艦載火控雷達的發(fā)展

金永明

（海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室）

0 引言

艦載火控雷達是一種精密跟蹤雷達，是一種能將戰(zhàn)術目標跟蹤信息與火炮武器、導彈武器、信息化武器聯(lián)系在一起的雷達，主要包括導彈制導雷達和炮瞄雷達，在雷達領域和現(xiàn)代艦艇防御系統(tǒng)中占有重要的地位。

1 艦載火控雷達的發(fā)展

艦載火控雷達的發(fā)展與目標特性的變化、武器系統(tǒng)的發(fā)展、作戰(zhàn)環(huán)境的日益復雜以及新式作戰(zhàn)方式的生成密切相關。

為了滿足對付隱身高速等各類高威脅目標、適配新型作戰(zhàn)武器、保證復雜條件下的目標跟蹤能力、支持協(xié)同作戰(zhàn)等方面的需求，未來艦載火控雷達的戰(zhàn)術性能發(fā)展呈現(xiàn)出以下4個趨勢[1-2]。

1.1 向適應三高一低目標跟蹤的方向發(fā)展

艦載火控雷達必須具備抗擊高倍音速、高隱身、高機動、超低空飛行的新一代反艦導彈、反輻射導彈以及垂直攻擊的精確制導炸彈、非對稱作戰(zhàn)中低小慢目標等多樣化威脅手段的能力。

彈道導彈是現(xiàn)代防空系統(tǒng)的重要威脅，由于艦艇易于實現(xiàn)編隊式前沿部署，在彈道導彈的上升段就可以完成探測，進而贏得充足的反應時間，故?；磳到y(tǒng)是彈道導彈防御的有效方式。艦載火控雷達的反導功能需具備精確探測、跟蹤能力，目標識別能力及摧毀打擊效能評估能力。

艦載火控雷達在進行低空探測時，近海雜波信號會嚴重影響雷達的探測能力，其分布形式復雜多變，較為典型的包括對數正態(tài)分布、瑞利分布、K分布、韋布爾分布等，目前主要根據雜波分布的先驗知識形成先進算法以抑制近海雜波,近海雜波抑制已成為艦載火控雷達實現(xiàn)低空探測亟須解決的關鍵技術之一。毋庸置疑，艦載火控雷達近海強雜波下的作戰(zhàn)能力亟需提高[3]。

1.2 向多功能、多維域、多源綜合化發(fā)展

發(fā)展快速、精準火控雷達，搜索、跟蹤、火控解算、制導、識別、評估一體化設計，發(fā)展具備同時多任務、同時多波束、多功能動態(tài)重構——即“兩同一重構”的多目標探測能力，滿足未來高精度定向能武器、信息化彈藥火炮武器、中近程防空導彈武器等精確打擊武器的需求；利用多維域信息、多源傳感器管理和信息綜合，保證全天候、復雜電磁環(huán)境下的精密跟蹤能力。

由于艦船的空間有限，故艦載火控雷達未來發(fā)展趨勢是集搜索、跟蹤、目標指引、火控、制導、識別等多功能于一體的同時多任務、同時多波束、多功能動態(tài)重構綜合化電子平臺。相控陣作為近年來發(fā)展最為迅猛的雷達技術，是實現(xiàn)以上多功能集成的有效途徑。多功能集成化相控陣雷達系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：易于實現(xiàn)系統(tǒng)資源合理分配調度、可靠性高、易于實現(xiàn)共形設計、抗干擾性能優(yōu)越等。相控陣技術與DBF技術相結合，可實現(xiàn)多波束多發(fā)多收、干擾自適應置零，從而在實現(xiàn)多任務共同進行的同時，大幅度提高雷達在日益復雜的電磁環(huán)境下的抗飽和電磁干擾能力，成為相控陣雷達的發(fā)展方向。

1.3 向提高環(huán)境適應性、抗干擾方向發(fā)展

發(fā)展感知海上環(huán)境技術和目標特性技術，采用動態(tài)配置方式調整工作模式和參數，適應環(huán)境，并對目標進行最佳匹配，在復雜干擾環(huán)境下保證雷達對目標的持續(xù)、精密跟蹤，以保證武器的命中概率。

