數(shù)字陣列技術(shù)在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用前景

吳吳 馬紅星

摘要： 數(shù)字陣列技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用雖逐漸成熟，但在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)領(lǐng)域方面的應(yīng)用尚需加強(qiáng)。本文在總結(jié)了國外機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入分析了機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展需求，研究了采用數(shù)字陣列體制的可能性，總結(jié)了體制優(yōu)勢將帶來的諸多優(yōu)點(diǎn)，并對存在的問題進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá) 數(shù)字陣列 海面監(jiān)視 多功能多任務(wù)

機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)具有距離遠(yuǎn)、范圍廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢占據(jù)著重要地位。與艦載或岸基雷達(dá)相比，由于機(jī)載平臺高度的優(yōu)勢，機(jī)載雷達(dá)提供了強(qiáng)有力的大范圍海面（水面）監(jiān)視能力，可以有效地?cái)U(kuò)大艦船探測范圍。

20世紀(jì)60年代伊始，經(jīng)過長時間的技術(shù)發(fā)展，機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)從最初的無源拋物面天線和磁控管發(fā)射機(jī)，逐漸發(fā)展至平板天線和行波管發(fā)射機(jī)，進(jìn)而發(fā)展至相控陣體制雷達(dá)，從簡單波形逐漸發(fā)展至多維波形、寬帶/寬角掃描、高分辨率艦船目標(biāo)HRR/ISAR成像、目標(biāo)識別和強(qiáng)抗干擾能力等。促進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展的其中重要因素之一是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，對于相控陣體制雷達(dá)而言，具有寬帶/寬角掃描和波束靈活調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字陣列體制雷達(dá)更是具有波束形成靈活、空間自由度高、相位精度高等優(yōu)勢，因此本文重點(diǎn)論述數(shù)字陣列技術(shù)在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外對海監(jiān)視雷達(dá)的研究起步較早，如AN/APQ-137/137B/137V，主要工作方式有導(dǎo)航輔助、動目標(biāo)指示、目標(biāo)截獲與跟蹤、火力控制，137V型增加了SAR成像和氣象回避等功能。1990年后，成熟的對海監(jiān)視雷達(dá)大量涌現(xiàn)，典型任務(wù)包括海上/沿岸監(jiān)視與跟蹤、內(nèi)陸監(jiān)視與測繪、活動檢測與定位、搜救、導(dǎo)航、氣象檢測/回避、港口監(jiān)視、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)監(jiān)視、艦船成像與分類、溢油檢測、冰川成像、反毒品交易、走私、非法移民和恐怖主義等。美國雷聲公司研制的SeaVue （SV）監(jiān)視雷達(dá)（“海妖”雷達(dá)）己發(fā)展多種系列產(chǎn)品，裝備于“Guardian”多任務(wù)海上巡邏無人機(jī)（“捕食者”B的派生型）、有人固定翼飛機(jī)及直升機(jī)等平臺；雷聲公司研制另一款MFASAESA雷達(dá)，亦已裝備于美國海軍海上廣域監(jiān)視無人機(jī)BAMS UAS（“全球鷹”BLOCK-20批次的派生型）；美國電傳（ Telephonics）公司研制RDR-1700B海面搜索雷達(dá)，適裝于有人/無人固定翼/旋翼飛機(jī)，其最新開發(fā)AN/APS-147（V）直升機(jī)載的SAR/ISAR雷達(dá)系統(tǒng)，用于SH-60R直升機(jī)載的SAR/ISAR雷達(dá)系統(tǒng)，也用于P-3飛機(jī)，AN/APS-143型是一種海面監(jiān)視和跟蹤雷達(dá)，適用于各類固定翼飛機(jī)和直升機(jī)平臺；以色列埃爾塔公司研制的EL/M-2022A，裝備于無人機(jī)（蒼鷺）、直升機(jī)及有人運(yùn)輸機(jī)；SELEX GALILEO公司研制的Seaspray 5000E和GABBIANO T20/T200雷達(dá)，裝備于多種有人/無人機(jī)，前者采用主動電子掃描陣列AESA技術(shù)；法國Thomson-CFS公司研制OceanMaster雷達(dá)是一種直升機(jī)載ISAR多模系列雷達(dá)，該公司研制的“地平線”（Horizon）直升機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)，1996年開始正式裝備，是世界上首架裝載有遠(yuǎn)程戰(zhàn)場偵察雷達(dá)的偵察直升機(jī)。

