機(jī)載多功能綜合射頻一體化發(fā)展研究

薛 慧,張 昊

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

工程與應(yīng)用 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.014

機(jī)載多功能綜合射頻一體化發(fā)展研究

薛 慧,張 昊

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

本文在分析了當(dāng)前美俄等國(guó)際機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)裝備基礎(chǔ)上，結(jié)合法國(guó)、英國(guó)和挪威等國(guó)家開(kāi)展的主要研究項(xiàng)目，總結(jié)了機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)主要技術(shù)途徑，并對(duì)單平臺(tái)及多平臺(tái)間的雷達(dá)、ESM和ECM等系統(tǒng)的協(xié)同探測(cè)應(yīng)用開(kāi)展了調(diào)查研究。

綜合射頻；一體化；協(xié)同探測(cè)；雷達(dá)；ECM

0 引 言

現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)要求新型戰(zhàn)斗機(jī)具有多種作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)功能，各作戰(zhàn)平臺(tái)上不可避免的裝備多型雷達(dá)、電子戰(zhàn)(EW)、通信等電子設(shè)備。電子系統(tǒng)的增加直接導(dǎo)致了平臺(tái)上天線數(shù)目急劇增多，帶來(lái)一系列問(wèn)題，如電磁兼容、RCS增大、維護(hù)困難等。

隨著有源相控陣陣列(AESA)、開(kāi)放式架構(gòu)和數(shù)字處理技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)載多功能綜合射頻一體化逐漸成為未來(lái)機(jī)載電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。機(jī)載多功能綜合射頻一體化系統(tǒng)擬采用共用設(shè)計(jì)，擺脫傳統(tǒng)的分散、獨(dú)立、專(zhuān)用的射頻鏈路設(shè)計(jì)，將一體化推進(jìn)至天線及射頻前端，基于盡可能少的綜合射頻模塊構(gòu)建一個(gè)兼具態(tài)勢(shì)感知、電子對(duì)抗(ECM)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多功能的一體化綜合射頻系統(tǒng)，可顯著降低機(jī)載航電系統(tǒng)的重量、尺寸、功耗和成本等，可動(dòng)態(tài)分配系統(tǒng)資源、快速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功能，從而縮短系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，提升作戰(zhàn)能力。

多功能綜合射頻系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是當(dāng)前發(fā)展技術(shù)難點(diǎn)，即寬帶/超寬帶多功能相控陣天線技術(shù)。超寬帶相控陣天線的大帶寬和靈活波束捷變能力，可為相控陣?yán)走_(dá)集成電子支援(ESM)、電子對(duì)抗(ECM)、高速數(shù)據(jù)鏈通信等功能提供條件，并提高雷達(dá)的對(duì)地/對(duì)海目標(biāo)檢測(cè)、高分辨率成像、目標(biāo)分類(lèi)和識(shí)別能力，解決地面/海面靜止目標(biāo)和慢目標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題，及抗干擾能力。在該方面，美國(guó)空軍、DARPA、法國(guó)泰勒斯集團(tuán)、英國(guó)Selex公司以及俄羅斯季霍米洛夫儀器研究所(NIIP)等相關(guān)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量研究工作[1～4]。

1 裝備現(xiàn)狀

據(jù)現(xiàn)有資料顯示，美國(guó)F-22A和即將裝備的美F-35、俄羅斯的T-50在一定程度上實(shí)現(xiàn)了綜合射頻一體化，表1給出了其機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

表1 目前裝備的主要機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)

1.1 美國(guó)F-22A與F-35

F-22A裝備的雷達(dá)型號(hào)為APG-77，綜合射頻系統(tǒng)“寶石柱”，T/R數(shù)量1500個(gè)。F-35裝備的APG-81雷達(dá)基于F-22A的“寶石柱”計(jì)劃，由諾·格公司研制，采用1200個(gè)瓦式T/R組件，對(duì)1m2空中目標(biāo)的最大探測(cè)距離約125km，方位/俯仰覆蓋均為70。為進(jìn)一步降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，美軍開(kāi)展了“綜合傳感器系統(tǒng)”(ISS)計(jì)劃和“多功能綜合射頻系統(tǒng)”(MIRFS)計(jì)劃，不僅雷達(dá)、EW、通信、導(dǎo)航和識(shí)別共用處理器，有源相控陣天線還與其他天線孔徑一起完成EW、數(shù)據(jù)通信等功能，從而實(shí)現(xiàn)多功能。通過(guò)綜合運(yùn)用天線孔徑，F(xiàn)-35機(jī)身上的天線孔徑減少為21個(gè)(遠(yuǎn)低于F-22的62個(gè))，其綜合射頻技術(shù)更加成熟。