雷達利用天線向空間輻射高功率發(fā)射信號，對回波信號進行處理從而實現(xiàn)全天候實時目標探測，敵方對雷達發(fā)射信號進行實時偵收，由此確定該雷達的發(fā)射信號，定位其基地位置，進而對該雷達實現(xiàn)人為干擾，甚至是摧毀性打擊。戰(zhàn)爭實踐表明，獲取準確的空中情報信息，關系到整個防空作戰(zhàn)的最終勝負[4]。

1.4 向協(xié)同探測和協(xié)同武器控制方向發(fā)展

探測系統(tǒng)的預警時間隨著探測目標的隱身技術和低空突防技術變的越來越短，艦載火控雷達系統(tǒng)面對現(xiàn)代戰(zhàn)場全方位、高密度的飽和電磁攻擊，其搜索跟蹤功能和火控制導功能只有實現(xiàn)傳感器至武器的高效互聯(lián)，才能完成作戰(zhàn)任務。

在協(xié)同作戰(zhàn)方式下，通過多平臺傳感器協(xié)同探測，共享擴大探測范圍，可以更快、更可靠、更精確地發(fā)現(xiàn)目標，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即打擊能力；火控雷達數據共享，增強對作戰(zhàn)空間的一致性理解，支持火力協(xié)同打擊功能，網內任一火力單元可利用其他單元火控雷達的數據進行射擊，以實施最佳的打擊方案；在干擾條件下，多傳感器的組合可維持戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

2 艦載火控雷達的特點

隨著新技術和新材料的發(fā)展，艦載火控雷達技術發(fā)展具有智能化、隱身化、通用化、網絡化、數字化等特點。

2.1 智能化

發(fā)展認知技術，對場景和電磁環(huán)境特征檢測，通過系統(tǒng)配置來提高雷達系統(tǒng)在復雜環(huán)境下探測、跟蹤與識別目標的性能。

雷達利用多維處理，可以在時間、頻率、幅度，包括空域和極化域等多域實現(xiàn)信號檢測、定位，信號處理系統(tǒng)根據回波信號和干擾/雜波信號在幅度、到達時間、方向、極化、多普勒頻率等各方面的差異，進而實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下的目標信息提取，大幅提高系統(tǒng)抗干擾能力。具有成像能力的超寬帶雷達，利用其對目標散射特性的探測能力，可大幅提高雷達目標分類識別能力。此外，利用紅外、可見光、ESM等探測信息作為雷達探測的補充,將以上獲得的信息進一步融合，所得到的不同域交叉信息，可明顯提高雷達在復雜電磁環(huán)境下提高其檢測能力[5]。

2.2 隱身化

艦艇平臺隱身設計已成為艦載火控雷達的發(fā)展趨勢。眾所周知，天線作為輻射源，直接降低了艦艇平臺的隱身性能，而現(xiàn)階段艦艇上布置的各類天線大多未考慮與艦體的共形設計；另一方面，現(xiàn)階段在役的艦載火控雷達大多未采用LPI設計，其發(fā)射信號極易被偵收，故提高艦艇平臺隱身設計已成為亟待解決的問題。此外，艦載火控雷達間、艦載火控雷達與其它電子系統(tǒng)間的電磁兼容問題已成為制約艦載電子系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的關鍵因素。

現(xiàn)代雷達隱身化設計主要采用與武器平臺共形技術和天線隱身技術，支持武器平臺和艦體平臺的隱身設計；采用擴譜波形和電磁能量控制管理實現(xiàn)雷達低截獲（LPI）的射頻隱身；實現(xiàn)多功能雷達系統(tǒng)一體化設計，實現(xiàn)集搜索、跟蹤、目標指引、火控、制導、識別等多功能于一體的同時多任務、同時多波束、多功能動態(tài)重構綜合化電子平臺，從而減少天線的數量，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)與作戰(zhàn)平臺的共形設計，從而有效提高艦載電子系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

2.3 通用化

實現(xiàn)多平臺、多頻段火控雷達的通用化、小型化與統(tǒng)一優(yōu)化設計，使其具有較強的多平臺適裝能力和維護能力；采用軟件化思想，硬件具有開放性，通過軟件配置使雷達具有較強的功能擴展性。

