天線陣、信號處理和顯示設備上進行綜合的能力。為了演示這種新概念的可行性,2004年美國海軍研制出一種AMRFC測試床(Test Bed),以驗證以上列出的AMRFC計劃和目標。AMRFC測試床選擇了6～18 GHz這一關鍵超寬帶頻段,并采用寬帶有源相控陣體制,使用獨立的接收陣和發(fā)射陣,在共用6～18 GHz綜合射頻孔徑、波形發(fā)生與發(fā)射、核心系統(tǒng)軟件、綜合射頻軟件等條件下,完成了對通信、電子戰(zhàn)和雷達功能的演示和驗證。

1.4 綜合桅桿技術(InTop)

“綜合桅桿”(InTop)技術是繼AMRFC項目實施之后,美國海軍研究辦公室(ONR)創(chuàng)立的另一項極具創(chuàng)新性的海上項目,其目的是為了發(fā)展一套具備電子戰(zhàn)(EW)、信息作戰(zhàn)(IO)、雷達以及通信功能,并能持續(xù)動態(tài)升級,以適應海軍各級艦船及潛艇的綜合一體化多功能系統(tǒng)。InTop將具有開放式、模塊化和可縮放三大特點,可以無縫集成到新平臺的設計和結構中,且可以根據(jù)未來新的作戰(zhàn)要求進行動態(tài)升級。InTop系統(tǒng)的主要應用方向為新造艦艇,但也適用于集成或替換老式平臺上的現(xiàn)有系統(tǒng)[9]。

InTop項目的主要目標有：

(1) 開發(fā)、集成和演示驗證多種新型孔徑和分系統(tǒng),采用模塊化、可縮放的開放式體系架構,支持多功能射頻任務；

(2) 通過共享資源的分配管理(RAM),演示驗證多個艦載射頻功能應用的集成和協(xié)調控制,優(yōu)化射頻頻譜設計和硬件設計；

(3) 與美國海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)合作,開展艦船創(chuàng)新設計,采用InTop一體化傳感器/通信系統(tǒng),優(yōu)化艦船的尺寸設計和性能。

圖5示出了InTop的概念原型。

圖5 綜合桅桿(InTop)的概念原型

2011～2013三個財年,美國海軍計劃共投資約1.5億美元用于InTop項目的研究,主要的研究內容包括：

a. 開發(fā)支持潛艇電子戰(zhàn)能力的寬帶衛(wèi)星通信陣列天線；

b. 開發(fā)用于支持水面艦艇的電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內通信的寬帶陣列天線；

c. 開發(fā)面向寬頻帶、多波束、多波段陣列的結構、標準和器件；

d. 開發(fā)支持其他射頻功能的寬頻帶水面艦艇通信陣列；

e. 開發(fā)企業(yè)級通用資源分配管理器；

f. 開發(fā)全數(shù)字陣列雷達以演示相參雷達網絡化和控制的先進概念。

1.5 TRS-4D的有源相控陣技術

2013年底,F125級護衛(wèi)艦TRS-4D海上雷達在北海和波羅的海通過工廠驗收測試[10]。這種雷達將配備在德國海軍F125級護衛(wèi)艦。與傳統(tǒng)雷達相比,TRS-4D雷達采用基于氮化嫁(GaN)的有源相控陣(AESA)技術,處理精度更高、速度更快、目標范圍更廣,可有效應對不對稱威脅。在測試中,TRS-4D展示了極高的探測精度,特別是針對無人機、導彈和潛望鏡等小型目標。2014年,首套雷達系統(tǒng)將安裝于首艦“巴登·符騰堡”號上。TRS-4D采用有源相控陣雷達技術,可安裝在中小型水面艦艇上,F-125型上裝有4面固定陣面,利用電子控制波束。

2 發(fā)展趨勢

本文綜合介紹了美國海軍主導發(fā)展的幾個主要項目,面向DDG-1000型驅逐艦和CVN-78型福特級航母的雙波段雷達、Flight Ⅲ的阿利·伯克級驅逐艦的空中和導彈防御雷達、多功能綜合射頻概念以及綜合桅桿技術。通過對美國海軍近十幾年來在艦載相控陣雷達技術方面提出的主要概念、重點投入發(fā)展的主要項目及路線圖可以看出以下幾個趨勢[11]：

