機(jī)載火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)一體化問題研究

戰(zhàn)立曉，李蕾義，湯子躍，張袁鵬

(1.中國人民解放軍94362部隊,山東 青島 266111；2.空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

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機(jī)載火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)一體化問題研究

戰(zhàn)立曉1，李蕾義1，湯子躍2，張袁鵬2

(1.中國人民解放軍94362部隊,山東 青島 266111；2.空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

現(xiàn)在的戰(zhàn)斗機(jī)都裝載有火控雷達(dá)(FCR)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)(EWS)和無線數(shù)據(jù)鏈等。這些系統(tǒng)都是獨(dú)立工作的，且相互之間很少有信息交換。為有效提高系統(tǒng)的綜合性能，提出了各系統(tǒng)之間的四級融合機(jī)制：初級融合、原始數(shù)據(jù)級融合、分系統(tǒng)級融合、組網(wǎng)級融合。其中前三級融合均基于單個多功能傳感器，最后一級融合基于多功能傳感器組網(wǎng)。四級融合機(jī)制大大提高了雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的效率，顯著提升了系統(tǒng)的整體性能。

戰(zhàn)斗機(jī)；火控雷達(dá)；電子戰(zhàn)；協(xié)作；融合

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)一般都裝載有火控雷達(dá)(FCR)和電子戰(zhàn)(EW)等設(shè)備，通常機(jī)載火控雷達(dá)主要是用來探測和跟蹤對方目標(biāo)，為發(fā)射導(dǎo)彈等攻擊型武器提供目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)及其它參數(shù)；而EW的目的是為了保護(hù)自己，它要全方位全頻段探測對本機(jī)有威脅的目標(biāo)，及時向駕駛員發(fā)出告警，并進(jìn)行電子干擾，破壞對方對己方戰(zhàn)機(jī)的探測、跟蹤和攻擊，所以電子戰(zhàn)要對海、陸、空各種可能的威脅進(jìn)行分析判斷，其告警和干擾不僅針對對方的雷達(dá)還要針對導(dǎo)彈等[1-6]。本文討論的機(jī)載平臺主要指有人戰(zhàn)斗機(jī)，在將來同樣可以擴(kuò)展到無人機(jī)平臺上。

1 主要系統(tǒng)簡介

1.1 火控雷達(dá)

為了對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測，且進(jìn)一步的對空中和地面目標(biāo)進(jìn)行分類，機(jī)載FCR通常工作在有源模式。對雷達(dá)反射回波進(jìn)行信號處理，可進(jìn)一步地提高目標(biāo)的分辨率和定位(距離、方向和速度)能力，從而使其在多目標(biāo)條件下也有良好的性能。但其缺點(diǎn)是發(fā)射的信號容易被對方電子支援措施(ESM)檢測到。

目前，在對抗電子戰(zhàn)系統(tǒng)(EWS)方面，有一種思路是利用具有低截獲概率的離散波形來實(shí)現(xiàn)，但關(guān)鍵問題是如何在保持較高雷達(dá)探測距離的前提下降低截獲概率。由于EWS接收機(jī)和處理機(jī)技術(shù)的進(jìn)步(窄帶數(shù)字多通道接收機(jī)和有效的脈沖解耦和算法)，這個問題更加難以解決。

新型FCR裝備了有源電子掃描天線(AESA)，一般工作在X波段，其帶寬遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的雷達(dá)帶寬，且AESA的角覆蓋范圍在方位和俯仰上都限制在±60°。通常FCR的發(fā)射功率較高(等效全向輻射功率EIRP大于60dBWi)，具有很窄的筆狀波束(一般只有幾度)，且天線增益通常大于30dBi(具體取決于天線尺寸)。由于AESA的靈活性，發(fā)射和接收可以形成不同的輻射方向圖(利用T/R模塊的相位和增益進(jìn)行發(fā)射，利用自適應(yīng)或非自適應(yīng)DBF進(jìn)行接收)。

1.2 電子戰(zhàn)系統(tǒng)

與FCR不同，EWS中的ESM是一種無源隱蔽的傳感器。它通過接收和處理來自雷達(dá)的電磁波，提供對目標(biāo)的探測和精確的角定位，進(jìn)而識別出目標(biāo)上的雷達(dá)。

對于運(yùn)動目標(biāo)，如未知航跡的空中目標(biāo)，目標(biāo)距離由接收信號測得，與雷達(dá)波束導(dǎo)向等因素相關(guān)。但這種距離測量的相對精度只有十分之一。而對于靜止目標(biāo)，如地面固定目標(biāo)，距離測量的精度明顯提高。