美軍通過(guò)綜合射頻系統(tǒng)與軟件無(wú)線電技術(shù)的融合，形成了包括F-22、F-35、EA-18G等戰(zhàn)機(jī)配置的綜合電子作戰(zhàn)系統(tǒng)，既可用于雷達(dá)探測(cè)，又可用于電子偵察、電子干擾。

圖1 F-35機(jī)載雷達(dá)作戰(zhàn)能力

1.2 俄羅斯T-50

俄羅斯的第一款五代機(jī)T-50即將在2016年裝備空軍部隊(duì)，該機(jī)的機(jī)載雷達(dá)為N036雷達(dá)(此前稱(chēng)為AFAR-X)，是由俄羅斯季霍米洛夫儀器研究所(NIIP)研發(fā)的SH121多功能綜合射頻系統(tǒng)(MIRES)，包含N036雷達(dá)系統(tǒng)和L402電子支援措施系統(tǒng)。N036雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際上是一部由5部雷達(dá)組成的多波段雷達(dá)系統(tǒng)，包括X波段N036-1-01有源相控陣?yán)走_(dá)(1522個(gè)T/R組件，擔(dān)任主雷達(dá)角色)、飛機(jī)機(jī)頭兩側(cè)安裝的小型側(cè)視型X波段N036B-1-01雷達(dá)，以及安裝在機(jī)翼前緣的2部L波段N036L-1-01雷達(dá)，不僅用于支持?jǐn)澄易R(shí)別系統(tǒng)，還可用于二次監(jiān)視等。

N036-1-01主雷達(dá)工作于X波段，采用傾斜式安裝以降低正面的雷達(dá)RCS，提高射頻隱身性能。N036雷達(dá)的T/R組件數(shù)大約1522個(gè)，和美國(guó)F/A-22A的APG-77有源相控陣?yán)走_(dá)相當(dāng)，對(duì)2.5 m2的戰(zhàn)斗機(jī)目標(biāo)探測(cè)距離為350～400 km，對(duì)1 m2的目標(biāo)探測(cè)距離為260～300 km 。N036B-1-01雷達(dá)工作于X波段，位于機(jī)首兩側(cè)，每個(gè)陣面含358個(gè)T/R組件。N036L-1-01工作于L波段，對(duì)RCS為1 m2目標(biāo)的探測(cè)距離大約為70～90 km。

圖2 N036研制型樣機(jī)(上)；N036雷達(dá)的T/R組件，其饋電網(wǎng)絡(luò)呈對(duì)稱(chēng)分開(kāi)形狀(下)

2 技術(shù)途徑

機(jī)載多功能綜合射頻系統(tǒng)包括若干關(guān)鍵技術(shù)，如超寬波段AESA技術(shù)、數(shù)字陣列技術(shù)、大動(dòng)態(tài)范圍的多功能接收機(jī)技術(shù)、數(shù)字接收機(jī)技術(shù)以及不同寬帶天線子陣與其它頻率柵格的匹配問(wèn)題等[5-7]，在相關(guān)文獻(xiàn)中已多次被提到，本文不再贅述。目前發(fā)展瓶頸主要集中在寬波段AESA技術(shù)以及多功能天線間的匹配集成，下面主要針對(duì)這兩方面給出相關(guān)技術(shù)解決途徑。

2.1 多功能天線陣列

相控陣天線是綜合射頻一體化系統(tǒng)天線的不二選擇，負(fù)責(zé)向空間發(fā)射電磁波并接收來(lái)自目標(biāo)的反射回波。綜合射頻系統(tǒng)若需具備雷達(dá)、EW、通信、導(dǎo)航等多種功能，其頻率必須覆蓋各功能的典型頻率，即具有超寬帶特性，如4.5～18 GHz。