(1) 采用固態(tài)有源相控陣體制已成為未來艦載雷達的發(fā)展趨勢,適應了多功能、多任務、平面化、隱身等發(fā)展需求。

(2) 將低波段和高波段等不同波段的多部雷達或陣面進行綜合調度管理,也是未來艦載雷達的發(fā)展趨勢,可以進一步合理使用全艦雷達資源并提升全艦雷達對威脅目標的綜合探測能力。

(3) 采用寬帶固態(tài)有源相控陣體制的雷達、電子戰(zhàn)、通信等多種電子設備將推動全艦平面化綜合桅桿的設計與發(fā)展,如何更合理地使用好全艦相控陣陣面資源并提升全艦包括雷達功能在內的電子戰(zhàn)及通信的綜合作戰(zhàn)能力,是需要進一步研究的課題。

(4) 隨著GaN等寬帶固態(tài)有源器件和超寬帶相控陣天線的飛速發(fā)展,以及雷達、電子干擾等多功能在F-22等機載寬帶有源相控陣雷達設備上成功應用,將雷達功能和電子干擾功能相結合已成為未來艦載相控陣雷達技術的發(fā)展趨勢。寬帶固態(tài)有源相控陣技術具有很多優(yōu)勢,可以綜合解決艦艇平臺上天線林立、電磁兼容、操作維護、隱身、多功能、多任務等一系列問題,是未來艦艇電子裝備的重要發(fā)展方向。

(5) 基于相控陣射頻資源的協(xié)同探測技術?；谙嗫仃嚿漕l資源實現(xiàn)海上編隊傳感器跨平臺協(xié)同探測,提升“四抗”能力,為協(xié)同作戰(zhàn)提供目標信息支撐,是未來重要的發(fā)展趨勢[12]。

[1] William J Fontana, Karl H Krueger. AN/SPY-3: The Navy’s Next-generation Force Protection Radar System [C]. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003, 594-603.

[2] Alan L Tolley, John E Ball. Dual-band Radar Development: From Engineering Design to Production [J]. Leading Edge, 2010, 7(2): 52-61.

[3] Ronald O’Rourke. Navy DDG-51 and DDG-1000 Destroyer Programs: Background and issues for Congress [R].US Congressional Research Service, 2012.2:19-23.

[4] RDML Jim Syring. Balancing Capability and Cvapacity[C]. ASNE Combat Systems Symposium, 2012.3.

[5] Raytheon Company. AMDR: Raytheon Wins EMD Competition for the USA’s Next Dual-Band Radar, 1-12-2014.

[6] Dave Majumdar, Sam LaGrone. Navy’s Next Generation Radar Could Have Future Electronic Attack Abilities, USNI,1-17-2014.

[7] Tavik C G, Hilterbrick CL, Evins J B, et al. The advanced multifunction RF concept [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3):1009-1020.

[8] Graaf J, Clancy J, Brockett S, et al. Transmit/Receive isolation and ERP measurements of the AMRFC testbed [C]. IEEE conference on Radar, 2006: 565-572.

[9] NRL, Integrated Topside (InTop) Joint Navy-Industry Open Architecture Study, 10-09-2010.

[10] 《外國海軍武器裝備發(fā)展2013年度報告》編寫組.外國海軍武器裝備發(fā)展2013年度報告[M].海軍裝備研究院科技信息研究所,2014.

[11] Larry Schuette. ONR Technology Strategy: Today and Tomorrow for PEO-IWS, 12-13-2011.

[12] 羅軍,李庶中,黃孝鵬.海用雷達協(xié)同探測系統(tǒng)發(fā)展研究[J].先進雷達探測技術,2013(5).

An overview on development of shipborne phased array technologies of U.S. Navy

WU Xiao-qiang

(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

The development of the shipborne phased array technologies of U.S. Navy is studied and discussed, especially the wideband active electronically scanned phased array technology related to the shipborne radar functions since the 21st century. From the great effort and development route map of the wideband active phased array technologies of U.S. Navy, it can be seen that driven by the wideband phased array antenna, GaN and other wideband high-power solid-state components, and open architecture of universal signal processing, passive detection, cooperative detection and ECM capability have been the development trends of the shipborne phased array radar.

wideband active phased array; AMRFC; InTop; cooperative detection

2014-10-20

吳小強(1971-)，男，工程師，研究方向：雷達總體技術。

TN958.92

A

1009-0401(2014)04-0001-04