因為ESM無法同雷達(dá)一樣利用接收信號的先驗信息，所以ESM接收機(jī)的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雷達(dá)。而且，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，ESM必須區(qū)分來自多個雷達(dá)的發(fā)射信號。接收機(jī)靈敏度越高，來自多個雷達(dá)的不同脈沖的分離越困難。盡管靈敏度較低，但是ESM的探測距離通常比FCR的大，這主要是因為ESM的傳播因子是R-2(單程)，而雷達(dá)的傳播因子是R-4(雙程)。

2 火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)作

最初，F(xiàn)CR和EWS之間是要避免相互干擾的，因此需要通過時間共享來管理規(guī)劃雷達(dá)發(fā)射、雷達(dá)告警監(jiān)視和雷達(dá)ECM。

隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)CR和EW的功能都在不斷擴(kuò)展，而且相互滲透，這就需要統(tǒng)一的管理和數(shù)據(jù)融合，使FCR和EW及其它傳感器協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自的效力又不發(fā)生沖突，既能保存自己又能有效的攻擊對方?；诖?，本文提出了FCR和EWS的四級融合機(jī)制，如圖1所示。

1)初級融合：基于FCR和EWS的數(shù)據(jù)融合的協(xié)作方法，該方法比單獨(dú)使用其中的一個系統(tǒng)性能要好得多。

2)原始數(shù)據(jù)級融合：在初級融合的基礎(chǔ)上，利用FCR和EWS的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信息共享，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

3)分系統(tǒng)級融合：如天線分系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)、接收機(jī)分系統(tǒng)和處理機(jī)分系統(tǒng)。通過共享這些分系統(tǒng)來完成FCR和EWS的功能，其中發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)均使用低相位噪聲發(fā)射機(jī)，接收機(jī)分系統(tǒng)使用高動態(tài)范圍接收機(jī)、多波段接收機(jī)等。

4)組網(wǎng)級融合：利用具有FCR和EWS雙重功能的傳感器，實(shí)現(xiàn)集約而智能的傳感器配置組網(wǎng)，在FCR和EWS兩個系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)資源共享。

圖1 四級融合機(jī)制示意圖

2.1 FCR和EWS之間的時頻共享問題

FCR和EWS之間協(xié)同工作的主要問題是射頻耦合問題，主要包括：戰(zhàn)斗機(jī)上FCR和EWS天線之間的耦合；地面雜波的耦合和大雨導(dǎo)致的水汽現(xiàn)象。因此，四級融合機(jī)制涉及到時間或頻率共享問題。

2.1.1 戰(zhàn)斗機(jī)上天線之間的耦合

這種耦合發(fā)生在FCR天線和EWS天線的旁瓣。假設(shè)所有天線的旁瓣電平接近0dBi，耦合量可以通過g=λ/4πd2估計，其中d是天線之間的距離。

在X波段，當(dāng)天線之間的距離d=5m時，耦合量大約為-70dB。FCR的AESA輻射功率大約為60～70dBm(取決于T/R組件的數(shù)量)，ESM接收的虛假信號的幅度大約在0dBm，因此在FCR脈沖發(fā)射期間，沒有任何RF前期濾波，這種信號導(dǎo)致ESM無法正常工作。

2.1.2 雜波的耦合

地面或空中顆粒反射雷達(dá)信號，導(dǎo)致發(fā)生雜波的耦合。耦合量的大小取決于戰(zhàn)斗機(jī)的高度、FCR天線的傾斜度、地形情況等因素。耦合的發(fā)生可能致使ESM工作異常。

以上問題需要FCR和ESM功能之間進(jìn)行時間或頻率共享來保證這兩個系統(tǒng)的高效可靠工作。

2.2 初級融合

下面通過空中非協(xié)作目標(biāo)識別問題來說明雷達(dá)和ESM系統(tǒng)初級融合的思想。

2.2.1 雷達(dá)非協(xié)作目標(biāo)識別

非協(xié)作目標(biāo)識別方法主要依靠戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)特點(diǎn)，通過提取可識別的噴氣發(fā)動機(jī)調(diào)制(JEM)特征對目標(biāo)進(jìn)行識別。但該方法的缺點(diǎn)是存在模糊識別問題，比如有多架戰(zhàn)斗機(jī)安裝了相同發(fā)動機(jī)的情況。解決的方法是增加一維距離像(RP)分析。通過這種方法可以在一定程度上降低模糊度。

2.2.2 ESM非協(xié)作目標(biāo)識別

ESM可利用雷達(dá)發(fā)射的波形來識別目標(biāo)所在的平臺，但因為一種雷達(dá)可以安裝在不同的戰(zhàn)斗機(jī)上，所以該方法識別平臺也是有模糊度的。

