綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展前景

楊勇軍，梅進(jìn)杰，雷云龍

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著武器裝備中信息化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)平臺的綜合作戰(zhàn)性能的需求逐步上升，現(xiàn)代化武器系統(tǒng)必須適應(yīng)多功能、一體化這一發(fā)展趨勢。長期以來，機(jī)載、艦載等武器平臺上裝備的各類射頻傳感器都是單獨(dú)分散地安裝在系統(tǒng)中，其完成的功能單一，兼容性差，不能形成一個高效的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)中大量的電子設(shè)備引發(fā)的一個重要問題就是天線的數(shù)量越來越多，直接導(dǎo)致受限作戰(zhàn)平臺重量增加、成本加劇、維護(hù)困難等，這嚴(yán)重違背了武器裝備系統(tǒng)精簡高效的原則。對此，許多國家都積極開展綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)的研究工作，在強(qiáng)烈的軍備競爭中不斷研發(fā)更高效率的綜合射頻系統(tǒng)。

1 綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)概念

綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)是指用幾個分布式寬帶多功能孔徑代替目前平臺上數(shù)量眾多的天線孔徑，采用一體化、模塊化、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)的體系架構(gòu)[1-2]。圖1為系統(tǒng)原理框圖。

圖1 綜合射頻系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)通過射頻陣列天線，可以實(shí)現(xiàn)全雙工工作模式[3-5]。發(fā)射時，系統(tǒng)利用計算機(jī)軟件控制產(chǎn)生所需波形，合理分配信號的頻譜資源，然后將信號經(jīng)發(fā)射陣列天線發(fā)射出去。接收時，接收到的不同信號經(jīng)過波束形成或窄帶濾波器，解調(diào)后的信號進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心[6]，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多種功能。這些工作需要在同步的時鐘下經(jīng)過計算機(jī)的資源調(diào)配進(jìn)行。

2 綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)及其研究進(jìn)展

自20世紀(jì)下頁以來，數(shù)字化、信息化的快速發(fā)展推動了綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。從概念的提出到關(guān)鍵技術(shù)的突破，綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐漸列入了各國的實(shí)際裝備中。綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)主要分為綜合孔徑技術(shù)、綜合射頻技術(shù)和多功能軟件技術(shù)，下面將分別介紹其國外研究進(jìn)展。

2.1 綜合孔徑

綜合孔徑雷達(dá)系統(tǒng)遍使用線性調(diào)頻信號作為其發(fā)射信號，其具有對多普勒頻移不敏感、包絡(luò)恒定等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。由于其頻率的線性放大，使得合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射波形可以達(dá)到很大的帶寬，確保了探測性能的精確度。

其信號恒定的包絡(luò)使得雷達(dá)發(fā)射機(jī)可以使用更高的功率大幅提升信號的功率，從而保證足夠遠(yuǎn)的作用距離。若是結(jié)合通信功能，則可以增加通信信噪比，提高誤碼性能。在接收時則采用相應(yīng)的脈沖壓縮方法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力。

線性調(diào)頻信號特征的脈沖波形復(fù)數(shù)表示為：

(1)

式中：fc為載頻率；Tp為脈沖時寬；K為調(diào)頻斜率，當(dāng)信號帶寬為B時，K=B/Tp；rect(t/Tp)表示矩形窗函數(shù)，表達(dá)式為：

(2)

S(t)信號如圖2所示。

圖2 LFM信號

對LFM信號S(t)進(jìn)行傅里葉變換可得信號的頻域表達(dá)式為[9-12]:

(3)

由式(3)可得LFM信號頻譜圖如圖3所示。

圖3 LFM脈沖信號頻譜

對LFM信號進(jìn)行匹配濾波便可以實(shí)現(xiàn)LFM信號的脈沖壓縮。線性調(diào)頻信號脈沖壓縮后的波形如圖4所示，從圖中可看出信號主副瓣比較大，能夠有效實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制。

圖4 LFM脈沖信號脈壓輸出

通過求解信號的模糊函數(shù)分析回波中出現(xiàn)多普勒頻偏時的脈壓效果。雷達(dá)信號模糊函數(shù)的定義為：

(4)

式中：s(t)為雷達(dá)信號復(fù)包絡(luò)；τ為時間延遲；*為復(fù)數(shù)共扼；fd為多普勒頻移。

模糊函數(shù)反映了多普勒頻率為fd時信號的脈壓效果。LFM信號模糊函數(shù)為：

χ(τ,fd)= (Tp-|τ|)exp(jπfdτ)·

sinc[(Kτ+fd)(Tp-|τ|)]