雷達系統(tǒng)的發(fā)展依賴于軟件和硬件的同時發(fā)展，同時以軟件發(fā)展推動硬件的性能提升，以硬件的發(fā)展促進軟件的功能優(yōu)化，相互促進，加快雷達技術的高速發(fā)展。通用化雷達的特點在于：使雷達系統(tǒng)具有高度的標準化，可擴展，多粒度，解耦合等優(yōu)點；大大縮短研制周期，降低研制成本，減少研制人員；使雷達技術的發(fā)展更加依賴于雷達相關技術，算法本身。

2.4 網絡化

利用編隊行動的艦艇內安置的眾多傳感器可按需求構成網絡化分布式雷達系統(tǒng)，用于應對隱身目標和電磁干擾，此外，多傳感器融合還可大幅提高探測精度及對目標的發(fā)現(xiàn)概率。網絡化分布式雷達系統(tǒng)在反隱身平臺方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，目前隱身飛行器的作用機理在于依靠縮減鼻錐方向的RCS，該參數隨收、發(fā)基地角變化而變化,故可以達到反隱身效果。目前，隨著空間、時間、相位同步等關鍵技術得到突破，網絡化分布式雷達技術在新型雷達發(fā)展中得到了愈發(fā)廣泛的應用。網絡化分布式雷達系統(tǒng)間的數據級和信號級的融合技術在近年來也得到了蓬勃發(fā)展：其中數據級融合在降低航跡起始時間、提高系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率、提高航跡精度等方面具有獨特的優(yōu)勢；信號級融合可以大幅度提高雷達探測距離。但隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日益復雜，艦載分布式雷達仍需解決動數據配準、數據關聯(lián)、平臺同步、濾波估值、數據傳輸等問題。

利用多部雷達組網協(xié)同工作，網絡信息綜合分發(fā)、處理和應用，實現(xiàn)空、時、頻、極化、信息等各種資源的最大化利用效率，提升探測跟蹤性能，提高抗反輻射導彈和抗干擾的能力，從而提升武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

2.5 數字化

隨著國內外器件水平的不斷發(fā)展與進步，數字化在射頻前端的應用愈發(fā)廣泛，在此基礎上的先進信息處理技術和軟件無線電技術也得到了推廣與應用。數字化雷達系統(tǒng)可以提高探測系統(tǒng)對資源整合利用、自由調度的能力，并在提高探測系統(tǒng)的自適應抗干擾性能、動態(tài)性能、可重構性等方面發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)階段，MIMO、STAP、SIAR等新研技術在數字化雷達系統(tǒng)提高低截獲、抗干擾、反隱身能力方面具有巨大的發(fā)揮空間。目前，SOC、MMCM、 MMIC和ASIC等芯片級組裝技術的發(fā)展制約著數字化雷達系統(tǒng)的發(fā)展。故進一步開展高性能器件的研發(fā)和芯片級組裝技術的研究對于數字化雷達系統(tǒng)的發(fā)展至關重要。

3 艦載火控雷達技術展望

現(xiàn)代艦載火控雷達構架呈現(xiàn)為四化：探測分布化、平臺一體化、流程智能化、協(xié)同體系化[6]。

（1）探測分布化

利用艦艇表面空間集成分布式孔徑，多孔徑間進行MIMO處理。探測分布化設計可增大孔徑面積，改善可觀測目標的發(fā)現(xiàn)能力；系統(tǒng)自由度增大，改善系統(tǒng)的抗雜波、抗干擾能力，尤其對非均勻雜波的抑制能力；并且對單個孔徑的增益要求降低，可增加系統(tǒng)的帶寬，有望實現(xiàn)雷達、通信、偵察一體化。

（2）平臺一體化

通過將雷達與平臺一體化設計，實現(xiàn)雷達與平臺設計的優(yōu)化權衡。主要包括以下幾個方面：利用平臺表面面積，拓展天線口徑；與艦艇結構一體化，減小整機重量；與艦艇表面一體化，提高隱身性能。

（3）流程智能化

通過對目標、地理環(huán)境、電磁環(huán)境的自適應認知，智能地調整雷達視場、發(fā)射波形、能量和處理方法。流程智能化具有改善抗干擾和反雜波性能，提高雷達探測能力的巨大潛力。

（4）協(xié)同體系化

通過各類數據鏈將多個作戰(zhàn)平臺鏈接在一起，能夠實現(xiàn)各平臺雷達之間的優(yōu)勢互補，構成全方位、立體化、多層次的作戰(zhàn)體系；同時能夠實時、全面、主動獲取探測區(qū)域的目標信息，為各類作戰(zhàn)平臺武器系統(tǒng)實現(xiàn)精確打擊提供有力的支持[7]。