2.2.3 雷達(dá)和ESM的初級融合

雷達(dá)和ESM系統(tǒng)的非協(xié)作目標(biāo)識別的目標(biāo)是以最小的模糊度識別出平臺。因此系統(tǒng)非協(xié)作目標(biāo)識別的主要步驟為：1)由火控雷達(dá)根據(jù)JEM特征判斷出對方戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)的類型；2)火控雷達(dá)對對方戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行一維距離向成像，并對一維距離像進(jìn)行匹配分析；3)由ESM判斷出戰(zhàn)斗機(jī)所裝載的雷達(dá)型號，進(jìn)而綜合對非協(xié)作目標(biāo)識別進(jìn)行識別。

FCR和ESM的初級融合需要兩個系統(tǒng)的通力協(xié)作，且需要兩個系統(tǒng)之間的時間或頻率共享。

2.3 原始數(shù)據(jù)級融合

下面通過空對空作戰(zhàn)和空對地作戰(zhàn)兩個例子來說明原始數(shù)據(jù)級融合的思想。

2.3.1 空對空作戰(zhàn)中的原始數(shù)據(jù)級融合

對于空對空作戰(zhàn)任務(wù)，機(jī)載雷達(dá)裝載在戰(zhàn)斗機(jī)上。利用FCR和ESM兩種傳感器對目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合檢測和分辨。

只有當(dāng)遠(yuǎn)距離發(fā)射信號的雷達(dá)的主瓣照射到ESM，ESM才能對其進(jìn)行探測和識別。在多目標(biāo)情況下，利用角聯(lián)合定位的主要問題是對平臺數(shù)量難以確定，尤其當(dāng)多個平臺安裝同一型雷達(dá)的情況。如果雷達(dá)處于靜默狀態(tài)則ESM無法檢測到。

而FCR是一種有效的多目標(biāo)傳感器(利用距離、多普勒和天線的角選擇性進(jìn)行分辨)，但探測距離比ESM近。因此，如果探測搜索的角域Ω減小，F(xiàn)CR的探測距離將提高。(雷達(dá)探測距離R正比于Ω-1/4)。

所以可以由ESM提供給火控雷達(dá)原始的探測方向。FCR只在一個很小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行探測，性能大大提高。同樣，雷達(dá)可以給EWS提供探測目標(biāo)的數(shù)量及其相關(guān)參數(shù)(距離、角度和速度)，從而大大降低目標(biāo)識別的模糊度，提高目標(biāo)識別的概率。

2.3.2 空對地作戰(zhàn)中的原始數(shù)據(jù)級融合

空對地作戰(zhàn)任務(wù)有很多種，比如對對方空防的壓制。

1)首先，ESM提供給雷達(dá)關(guān)于地面對方雷達(dá)的粗定位，ESM定位的不確定性是一個橢圓。

2)其次，F(xiàn)CR以該粗定位為中心，對所需區(qū)域進(jìn)行SAR成像。SAR圖像的尺寸與EWS的位置精確地匹配。

3)然后，通過對SAR圖像進(jìn)行必要的圖像處理，根據(jù)SAR圖像的特征，火控雷達(dá)對對方目標(biāo)進(jìn)行探測。

4)最后，在FCR的測量坐標(biāo)系中，對目標(biāo)進(jìn)行精確定位。

無論空對空作戰(zhàn)還是空對地作戰(zhàn)，ESM和FCR系統(tǒng)都是相繼工作的，它們之間不涉及時間或頻率共享問題。

2.4 分系統(tǒng)級融合

分系統(tǒng)級融合包括資源的共享和模塊的共享兩部分。

2.4.1 資源的共享

以X波段下ESM靈敏度的提高問題進(jìn)行說明。現(xiàn)在，ESM的靈敏度普遍較低，只有當(dāng)雷達(dá)的主瓣照射到ESM后，才能被探測到。解決辦法是通過把ESM接收系統(tǒng)連接到火控雷達(dá)的高增益AESA上來提高系統(tǒng)性能。這樣，ESM的靈敏度大大增強(qiáng)，但僅僅局限在雷達(dá)AESA的主瓣內(nèi)。

該升級不影響雷達(dá)在主瓣和副瓣內(nèi)的連續(xù)探測，而且可以大大提高ESM的靈敏度?，F(xiàn)在急需發(fā)展一種新的天線掃描策略，擴(kuò)展到頻域和空域中的掃描和處理，經(jīng)典的只利用主瓣和固定頻率的模式已不能滿足要求。