(5)

式中：|τ|≤Tp。

LFM脈沖信號模糊函數(shù)如圖5所示，LFM信號的模糊函數(shù)是非常典型的斜刀刃狀，這種信號對多普勒頻移不敏感，可獲取較高的距離分辨率或速度分辨率。

圖5 LFM脈沖信號模糊函數(shù)

目前國外研究綜合孔徑技術(shù)的主要有先進(jìn)共用孔徑 (ASAP)項(xiàng)目和可重構(gòu)孔徑(RECAP)項(xiàng)目。

2.1.1 ASAP項(xiàng)目

ASAP項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了電子戰(zhàn)和通信一體化功能。其先進(jìn)之處在于能靈活變換功率放大器增益或信號帶寬等指標(biāo)，能有效適應(yīng)戰(zhàn)場瞬息萬變的實(shí)際情況。其基本結(jié)構(gòu)是用先進(jìn)的陣列天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一天線。其陣列天線由16個單元子陣組成。陣列型天線相比傳統(tǒng)天線能獲取多方面精確的數(shù)據(jù)。其寬波束功能分布在陣列的側(cè)邊和上面，其數(shù)個單元子陣可以有效抑制旁瓣，抗干擾能力加強(qiáng)。其各個子陣列可以根據(jù)需要進(jìn)行排列組合，減少了冗余天線，相比傳統(tǒng)天線雖然其天線數(shù)量增多，但是體積重量減少，大大增強(qiáng)了其雷達(dá)截面積。

2.1.2 RECAP項(xiàng)目

美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動可重構(gòu)孔徑(RECAP)項(xiàng)目，其目標(biāo)是加大天線信號寬帶，實(shí)現(xiàn)精確探測需求。在實(shí)現(xiàn)過程中，該項(xiàng)目計劃用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)對現(xiàn)有的天線進(jìn)行重新改造，加入了寬角掃描功能[12]。但是由于MEMS技術(shù)的不成熟，該項(xiàng)目的許多關(guān)鍵技術(shù)沒有突破。雖然提出了許多創(chuàng)新方案，但是還停留在理論階段，在工程方面難以實(shí)現(xiàn)。

2.2 綜合射頻

要實(shí)現(xiàn)綜合射頻，其基礎(chǔ)是層次化和模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加自身系統(tǒng)的兼容性。為了易于工程實(shí)現(xiàn)，去頻段的選擇需要綜合考慮雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等常用工作頻段的特點(diǎn)。為提高其可靠性，采用分布式的方法處理核心部件，使得系統(tǒng)架構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)更加開放，方便循環(huán)利用模塊和元件，降低系統(tǒng)的成本[13]。美國綜合射頻各項(xiàng)目的發(fā)展情況總覽[14]如圖6所示。

圖6 美國綜合射頻項(xiàng)目發(fā)展時間圖

2.2.1 美國海軍的電磁機(jī)動指揮控制技術(shù)(EMC2)

電磁機(jī)動指揮控制技術(shù)(EMC2)是由美國海軍研究局(ONR)正在著手進(jìn)行發(fā)展的項(xiàng)目。該項(xiàng)目計劃開發(fā)一些原型技術(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建能夠?qū)⒐灿没A(chǔ)設(shè)施中的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和信息作戰(zhàn)系統(tǒng)等諸多功能整合在一起的先進(jìn)多用途射頻結(jié)構(gòu)體系架構(gòu)。并且EMC2技術(shù)發(fā)展計劃還將開發(fā)硬件和軟件密集型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠提供實(shí)現(xiàn)在廣泛的頻率范圍內(nèi)監(jiān)控?zé)o線電頻譜，并能對作戰(zhàn)要求和電磁環(huán)境的變化做出不同的響應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)各種功能重新分配頻率和資源。

2.2.2 美國海軍的AMRFC計劃

先進(jìn)多功能射頻概念(AMRFC)是一個由美國海軍開展的研究項(xiàng)目。其目是為了用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在艦船上集成各種射頻功能后的效果。其試驗(yàn)器件主要是大寬帶天線、功率發(fā)射器、數(shù)字軟件處理等[15]。其最大可能簡化的結(jié)構(gòu)使得艦船上的天線大大減少，降低了美國海軍艦船的成本，增加了艦船隱身能力，使其攻防能力進(jìn)一步提升。