法國(guó)泰勒斯機(jī)載系統(tǒng)公司在戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)的綜合射頻系統(tǒng)方面開(kāi)展了先導(dǎo)性研究，并在歐洲防御局(EDA)主導(dǎo)的超材料有源相控陣(METALESA)計(jì)劃下，探索多功能綜合射頻技術(shù)的發(fā)展[1-2]。

由于機(jī)載雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)(EWS)所要求的覆蓋區(qū)域不同，通常要求機(jī)載雷達(dá)可以覆蓋前方扇區(qū)和機(jī)身兩側(cè)的區(qū)域，而EWS需要具有360°覆蓋能力，且同時(shí)要求AESA具備高增益和寬帶特性。由于關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展程度較低，雷達(dá)和電子戰(zhàn)能力一直沒(méi)有得到很好的融合，發(fā)展到今天，一些關(guān)鍵技術(shù)獲得了突破，如寬波段AESA和寬頻RF技術(shù)，所以未來(lái)雷達(dá)和EWS功能的融合成為可能。圖3和圖4給出了兩個(gè)寬波段、薄型輻射結(jié)構(gòu)的示例，可以實(shí)現(xiàn)寬角度掃描和多極化。通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子戰(zhàn)(EW)的功能，以及COMINT(通信(中截獲的)情報(bào))功能。

圖3 中/高頻寬帶自補(bǔ)償平面共形結(jié)構(gòu)和瓦片陣列

圖4 低頻寬帶薄型天線

圖5的高增益多功能相控陣天線具有超寬頻帶、超寬角掃描能力，帶寬達(dá)到3∶1。該天線源自泰勒斯公司的ALABAMA計(jì)劃，采用瓦片式、雙極化、自補(bǔ)償輻射結(jié)構(gòu)，可嵌入多層絕緣結(jié)構(gòu)中，輻射單元通過(guò)一個(gè)共形冷卻板、頻綜器和分頻器，實(shí)現(xiàn)與3D射頻模塊相連，具有低剖面緊湊特性，可與載機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)共形[3]。該天線同樣采用超材料結(jié)構(gòu)，有助于設(shè)計(jì)多波段印制陣列，并抑制寬帶印制陣列的接地效應(yīng)，減少盲角現(xiàn)象。

圖5 超寬帶自補(bǔ)償共形天線的多層片式結(jié)構(gòu)

將上述的超寬帶相控陣天線應(yīng)用于多種平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間和平臺(tái)間的協(xié)同，下面簡(jiǎn)單介紹兩個(gè)例子[9]：

(1)無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)載的網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)斗電子系統(tǒng)

如下圖所示為UCAV平臺(tái)上使用的NCES(Networked Combat Electronic Systems, NCES)，天線陣列為幾個(gè)分布式的寬帶AESA，配合相關(guān)的RF前端子系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能(本文暫不討論RF系統(tǒng)與光電系統(tǒng)的協(xié)同)：

?可實(shí)現(xiàn)360°的ESM功能，且具有較高的角精度；

?雷達(dá)功能(空空和空地/海模式)；

?干擾功能；

?其它衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈等功能。

(2)無(wú)人機(jī)載網(wǎng)絡(luò)化偵查電子系統(tǒng)

將上述的多功能系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)偵查功能，即NSES(Networked Surveillance Electronic Systems, NSES)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用不同的天線和RF前端，頻段可以覆蓋VHF～K波段，旨在通過(guò)盡可能少的寬帶多功能天線和RF前端實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)功能，可以包括：

可穿透植被的SAR成像和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)功能：通過(guò)VHF波段實(shí)現(xiàn)SAR/FOPEN或GMTI/FOPEN，通過(guò)低于2GHz的薄型低頻的寬波段天線實(shí)現(xiàn)COMINT(通訊情報(bào))功能；

?通過(guò)中/高寬帶天線實(shí)現(xiàn)ELINT(電子情報(bào))、高分辨率SAR成像，并具有ATR和GMTI功能；

?X波段雙模傳感器：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)功能，大空域覆蓋的空中避讓功能和ESM功能。

UAV載偵查系統(tǒng)通常要求載荷具有質(zhì)量輕、低功耗和低成本(相比平臺(tái)總價(jià))的特性。與戰(zhàn)斗機(jī)不同的是，在偵查平臺(tái)上，不要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有功能，功能之間允許分時(shí)、交叉作用。所以，偵查平臺(tái)的載荷要求也低于載人戰(zhàn)斗機(jī)上的載荷要求。在這種情況下，即允許多個(gè)傳感器共用子系統(tǒng)，相關(guān)組件包括下/上轉(zhuǎn)換器、多模數(shù)字IF接收機(jī)、波形發(fā)生器、電源等。