縱觀國外機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的功能性能、系統(tǒng)體制、工作方式和應(yīng)用方向等情況，可知機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展具有以下特點(diǎn)：

（1）多功能、高集成化：以海面搜索監(jiān)視和小目標(biāo)檢測為主，集成了對低空目標(biāo)、地面慢速動目標(biāo)檢測功能，集成了對陸地高分辨率成像功能，同時具備氣象探測/信標(biāo)等輔助功能；

（2）技術(shù)體制先進(jìn)：大量采用有源相控陣系統(tǒng)體制，強(qiáng)化數(shù)字信號產(chǎn)生及高性能數(shù)字處理技術(shù)應(yīng)用，并且在材料方面廣泛采用復(fù)合材料；

（3）應(yīng)用范圍廣泛：除了海上搜索監(jiān)視外，還可用于溢油監(jiān)測、海冰探測、港口監(jiān)視、搜救等，以及為飛行安全提供導(dǎo)航輔助。

2 技術(shù)發(fā)展需求分析

盡管國內(nèi)機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但與國際先進(jìn)水平相比還存在較大的差距。

面對多樣化探測需求，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅能進(jìn)行海上/沿岸監(jiān)視與跟蹤，對海面目標(biāo)進(jìn)行一維或二維成像，對陸地進(jìn)行監(jiān)視與測繪，對地面運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測與定位，對空中運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行探測，而且能夠進(jìn)行導(dǎo)航輔助、氣象規(guī)避、港口監(jiān)視、溢油檢測等。

面對信息多元性需求，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅能提供目標(biāo)位置、速度等常規(guī)的信息，而且要提供目標(biāo)的特征等多樣化信息，能對目標(biāo)實(shí)施分類、設(shè)別，為各類武器精確打擊提供信息支撐。

面對時間敏感性和時效性需求，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅應(yīng)具備多功能工作能力，而且要求能夠進(jìn)行同時多模式或同時多任務(wù)工作能力。同時多模式諸如同時掃描/跟蹤、同時多目標(biāo)跟蹤、同時SAR/GMTI等，同時多任務(wù)諸如同時雷達(dá)/氣象、同時雷達(dá)/干擾偵察、同時雷達(dá)/通信、主/被動一體化等。

面對各種干擾威脅，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅應(yīng)具有抗各種有源干擾和無源干擾的能力，要在復(fù)雜電磁環(huán)境中保持探測性能，而且要求能夠適應(yīng)海雜波、地雜波、氣象雜波等環(huán)境雜波。

面對海/陸/空不同探測目標(biāo)，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅應(yīng)具有對海、對地和對空全空域探測模式，而且應(yīng)具有提高系統(tǒng)動態(tài)范圍以更好地滿足不同目標(biāo)的RCS差異性。

面對載機(jī)平臺和應(yīng)用的多樣化，要求機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)不僅應(yīng)具有小型化、輕量化設(shè)計(jì)，而且應(yīng)具有簡潔的系統(tǒng)體系架構(gòu)，擴(kuò)展升級能力強(qiáng)，以適應(yīng)各種應(yīng)用需求和載機(jī)平臺的變化。

出于機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)的探測多樣化、信息多元化、高時效、多功能、多任務(wù)、抗干擾、抗雜波、小型化、輕量化、靈活擴(kuò)展等技術(shù)發(fā)展需求，采用傳統(tǒng)模擬相控陣體制的雷達(dá)應(yīng)用瓶頸問題逐漸顯露，亟需引入數(shù)字陣列體制。

3 數(shù)字陣列技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字陣列體制雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在預(yù)警監(jiān)視等領(lǐng)域己廣泛運(yùn)用，體制優(yōu)勢亦己表現(xiàn)的淋漓盡致，然而在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)等方面的尚有待開展進(jìn)一步的研究和應(yīng)用驗(yàn)證，數(shù)字陣列技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)積累亦能有效促進(jìn)在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)上的應(yīng)用。

數(shù)字陣列技術(shù)在機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)上的應(yīng)用將帶來以下優(yōu)勢：

3.1 增強(qiáng)探測功能

海面探測應(yīng)用中，面對大小不同的船只、島嶼/海岸線、海上空中目標(biāo)和迅速變化的海洋氣象等，體現(xiàn)出海面探測的高復(fù)雜性，數(shù)字陣列體制雷達(dá)在“空.時.頻”域的高自由度決定了其可以靈活的實(shí)現(xiàn)對海、對地、對空、對氣象探測以及干擾偵察等。