未來科技發(fā)展，微系統(tǒng)和光電子將成為推動相控陣雷達變革的兩項關鍵技術。

以微/納米級的設計和制造技術為基礎的微系統(tǒng)技術，集成了微電子、光電子、微機電等多種器件。主要優(yōu)勢在于：應用于天線陣面中可確保輕薄化、可重構、低成本；應用于后端處理可獲取更高的傳輸帶寬和運算能力。

微系統(tǒng)技術在艦載火控雷達中典型應用主要包括：基于 MEMS技術的各微波芯片可實現(xiàn)支撐陣列技術的重構化、寬帶化；微系統(tǒng)高密度三維集成技術實現(xiàn)天線重量密度級減小，后端平臺處理能力量級提升；寬禁帶半導體技術提高陣面功率及效率；微納熱控技術實現(xiàn)高效率散熱。

光電子技術在艦載火控雷達領域的應用除了傳統(tǒng)的定時、控制信號，特別是大量波束控制信號與數據信號傳輸外，在微波領域的應用主要特點是：產生更高頻譜純度的信號，易于實現(xiàn)大瞬時帶寬；在陣列寬帶掃描、多波束形成方面的優(yōu)勢明顯。

在艦載火控雷達發(fā)射信號的分配網絡中，光電子技術主要用于：簡化發(fā)射信號功率分配網絡的結構設計、提高功率分配系統(tǒng)對溫度變化的穩(wěn)定性、降低對EMI的響應及通道間的信號串擾、降低對大陣列系統(tǒng)的頻蔽/接地要求。

用光纖實現(xiàn)本振信號分配網絡的方式與發(fā)射信號的分配網絡相同，由于功率電平較低，更易于實現(xiàn)、采用光纖實現(xiàn)接收多波束形成網絡。故在相控陣雷達接收陣數字波束形成網絡中光電子技術的應用主要在于：本振信號的功率分配網絡與傳輸、第二本振信號與中頻參考信號的分配網絡與傳輸[8]。

由于接收信號的動態(tài)范圍較寬，需考慮接收信號通道中光纖傳輸的動態(tài)范圍。實現(xiàn)該動態(tài)范圍，主要采用以下兩種方式：利用光纖延時線取代微波移相器實現(xiàn)雷達信號的相位轉換；利用光纖實現(xiàn)實時延時線，解決天線陣瞬時寬帶信號工作能力問題。

4 總結

我國相控陣雷達技術發(fā)展現(xiàn)階段已達到了國際先進水平，目前艦載火控雷達基本可完成空海遠中近程作戰(zhàn)任務。亟待發(fā)展的新一代艦載火控雷達應根據國際新型號雷達的關鍵技術，廣泛吸收相關學科的最新研究成果，加強多功能雷達系統(tǒng)一體化技術的研究，提高雷達低截獲性能，加強雷達抗有源、無源干擾能力，普及應用新型半導體技術和數字化技術。我國艦載火控雷達未來發(fā)展重點在于進一步提升自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)探測分布化、平臺一體化、流程智能化、協(xié)同體系化，重點解決多任務下的資源整合、復雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境下的抗雜波和干擾、近地海高/低速小目標檢測、雷達隱身、智能化識別等問題，從而有效提升艦載火控雷達在日益復雜電磁作戰(zhàn)環(huán)境下的工作效能。

[1]李可達.現(xiàn)代雷達基本抗干擾技術[J].航天電子對抗,2004,20(2):15-19.

[2]蔣勇.黃雙華搜索雷達抗干擾效果評估[J].艦船電子工程,2005,25(3):113-116.

[3]陳德煌,陳萬美.F-22戰(zhàn)斗機的綜合航空電子系統(tǒng)[J].電光與控制,2003,10(1):50-53.

[4]呂連元,龔金楦.綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)[C].北京:電子科學院,1994.

[5]張錫祥.新體制雷達的對抗與發(fā)展及其干擾統(tǒng)一方程[C].航天電子信息配套發(fā)展戰(zhàn)略論壇論文集,2005.

[6]張光義.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[7]張明友.數字陣列雷達和軟件化雷達[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[8]楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.