無(wú)論是UCAV平臺(tái)還是無(wú)人機(jī)偵查平臺(tái)的應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)管理的核心都如圖6所示，該核心完成的任務(wù)包括：

圖6 NCES概念

圖7 NSES概念

?多任務(wù)、多功能AESA系統(tǒng)的管理(監(jiān)控、時(shí)序安排和優(yōu)先級(jí)管理)。例如，在實(shí)現(xiàn)360°全方位無(wú)源偵查時(shí)要求所有方向的天線協(xié)同工作，但在空空雷達(dá)跟蹤模式下只需要一個(gè)天線即可完成任務(wù)，這就需要對(duì)AESA天線進(jìn)行管理；

?基于FPGA的軟件重構(gòu)(數(shù)字接收機(jī)，波形發(fā)生器，高速數(shù)字處理器)

?所有的處理任務(wù)(信號(hào)和數(shù)據(jù)處理)；

?平臺(tái)的人機(jī)接口。

當(dāng)然，任何平臺(tái)的射頻系統(tǒng)的綜合都要以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求為前提，下表給出了無(wú)人機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)的功能模式及其基本特征需求[9]。

表2 無(wú)人機(jī)載綜合射頻系統(tǒng)功能的模式及其特征一覽表

2.2 無(wú)人機(jī)超緊湊綜合射頻系統(tǒng)

緊湊型無(wú)人機(jī)載多功能射頻系統(tǒng)在減少自身重量、體積的同時(shí)節(jié)省了平臺(tái)寶貴資源，使其可以裝備更多偵察或武器系統(tǒng)，等效于增加了平臺(tái)作戰(zhàn)能力。英國(guó)SELEX(塞萊克斯·伽利略)公司與泰勒斯英國(guó)公司聯(lián)合開(kāi)展了無(wú)人機(jī)超緊湊多功能射頻傳感器計(jì)劃(MRFS)[4]，擬采用一部可復(fù)位有源相控陣天線(或兩部天線)，覆蓋4.5～18 GHz，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、ESM、ECM、數(shù)據(jù)鏈等功能，在孔徑、射頻、數(shù)字模塊和處理終端的多功能、通用化方面開(kāi)展研究。第一階段已結(jié)束，第二階段開(kāi)展超寬帶結(jié)構(gòu)一體化天線的研制。在該方面，塞萊克斯·伽利略公司曾開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)PicoSAR成像項(xiàng)目，已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。

圖8 MRFS系統(tǒng)架構(gòu)

圖9 超寬帶天線陣列

MRFS研究主要用于驗(yàn)證超寬帶綜合射頻一體化結(jié)構(gòu)概念應(yīng)用于超緊湊型無(wú)人機(jī)(7 kg載荷)和戰(zhàn)術(shù)型無(wú)人機(jī)(50 kg)平臺(tái)上的可能性，重點(diǎn)關(guān)注的RF概念包括：

?雷達(dá)(包括SAR、GMTI、火控和偵察)，中心頻率VHF～W波段，包括雙基地SAR(共發(fā)射機(jī)和非共發(fā)射機(jī)情況)；

?敵我識(shí)別(IFF)詢(xún)問(wèn)機(jī)(L波段)和戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別設(shè)備(BTID)詢(xún)問(wèn)機(jī)(Ka波段)；