2.2.3 美軍F-35戰(zhàn)機(jī)的綜合射頻傳感器系統(tǒng)

在隱身戰(zhàn)斗機(jī)F-22的基礎(chǔ)上，美軍研發(fā)出了下一代F-35戰(zhàn)機(jī)。先前的“寶石柱”計劃仍使用獨(dú)立分散的射頻傳感器系統(tǒng)，數(shù)字處理模塊過于封閉。F-35戰(zhàn)機(jī)作出了很多改進(jìn)，最突出的地方是采用了高度綜合化的航電系統(tǒng)[16-17]。其軟件方面也重新開發(fā)出了能適應(yīng)綜合一體化的功能，相比以往不同功能需要加載不同軟件，現(xiàn)在一個軟件可以完成各種功能，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。在面對現(xiàn)代化復(fù)雜電磁環(huán)境時，F(xiàn)-35的性能明顯比上一代機(jī)優(yōu)秀。因此F-35戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)成功服役于美軍的各軍兵種。

2.3 多功能軟件

多功能軟件系統(tǒng)是所有硬件結(jié)構(gòu)的驅(qū)動，也是武器裝備技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)綜合利用的橋梁。在現(xiàn)代化信息化戰(zhàn)爭的背景下，多功能軟件技術(shù)在系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[18]。系統(tǒng)采用開放式的軟件架構(gòu)，并且采用分層形式，如圖7所示[19-20]。通過系統(tǒng)藍(lán)圖可以進(jìn)行相應(yīng)的管理和配置。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.3.1 Block 0.5軟件

2010年6月，美國對機(jī)載雷達(dá)APG-81試驗(yàn)測試了5組軟件[21]。該型雷達(dá)安裝的軟件主要是Block 0.5軟件，在該型雷達(dá)總體計劃的編碼中，它占據(jù)了60%。結(jié)合了先進(jìn)多功能軟件使得該型雷達(dá)相比傳統(tǒng)雷達(dá)綜合一體化能力更強(qiáng)。

2.3.2 任務(wù)系統(tǒng)軟件

安裝在F-35戰(zhàn)機(jī)上的任務(wù)系統(tǒng)軟件能對各種接收器的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，從而能簡要地向飛行員傳遞關(guān)鍵態(tài)勢信息。該軟件的任一功能結(jié)構(gòu)都能接收系統(tǒng)所有的傳感器信息，從而可以相互協(xié)調(diào)，綜合分析判斷。通過分析更多的數(shù)據(jù)[22-23]，利用數(shù)據(jù)的相關(guān)性可以排除無用信息，使得戰(zhàn)機(jī)能夠有效應(yīng)對現(xiàn)代化信息泛濫的戰(zhàn)爭環(huán)境。

3 綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展前景

(1) 綜合射頻系統(tǒng)將繼續(xù)向著綜合一體化方向發(fā)展，并且可靠性、有效性將出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

綜合射頻系統(tǒng)將對系統(tǒng)開放式體系架構(gòu)、陣列天線的集成、多任務(wù)分配、大帶寬信號波形設(shè)計、優(yōu)化資源配置、明確工作分工秩序等方面進(jìn)行深入發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)整個綜合射頻系統(tǒng)從部件到整體的模塊化設(shè)計，以適應(yīng)新型武器結(jié)構(gòu)綜合化、控制智能化及信息融合化的未來發(fā)展趨勢。其實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)綜合，充分結(jié)合各總電子設(shè)備的功能，大幅提升了復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中裝備的戰(zhàn)斗力[24]。另外，研究人員將從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，繼續(xù)對其架構(gòu)、兼容方式、裝備組成、效能等進(jìn)行綜合的研究，使用不同方案反復(fù)對比驗(yàn)證，使其在設(shè)計方面取最優(yōu)值。

(2) 隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，綜合射頻系統(tǒng)信息化程度將越來越高。