但是這種升級僅僅適用于X波段雷達(dá)，與AESA具有相同的極化。因為ESM系統(tǒng)利用了FCR天線，F(xiàn)CR和ESM之間不涉及時間和頻率的共享問題。

2.4.2 模塊的共享

EWS和FCR之間可以共用以下幾個分系統(tǒng)模塊：1)高增益、寬帶X波段有源陣列帶有多個子陣；2)低/中增益寬帶天線；3)可調(diào)的RF濾波器、RF和IF轉(zhuǎn)換器；4)下變頻和上變頻；5)多模式數(shù)字IF接收機(jī)；6)頻率合成、寬/窄帶波形產(chǎn)生器；7)電源。

這樣既可以減少無用元件的重復(fù)，降低費(fèi)用，又能使其集約化。但要保證同時多功能(雷達(dá)探測、ESM和ECM)，而且要確保整個系統(tǒng)的可靠性。

2.5 組網(wǎng)級融合

人們希望雷達(dá)不僅能夠從飛機(jī)尾部發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而且可以從飛機(jī)側(cè)身方向發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，同樣希望EWS能利用高增益和寬帶AESA?，F(xiàn)在，諸如寬帶AESA和相關(guān)的RF技術(shù)已經(jīng)成熟，因此這種雷達(dá)和電子戰(zhàn)能力也可以實(shí)現(xiàn)。

雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)都可以應(yīng)用寬帶和雙極化AESA，如以下兩個典型的機(jī)上單平臺的例子所示。

2.5.1 無人機(jī)上的組網(wǎng)戰(zhàn)斗電子系統(tǒng)(NCES)

NCES是一個基于無人機(jī)平臺的多功能傳感器組網(wǎng)的例子。

該組網(wǎng)系統(tǒng)包括無人機(jī)平臺、分布式寬帶AESA、相關(guān)的前后RF分系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)該無人機(jī)平臺上的所有的RF功能，如1)360°范圍內(nèi)可精確測角的ESM功能；2)雷達(dá)功能(空對空模式和空對地模式)；3)干擾功能。

該組網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1)多-多功能AESA系統(tǒng)的管理(監(jiān)督、次序、優(yōu)先級管理)。如 360°范圍內(nèi)無源監(jiān)視需要所有邊天線之間的配合，而空對空雷達(dá)跟蹤模式等其它功能可以僅用一個天線工作，與其它天線無關(guān)。2)基于FPGA組件重新配置中間設(shè)備(如數(shù)字接收機(jī)，波形產(chǎn)生器，高速數(shù)字處理機(jī))；3)所有的處理(信號處理、數(shù)據(jù)處理)；4)與平臺的人機(jī)交互界面。

2.5.2 戰(zhàn)斗機(jī)規(guī)避機(jī)動阻止火力目標(biāo)的反擊

載有有源天線的導(dǎo)彈遠(yuǎn)距離發(fā)射時，在導(dǎo)引彈頭鎖定目標(biāo)并自動跟蹤前，需要一個初始的導(dǎo)航，這個初始的導(dǎo)航由FCR跟蹤提供。

導(dǎo)彈發(fā)射后，可通過實(shí)施規(guī)避機(jī)動來避免對方目標(biāo)的反擊。對方戰(zhàn)機(jī)目標(biāo)被跟蹤并且鎖定導(dǎo)彈頭以后才能實(shí)施規(guī)避機(jī)動，即對方戰(zhàn)機(jī)目標(biāo)必須在FCR的視場內(nèi)。一般戰(zhàn)斗機(jī)上的火控雷達(dá)的視場限制在鼻錐前±60°，這導(dǎo)致了己方戰(zhàn)機(jī)仍然可以被對方戰(zhàn)機(jī)FCR檢測到，如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)斗機(jī)規(guī)避機(jī)動阻止火力目標(biāo)的反擊示意圖

如果己方戰(zhàn)機(jī)位于對方戰(zhàn)機(jī)方位角90°方向，那么己方戰(zhàn)機(jī)的多普勒為零，位于多普勒凹口上，此時可以避免被對方戰(zhàn)機(jī)檢測到。所以可以通過升級，在對方戰(zhàn)機(jī)被消滅之前，使方位角一直保持在90°方向。

這種升級要求：1)雷達(dá)跟蹤達(dá)到至少90°，例如可以利用多功能側(cè)視陣列天線。2)無論對方戰(zhàn)機(jī)如何機(jī)動，通過精確導(dǎo)航始終保持己方戰(zhàn)機(jī)處于對方戰(zhàn)機(jī)FCR的多普勒凹口內(nèi)。由于使用相同的多功能寬帶側(cè)視陣列天線，該任務(wù)可以通過ESM對對方FCR的測量來實(shí)施。