?通訊電子支援(30 MHz～6 GHz),包括定位需求；

?雷達(dá)電子支援(UHF～Ka波段)，包括定位需求；

?通訊電子對(duì)抗(30 MHz～6 GHz)；

?雷達(dá)電子對(duì)抗(UHF～Ka波段)，包括定位需求；

?通訊數(shù)據(jù)鏈，包括當(dāng)前需求和未來(lái)預(yù)期的需求；

?導(dǎo)航RF系統(tǒng)(GPS, Galileo)，主要針對(duì)復(fù)雜干擾環(huán)境下的精確導(dǎo)航。

2.3 超寬帶寬角掃描X波段數(shù)字陣列雷達(dá)天線

挪威國(guó)防研究部設(shè)計(jì)了一個(gè)X波段8×8數(shù)字陣列雷達(dá)天線[8]，設(shè)計(jì)中采用了耦合疊層貼片天線單元結(jié)構(gòu)。由于采用了諧振孔徑和疊層貼片技術(shù)使系統(tǒng)在7.6～12.8 GHz (51%)帶寬上的反射系數(shù)達(dá)到-10 dB。在某特定頻率上掃描角可達(dá)±80°，在8～8.5 GHz頻帶范圍內(nèi)掃描角達(dá)±55°。陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了低損耗材料，使輻射效率高達(dá)97%。為了減少后向輻射和電磁波在基片中的傳播損耗，該設(shè)計(jì)在孔徑周?chē)捎昧私拥仄帘魏娃D(zhuǎn)接盒措施。

圖10給出了單個(gè)天線單元的結(jié)構(gòu)，采用了耦合疊層貼片天線技術(shù)，并增加了接地屏蔽和轉(zhuǎn)接盒措施。該天線結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于MIMO雷達(dá)，作為大型相控陣?yán)走_(dá)天線的一個(gè)子陣，或者用作無(wú)人機(jī)(UAV)的雷達(dá)天線，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：

◆ 中心頻率8.25 GHz，帶寬>500 MHz時(shí)反射系數(shù)達(dá)-10 dB；

◆ 使8.25 ±0.25 GHz 頻率上E平面和H平面內(nèi)的掃描角均最大化；

◆ 減少表面波以防止掃描盲區(qū)；

◆ 消除柵瓣，避免不必要方向的功率輻射；

◆ 高方向性比，以保護(hù)天線背面的Tx/Rx電路；

◆ 輻射效率>90%，使天線損耗和溫升最低

天線單元的設(shè)計(jì)采用了孔徑耦合饋電方式?？讖今詈橡侂姷奶攸c(diǎn)是它可以提供低正交極化、弱雜散的饋電輻射，且饋線可以很容易的從后面實(shí)現(xiàn)。通過(guò)一個(gè)帶孔的接地平面將貼片和饋線隔開(kāi)。這個(gè)孔可以實(shí)現(xiàn)饋線到貼片的場(chǎng)的耦合。圖11所示為8×8天線陣列的結(jié)構(gòu)圖。

圖10 單個(gè)天線單元的層疊結(jié)構(gòu)

圖11 天線陣列的(a)背面；(b)側(cè)面；(c)下層薄板的主視圖；(d)坐標(biāo)系

2.4 通信天線與雷達(dá)、EWS天線的集成

為了實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)情報(bào)的傳遞，協(xié)同中的空中平臺(tái)均裝備有數(shù)據(jù)鏈，如Link16。但由于保密等條件限制，廣播數(shù)據(jù)鏈并不適用，需要額外安裝其它的“ad-hoc”(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))數(shù)據(jù)鏈。為了減少天線數(shù)量或載荷以增加武器搭載量，可利用RF子系統(tǒng)(雷達(dá)或EWS)天線實(shí)現(xiàn)通訊功能。

戰(zhàn)機(jī)與戰(zhàn)機(jī)、戰(zhàn)機(jī)與地面指揮中心的數(shù)據(jù)鏈主要有3種：

(a)低數(shù)據(jù)率鏈路(數(shù)十kbit/s)：該型鏈路主要用于戰(zhàn)機(jī)間雷達(dá)和ESM跟蹤數(shù)據(jù)的交換，典型的如雷達(dá)在GMTI模式下戰(zhàn)機(jī)協(xié)同進(jìn)行目標(biāo)的2D精確定位。

(b)中數(shù)據(jù)率鏈路(10 Mbit/s量級(jí))：典型應(yīng)用如戰(zhàn)機(jī)對(duì)地或?qū)罩型{目標(biāo)的SAR圖像或光學(xué)圖像的傳輸。

(c)高數(shù)據(jù)率鏈路(數(shù)百M(fèi)bit/s及以上)：可以預(yù)測(cè)的應(yīng)用包括高分辨率圖像或視頻的傳輸，通過(guò)上行鏈路和下行鏈路，飛機(jī)平臺(tái)可以與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或者空中戰(zhàn)機(jī)與戰(zhàn)機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中一個(gè)潛在應(yīng)用是將高分辨率圖像傳輸至指揮和控制中心(C3)以結(jié)合其它傳感器資源對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，然后將判斷結(jié)果傳輸至最有利的平臺(tái)或武器系統(tǒng)對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行打擊。