信息化是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中實(shí)施聯(lián)合作戰(zhàn)的重要條件。目前，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭主要是以信息化為主導(dǎo)，多技術(shù)、多體系聯(lián)合作戰(zhàn)。綜合射頻系統(tǒng)不但能夠大大提高作戰(zhàn)能力，而且能有效解決受限作戰(zhàn)平臺的資源利用問題?，F(xiàn)代化和信息化的軍事更加強(qiáng)調(diào)信息的對抗。面對復(fù)雜多變的信息環(huán)境，現(xiàn)代戰(zhàn)爭體系對系統(tǒng)的隱蔽性和對目標(biāo)精確探測的持續(xù)性、可靠性以及敵我識別能力等方面的要求將由傳統(tǒng)單獨(dú)分散的傳感器邁向多傳感器系統(tǒng)的綜合[25]。

隨著各國陸、海、空、天一體化作戰(zhàn)體系的出現(xiàn)，以及大數(shù)據(jù)時代的來臨，信息融合和資源共享有利于利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作戰(zhàn)，是打贏現(xiàn)代化和信息化戰(zhàn)爭的重要基礎(chǔ)。綜合射頻系統(tǒng)為了在戰(zhàn)場上能實(shí)時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息交換，綜合使用各類傳感器，從而提高對戰(zhàn)場稍縱即逝信息的捕獲；而且能有效利用大數(shù)據(jù)技術(shù)讓各種戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和戰(zhàn)場信息動態(tài)結(jié)合，提高其對戰(zhàn)場信息感知、信息獲取和信息綜合處理能力，從而大大提高多平臺協(xié)同作戰(zhàn)能力。

(3) 綜合射頻系統(tǒng)重量、體積、成本、功耗、效率將不斷降低。

綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)將各個分系統(tǒng)高度集成一體，并且可重復(fù)使用，提高了各個模塊的重復(fù)利用率，減少了系統(tǒng)的冗余成分，系統(tǒng)總的質(zhì)量、體積、功耗等都將有相當(dāng)程度的降低[26-27]。綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)綜合在天線和射頻前端以及在數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行一體化設(shè)計，使得工程實(shí)現(xiàn)方面可以僅用少數(shù)射頻模塊就可以有機(jī)組成一個具備雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多功能一體化綜合射頻航空電子系統(tǒng)。

另外射頻單元有機(jī)結(jié)合最新的商用貨架技術(shù)，易于擴(kuò)展和優(yōu)化，而且更新?lián)Q代快，軍用和民用都很廣泛，從而平鋪了研制成本。由于硬件模塊都是統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，因此各種不同武器裝備可以共用模塊，通過生產(chǎn)線量化生產(chǎn)，也可以降低成本，并降低技術(shù)風(fēng)險，提高可靠性。

(4) 綜合射頻系統(tǒng)在新型武器平臺中的應(yīng)用更為廣泛。

隨著軍事電子技術(shù)快速發(fā)展，各種武器裝備攻擊力增加的同時，其受到的威脅也是相應(yīng)增加。為了能在復(fù)雜的環(huán)境中做到攻防一體[28-30]，新型武器平臺必須充分利用綜合射頻系統(tǒng)。而且新型武器平臺趨于小型化、無人化，以往電子裝備分開使用早已無法滿足需求[31]。因此，在新型武器平臺中廣泛應(yīng)用綜合射頻系統(tǒng)，有機(jī)組成一種綜合性的電子作戰(zhàn)系統(tǒng)[32]，集攻擊迅速、主動防護(hù)等為一體的綜合射頻系統(tǒng)是新型武器平臺發(fā)展的必然趨勢。

目前，這種綜合射頻系統(tǒng)已經(jīng)舉世矚目，并且歐美、俄羅斯等軍事強(qiáng)國已經(jīng)在各軍兵種中初步列裝部隊，其民用方面也開始推廣，發(fā)展前景一片光明[33]。

4 結(jié)束語

總體來看，綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)上升到了一個新的高度。世界各國的研究也取得了一定的成果，推動了其在飛機(jī)、艦船等武器平臺或軍民融合方面的應(yīng)用，具有很廣泛的發(fā)展前景。雖然目前理論方面已經(jīng)取得了許多突破，但是在工程實(shí)現(xiàn)方面還有待加強(qiáng)。

由于受到各國的重視，其發(fā)展速度和前景不容小覷。與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)也已經(jīng)開始走向成熟和實(shí)用階段，其優(yōu)異的性能已經(jīng)在部分戰(zhàn)艦、戰(zhàn)斗機(jī)和車輛平臺上得到了很好的證明。我們應(yīng)重視研究國內(nèi)外綜合射頻系統(tǒng)技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài)和發(fā)展前景，推動我軍武器平臺在信息化集成方面上一個新的臺階。