不同前面的例子，因為大多數(shù)FCR工作在X波段，所以FCR和ESM系統(tǒng)之間的兼容性問題非常重要。

2.5.3 多協(xié)作平臺上的雙重功能傳感器

利用波達(dá)時間差分技術(shù)(DTOA)的無源目標(biāo)定位是一個雙重功能傳感器有效實(shí)施的多平臺的例子。

單戰(zhàn)斗機(jī)平臺上的ESM系統(tǒng)不能精確測距，實(shí)際上的距離由接收功率來估算，因此誤差比較大。

為了獲得運(yùn)動目標(biāo)的精確的瞬時距離，可以利用需要至少三個協(xié)作平臺的DTOA技術(shù)，如圖3所示。所測對方戰(zhàn)斗機(jī)的火控雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號，需有統(tǒng)一時鐘進(jìn)行記錄標(biāo)記，如用GPS信號進(jìn)行標(biāo)記。

圖3 三協(xié)作平臺DTOA技術(shù)示意圖

所要明確的一個問題是接收到的脈沖信號是否來自同一個雷達(dá)的同一組發(fā)射脈沖，這就需要有良好的靈敏度和分辨性能。ESM通過利用高增益窄波束天線可以達(dá)到這種要求，如戰(zhàn)斗機(jī)鼻錐方向上火控雷達(dá)的AESA。

三個平臺之間的協(xié)作需要數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)鏈也可以用側(cè)視多功能寬帶陣列天線實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

本文討論了戰(zhàn)斗機(jī)上火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)一體化問題。通過火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間的相互協(xié)作，大大提高了戰(zhàn)斗機(jī)上雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的效率。按照協(xié)作程度的遞進(jìn)，依次討論了四種融合機(jī)制：初級融合、原始數(shù)據(jù)級融合、分系統(tǒng)級融合、組網(wǎng)級融合。特別是組網(wǎng)級融合中，火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)協(xié)作可以擴(kuò)展到多協(xié)作平臺。更進(jìn)一步地，火控雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間的相互協(xié)作也可以擴(kuò)展到其它RF功能以及通信領(lǐng)域。■參考文獻(xiàn)：

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高性能的美國無人水下潛航器

2016年12月15日，中國海軍在南海發(fā)現(xiàn)一套不明裝置，為防止其對過往船舶航行安全和人員安全產(chǎn)生危害，本著負(fù)責(zé)任和專業(yè)的態(tài)度將其捕獲并進(jìn)行識別查證，該裝置為美國無人水下潛航器(UUV)。2016年12月20日，中美雙方在南海有關(guān)海域順利完成UUV的移交工作。

這已不是國外UUV第一次出現(xiàn)在中國南海。有關(guān)人士指出，號稱"海底殺手"的UUV具有能淺能深、可遠(yuǎn)可近、攻防兼?zhèn)?、亦單亦群和可主可輔的特點(diǎn)，其作戰(zhàn)功能多樣化，不僅可以是有人作戰(zhàn)平臺的輔助手段，亦可獨(dú)立成軍，很可能成為顛覆未來海戰(zhàn)模式的重要因素。因此，世界各軍事強(qiáng)國高度重視UUV的研發(fā)，美軍處于世界領(lǐng)先地位致力于高性能UUV技術(shù)的研究，其發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)智能化程度更高;2)導(dǎo)航更精確;3)航程更遠(yuǎn);4)下潛更深;5)航行時間更長;6)隱蔽性更高。

Study on the integration of airborne fire control radar and electronic warfare

Zhan Lixiao1, Li Leiyi1, Tang Ziyue2, Zhang Yuanpeng2
(1.Unit 94362 of PLA,Qingdao 266111,Shandong,China;2.Airforce Early Warning Academy,Wuhan 430019,Hubei,China)

Nowadays,fighters are fitted with Fire Control Radar (FCR), Electronic Warfare Systems (EWS), and some radio links. Each of these systems is dedicated to a particular task and cooperation is reduced to a minimal exchange of information between them. Major system performance enhancements are to be expected from close cooperation to other sensors. The future cooperations can be ordered in four stages: junior fusion, primary data fusion, subsystem fusion, and networked fusion. The first three stages lead to a multi-function sensor. The last is the deployment of compact multi-function sensors on a network basis. The four stages greatly improve the efficiency and the performance of the system.

fighter; fire control radar (FCR);electronic warfare (EW);cooperation;fusion

2016-09-13；2016-11-05修回。

戰(zhàn)立曉(1986-)，男，博士，主要研究方向為雷達(dá)成像與電子對抗技術(shù)。

TN97

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