對(duì)于前兩種數(shù)據(jù)鏈，要求覆蓋飛機(jī)平臺(tái)的360°方位，按照目前數(shù)據(jù)率的要求，采用ESW的天線是最合適的方案。對(duì)于第三種數(shù)據(jù)鏈，要求數(shù)據(jù)率非常高，且通常為遠(yuǎn)距離傳輸，因此要求EIRP要較高。目前適用于該方案的天線為鼻錐部位的大功率X波段寬帶AESA。在發(fā)展的下一階段，通過(guò)多功能寬帶AESA可擴(kuò)展數(shù)據(jù)鏈的方位角，這樣便可降低對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行方向的要求。

3 協(xié)同探測(cè)

綜合射頻系統(tǒng)一體化實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)是進(jìn)一步推進(jìn)雷達(dá)與ESM、ECM系統(tǒng)的協(xié)同。通過(guò)協(xié)同可以進(jìn)一步增加平臺(tái)的隱身性能，同時(shí)提升目標(biāo)數(shù)據(jù)的可靠性，最重要的特性是可以最大程度的節(jié)省系統(tǒng)資源，如通過(guò)ESM目標(biāo)數(shù)據(jù)的指示，可以縮小雷達(dá)的搜索范圍。如下圖所示，機(jī)載雷達(dá)與EWS的協(xié)同分為4級(jí)：

圖12 雷達(dá)/EWS協(xié)同的4個(gè)層級(jí)

1)0級(jí)——在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，雷達(dá)和EWS之間主要是避免相互干擾。雷達(dá)發(fā)射、雷達(dá)告警監(jiān)視和ECM之間分時(shí)處理。

2)1級(jí)——基于數(shù)據(jù)融合的雷達(dá)與EWS之間的協(xié)同，不僅達(dá)到了雷達(dá)和電子戰(zhàn)的功能，且比兩者分開(kāi)要更有效；

3)2級(jí)——雷達(dá)與EWS之間共享原始數(shù)據(jù)，從而提高兩者的性能；

4)3級(jí)——共用子系統(tǒng)，如天線、激勵(lì)器、接收機(jī)、處理機(jī)等，該子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和EWS兩者的功能；

5)4級(jí)——形成雷達(dá)和EWS的雙功能傳感器網(wǎng)絡(luò)，且實(shí)現(xiàn)緊密和小型化部署。兩系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)新資源的共享，該網(wǎng)絡(luò)可以在單平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，也可部署在多協(xié)同平臺(tái)上。

(1)機(jī)載火控雷達(dá)與EWS通過(guò)數(shù)據(jù)融合對(duì)空中非合作目標(biāo)的識(shí)別

機(jī)載雷達(dá)對(duì)空中非合作目標(biāo)的識(shí)別，多指在空空探測(cè)中利用目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)特性?？罩心繕?biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生壓縮調(diào)制效應(yīng)，從而產(chǎn)生特征譜，根據(jù)不同特征譜可以對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。該效應(yīng)在“噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)制效應(yīng)”相關(guān)資料中有詳細(xì)介紹。該技術(shù)對(duì)裝備相同或類(lèi)似發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)不能識(shí)別。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的ESM對(duì)非合作目標(biāo)的識(shí)別主要是利用目標(biāo)的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)以及波形等特性。正如前面所述，該方法對(duì)裝備同一型雷達(dá)的多型戰(zhàn)機(jī)無(wú)法識(shí)別。將機(jī)載雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，盡可能提高其對(duì)非合作目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性，具體包括：

1)對(duì)裝備同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)機(jī)的識(shí)別(雷達(dá)NCTR/JEM)；

2)對(duì)搭載同型雷達(dá)的戰(zhàn)機(jī)目標(biāo)的識(shí)別(ESM NCTR/雷達(dá)識(shí)別)。

若要同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和ESM功能，必須對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)/頻分配進(jìn)行研究，以盡可能獲得高的識(shí)別能力。

(2)UAV偵察機(jī)通過(guò)雷達(dá)與EWS的數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)“空中避讓”