3.2 提升探測時效

利用數(shù)字陣列體制波束形成靈活、易實(shí)現(xiàn)同時多波束、波束指向精度高等優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)對海面目標(biāo)的同時掃描和跟蹤，一方面可以持續(xù)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行廣域搜索，另一方面可同時調(diào)動波束對興趣區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測，大大減少了工作模式切換帶來的時效損失；亦可以實(shí)現(xiàn)同時掃描/聚束成像或同時掃描/ISAR，在對海面目標(biāo)進(jìn)行廣域搜索的同時，能夠?qū)u嶼目標(biāo)進(jìn)行聚束成像或船只目標(biāo)進(jìn)行ISAR成像，為目標(biāo)識別提供信息支撐。

3.3 彌補(bǔ)高重頻工作能力

對空中目標(biāo)的探測通常要求雷達(dá)系統(tǒng)具有較高的重頻，以降低目標(biāo)探測模糊度；掩護(hù)脈沖是抗干擾的有效措施之一，但是掩護(hù)脈沖亦需要在一個探測工作周期內(nèi)連續(xù)和緊密發(fā)送多個脈沖信號，相當(dāng)于高重頻的實(shí)現(xiàn)，并且健碩的抗干擾設(shè)計(jì)要求脈沖信號的頻率、脈寬和帶寬等必須具有較高的變化復(fù)雜度，亦進(jìn)一步加大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。采用數(shù)字陣列體制，脈沖內(nèi)、脈沖間、脈沖間距等實(shí)現(xiàn)靈活，可以便捷實(shí)現(xiàn)高重頻工作，擺脫了傳統(tǒng)模擬有源相控陣體制雷達(dá)波形切換、時序控制、波束調(diào)度帶來的約束。

3.4 降低海雜波影響、提升抗干擾能力

數(shù)字陣列技術(shù)應(yīng)用機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)，可以利用其超低副瓣的優(yōu)勢有效降低由副瓣進(jìn)入的海雜波影響，可以運(yùn)行數(shù)字陣列體制單通道信號能夠直接獲取的優(yōu)勢直接形成匿影波束，進(jìn)行副瓣匿影處理以提升系統(tǒng)的抗干擾能力；利用數(shù)字波束形成進(jìn)行旁瓣對消，在干擾區(qū)形成零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)個甚至數(shù)十個副瓣干擾的消除。

3.5 提高系統(tǒng)集成度

數(shù)字陣列體制雷達(dá)一般由無源天線、數(shù)字陣列模塊（Digital Array Module，DAM）、數(shù)字波束形成（Digital Beam Fonning，DBF）、綜合處理等組成，DAM高度集成了激勵信號產(chǎn)生、功率放大、信號接收、限幅濾波放大、信號采集數(shù)字化、數(shù)據(jù)打包分發(fā)等功能一體，集模擬和數(shù)字一體，大大提高了系統(tǒng)集成度，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和輕量化，并且模塊化的設(shè)計(jì)能夠很好的支持系統(tǒng)升級和載機(jī)平臺適應(yīng)性改進(jìn)。海面目標(biāo)探測雷達(dá)的載機(jī)平臺具有陸基起降、島嶼起降設(shè)置艦上起降等多種可能，尤其非陸基起降的載機(jī)平臺相對選擇較小機(jī)型，因此對雷達(dá)系統(tǒng)的重量、體積和功耗均提出嚴(yán)格的要求，數(shù)字化設(shè)計(jì)將能有效改善小型化和輕量化設(shè)計(jì)的壓力。

當(dāng)然，機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)采用數(shù)字陣列技術(shù)亦會帶來海量數(shù)據(jù)傳輸和處理等問題。

4 結(jié)束語

隨著基于數(shù)字陣列體制的機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)研究的深入，尤其是面對日益增加和擴(kuò)展的應(yīng)用需求，雷達(dá)系統(tǒng)體制的更新迭代逐漸成為研究的熱點(diǎn)。雖然目前數(shù)字陣列體制雷達(dá)在其它領(lǐng)域應(yīng)用相對成熟，但在機(jī)載海面監(jiān)視方面的研究需加強(qiáng)，尤其在同時多模式多任務(wù)系統(tǒng)技術(shù)、抗海雜波和抗干擾技術(shù)、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面上有待進(jìn)一步研究。

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