該功能主要用于UAV平臺(tái)的交通管制中。除了戰(zhàn)時(shí)，UAV通常在隔離地帶飛行，在一定區(qū)域、一定時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行特定偵查任務(wù)。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，“空中避讓”是必備功能，且出于安全考慮，該系統(tǒng)要具備很高的可靠性。所以，為了實(shí)現(xiàn)高可靠性，需要采用多傳感器融合技術(shù)。

雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)“空中避讓”的首選，但在UAV平臺(tái)上重量嚴(yán)格受限，且考慮到成本原因，其探測(cè)距離受到限制。大多數(shù)的潛在入侵者都裝備有異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)或氣象雷達(dá)以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。這些發(fā)射信號(hào)都可以被遠(yuǎn)距離的ESM接收，因此將UAV上的雷達(dá)和ESM進(jìn)行數(shù)據(jù)融合從而實(shí)現(xiàn)“空中避讓”將大大提高其可靠性。

(3)空地任務(wù)中EWS對(duì)雷達(dá)的輔助探測(cè)

本功能主要用于空地任務(wù)中，EWS輔助雷達(dá)對(duì)敵方防空系統(tǒng)進(jìn)行壓制。

◆首先，電子戰(zhàn)系統(tǒng)(EWS)中的電子支援系統(tǒng)(ESM)對(duì)敵方地面雷達(dá)進(jìn)行粗定位。電子支援系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位比較粗，只能定位在一個(gè)橢圓范圍內(nèi)。

◆第二步，雷達(dá)通過(guò)SAR成像模式對(duì)ESM給出的橢圓范圍進(jìn)行成像。SAR成像尺寸與ESM定位精度要匹配。

◆第三步，通過(guò)SAR成像給出的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，改變雷達(dá)模式進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，并給出目標(biāo)坐標(biāo)。

在此任務(wù)中，通過(guò)雷達(dá)與EWS的協(xié)同，可以通過(guò)未安裝任何尋的導(dǎo)引頭的低成本導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)發(fā)起攻擊。最后的目標(biāo)指示僅需要INA/GPS導(dǎo)航完成。

(4)空空任務(wù)中雷達(dá)與EWS協(xié)同對(duì)遠(yuǎn)距離空中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)

本功能主要是在空空任務(wù)中，兩個(gè)傳感器通過(guò)互相協(xié)同對(duì)空中遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。

目前，若想對(duì)遠(yuǎn)距離上的雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，則ESM必須在雷達(dá)主瓣照射范圍內(nèi)。而對(duì)于一較小的角度范圍內(nèi)的多個(gè)飛機(jī)目標(biāo)，則區(qū)分比較困難。若多型飛機(jī)搭載的雷達(dá)也相同，ESM幾乎不能將其區(qū)分開(kāi)來(lái)。

相反的，雷達(dá)在多目標(biāo)探測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)目標(biāo)的距離、多普勒效應(yīng)及其天線的角度選擇性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。但雷達(dá)的缺點(diǎn)是探測(cè)距離小于ESM。但是，當(dāng)雷達(dá)縮小搜索范圍的角度Ω時(shí)，其探測(cè)距離可以增加(探測(cè)距離正比于Ω1/4)。

如下圖所示，在該方案中，ESM對(duì)有發(fā)射信號(hào)的雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，雷達(dá)雷達(dá)只在小角度范圍內(nèi)對(duì)不發(fā)射信號(hào)的飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，由于減小了掃描角，所以雷達(dá)也可以對(duì)遠(yuǎn)距離、小角度范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別，這就解決了上述問(wèn)題。該例子中EWS與雷達(dá)系統(tǒng)按順序分配工作，沒(méi)有考慮到時(shí)/頻分配問(wèn)題。

圖13 遠(yuǎn)程空空作戰(zhàn)中ESM與雷達(dá)的分工協(xié)作

(5)雷達(dá)與EWS間的模塊共享

EWS和雷達(dá)的一些模塊可以實(shí)現(xiàn)共享，部分可共享(但不限于此)模塊包括高增益寬波段X波段有源陣列(包含多個(gè)子陣)、低/中增益的寬波段天線、可調(diào)諧RF濾波器、RF和IF開(kāi)關(guān)、下/上轉(zhuǎn)換器、多模數(shù)字IF接收機(jī)、寬/窄波段波形發(fā)生器、電源等。

目的是減少通用元件的無(wú)效重復(fù)，從而降低系統(tǒng)成本和尺寸。但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須首先要滿足系統(tǒng)功能的基本需求，不同平臺(tái)對(duì)功能的必要性要求不同，如下：

1)有人戰(zhàn)斗機(jī)：需要同時(shí)具有雷達(dá)和EWS(雷達(dá)探測(cè)，ESM和ECM)功能，對(duì)突然出現(xiàn)的目標(biāo)具有快速反應(yīng)能力，在實(shí)現(xiàn)模塊共享的同時(shí)要保證兩者的戰(zhàn)斗力不減弱或減弱不明顯。在保證上述條件的情況下，實(shí)現(xiàn)模塊共享仍是目前有人戰(zhàn)斗機(jī)的重要發(fā)展方向。

2)無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)(UCAV)：除一些特定功能外，可允許部分結(jié)構(gòu)交替使用，但交替使用的程度取決于飛機(jī)平臺(tái)的成本以及因?yàn)楣蚕矶鴰?lái)的平臺(tái)性能的損失的折中程度。

3)偵查系統(tǒng)：尤其對(duì)于UAV可以實(shí)現(xiàn)較大程度的模塊共享，其任務(wù)通常不要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)(如地面動(dòng)目標(biāo)探測(cè)和ESM即可以交叉進(jìn)行)。此外，UAV偵查平臺(tái)通常不需要電子攻擊能力。

(6)雷達(dá)與EWS通過(guò)資源共享提高ESM靈敏度

該部分主要介紹一個(gè)通過(guò)資源共享改善X波段ESM靈敏度的例子。眾所周知，ESM接收機(jī)的靈敏度受到限制，并且只能探測(cè)被主瓣覆蓋的雷達(dá)信號(hào)。將ESM接收機(jī)連接到一個(gè)高增益的雷達(dá)AESA上，通過(guò)該措施，ESM的靈敏度(-dBmi)將被大大提高，但僅限于一定特定方向上(AESA的主波束方向，如圖所示)

圖14 ESM靈敏度的提高

經(jīng)過(guò)改善，ESM不僅可以對(duì)主瓣照射的雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，也可以對(duì)旁瓣照射的雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)。根據(jù)提高后的系統(tǒng)性能，制定新的頻域和空域掃描策略，最典型的是僅利用主瓣探測(cè)，但頻率受限較多。該措施不僅限用于AESA中，也可以應(yīng)用到其它X波段雷達(dá)中。時(shí)/頻共享問(wèn)題在此處仍不用考慮，因?yàn)镋SM與雷達(dá)共享天線。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及軍事需求的增長(zhǎng)，戰(zhàn)斗機(jī)等平臺(tái)上的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等各類(lèi)射頻系統(tǒng)越來(lái)越多。各類(lèi)傳感器之間的電磁干擾，使得各系統(tǒng)難以最大限度地發(fā)揮各自性能。多功能綜合射頻系統(tǒng)，頻率可以覆蓋雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等各個(gè)頻段，滿足一體化設(shè)計(jì)需求，可最大化節(jié)省載機(jī)平臺(tái)的空間，減少電磁兼容、干擾等問(wèn)題，且組件、信息、數(shù)據(jù)的共享可以進(jìn)一步提升雷達(dá)、通信、ECM、ESM等系統(tǒng)間的協(xié)同能力，從而進(jìn)一步提升平臺(tái)的總體作戰(zhàn)能力，必將成為新一代戰(zhàn)機(jī)的裝備發(fā)展方向。

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薛 慧(1984—)，女，內(nèi)蒙古人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)及軍用武器系統(tǒng)總體、作戰(zhàn)概念等；

E-mail：xuehui_2001@163.com

張 昊(1990—)，男，河北省邢臺(tái)市人，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)及其平臺(tái)。

Research on Airborne Mufti-functional RF Integration System

XUE Hui, ZHANG Hao

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology, 210039)

The article firstly focuses on the current international equipment and research programs about airborne RF integration system of the United States, Russia, France and Norway etc., and then summarizes the main technical way of airborne integrated RF system, finally carries out investigation and study of collaborative detection applications between radar, ECM and ESM systems from the same platform or different platforms.

Integrated RF; collaborative detection; radar; ECM

2016-03-15

2016-05-25

：A

1673-5692(2016)05-532-08