揭秘美国海军下一代防空反导雷达

李 源

AMDR是美国海军下一代综合防空和导弹防御雷达，是为计划在2016年开工建造的“Flight III”型阿利·伯克级（DDG-51）驱逐舰而设计的。作为先进的高能主动阵列雷达，能对空中和水面袭击同时执行远程外大气层侦察、跟踪、识别弹道导弹以及区域性防御和自我防御。让我们一起揭开它的神秘面纱。

为什么开发AMDR

作为美国海军下一代舰载防空反导雷达装备，AMDR是固态有源相控阵雷达，可以有效地对抗各类现役及未来的战机、弹道导弹及超声速反舰导弹。AMDR雷达将采用先进的双波段模式，完整的AMDR套包括：一部用于大量搜索的四面S波段雷达AMDR-S、一部用于地平线搜索的三面X波段雷达AMDR-X、以及一台雷达控制器RSC，后者为S波段和X波段雷达提供资源管理，协调与宙斯盾作战系统的交互关系。

美国海军对AMDR的要求是具备开放的构架，采用可升级的设计和模块化的硬件和软件，可部署于不同舰船平台，能在雷达系统全寿命周期内实施技术插入并提升性能。另外要求具备两种功率状态，当驱逐舰未部署，不要求完全能力时，雷达可在较低的功率状态下操作，减少燃料消耗，提高舰船的能效，但在高功率状态时，所有雷达资源必须全部可用，以执行战区任务。

图1 AMDR概念图

美国海军开发新一代雷达主要目的是，为了对抗面临的更复杂的空中和弹道导弹袭击。据美国海军的说法，宙斯盾弹道导弹防御能力需要在现有的雷达系统基础上增加雷达灵敏度和波宽，能侦察、跟踪并能在一定范围内支持对先进弹道导弹袭击的作战。同时，防空战任务也需要更高的灵敏度，并具备抗干扰能力，能在恶劣陆地、海上和风雨干扰中挑选出观察性极低和超低空飞行的袭击目标。而现有的SPY-1D（V）雷达配合宙斯盾系统，即使进一步的改进也无法满足这些要求。

AMDR计划取代的是AN/SPY-1雷达，后者是美国研制的世界上第一部四面阵舰载相控阵雷达，已有40年历史，也是美国海军宙斯盾防空反导作战系统的核心，装备在“阿利·伯克”级（DDG-51型）驱逐舰及“提康德罗加”级巡洋舰上。

AN/SPY-1在它那个时代毫无疑问是非常先进的，工作在S波段，使用四个固定式定相阵列天线，能同时执行搜索、侦察、跟踪、控制和制导，对目标的最远探测距离为1000km，稳定跟踪距离为150km。另外，该系统在过去40年的时间里不断发展，将雷达和宙斯盾系统作为一个整体进行改进。早期的SPY-1、SPY-1A型号只是单纯的防空雷达，而SPY-1B/D则通过杂波抑制技术，除了可以探测和跟踪掠海飞行的巡航导弹外，还具备了有限的战术弹道导弹防御能力。随着SPY-1雷达性能的不断改进，现在的“阿利·伯克”级驱逐舰上装备的已是SPY-1D（V）雷达，该雷达是宙斯盾雷达发展史上的一个重要里程碑，除提高远海作战性能外，还提高了探测和跟踪掠海飞行的巡航导弹和战术弹道导弹等目标的能力，在杂波和严重干扰条件下具有很高的数据率。最新的宙斯盾基线9C版本引进了多任务信息处理器，拥有宙斯盾防空战和弹道导道防御雷达信号处理能力，具备防空和反导综合防御能力。

然而，美海军内部一致认为AN/SPY-1已达到其潜力上限。作为被动阵列雷达，该型雷达能力上有诸多限制。主要表现在：从传输器组获取的功率有限，很大一部分功率损失在阵列面上；能量管理、重量和可靠性方面均有不足；在维护工时和雷达故障修理成本上花费巨大等方面。可以用较少的时间成本和经济成本实现系统的升级，延长综合寿命。

图2 AN/SPY-1D（V）雷达

二是可升级的系统。AMDR天生具备完全可升级性， 雷达 系 统 基 于 一 个2×2×2英 尺（0.61×0.61×0.61米）的雷达组装模块，该模块能堆叠，根据任务要求组成大型雷达或小型雷达。目前美海军对AMDR的要求是SPY+15dB，但是也可以将雷达制造成SPY+25dB或SPY+10dB。

冷却、校准、功率和逻辑界面是完全可升级的，该雷达系统能适合无数种应用，并非仅适用于AMDR，同时具备实用性、可靠性和可维护性。为了实现这个目标，采用可重新编写的程序，基于商用成熟技术，这样可根据将来面临的威胁灵活改进，不容易过时，同时允许有多个供应商来源，降低成本，提供更强的竞争力。NAVSEA估计按照该方法在2012 ～2018年财年将共节省2.71亿美元的资金，同时AMDR的生产成本也将减少约4.5亿美元。

AMDR的优势

一是采用开放式体系结构和模式化设计。AMDR的开放式体系结构与SPY-1使用的体系结构将形成完全不同的两代。开放式体系结构也是当前舰载雷达的一个重要发展方向，这样可以用较低的成本实现新雷达的制造或旧雷达的升级，这种体系结构将彻底改变雷达的结构形式，并提高系统内处理单元的运算能力。模块化的设计准则使得

图3 AMDR可以升级成不同的尺寸满足不同舰船使用

三是采用新型材料，体积小功率高。在传输/接收模块中，使用氮化镓半导体技术加强AMDR的性能是另一个创新。氮化镓的主要优势是具备更高的功率容量和更高的功率密度，相比上一代的砷化镓设备，雷达在保持较小尺寸的同时具有更宽的工作频带、更大的输出功率、更高的信噪比以及更好的导热性和导电性。这些设备在较高的工作温度下仍能保证较好的技术指标，其平均故障间隔时间提高了一个数量级，其他性能指标也都有了较大程度的提高。

AMDR工程化和制造开发合同商雷神公司在氮化镓开发方面已经投入了大约1亿美元资金，整个研发和系统整合早在1999年就已经开始，在这15年的时间里，该公司与国防部长办公室和国防部先进研究项目办公室一起就氮化镓技术的性能、可靠性和可生产性进行研究。因此该技术的制造目前已经具备相当高的可靠性。

四是采用数字波束形成技术，灵敏度更高。AMDR是美国海军第一部专门用于同时执行防空和反导任务的一体化雷达系统，通过应用数字波束形成技术，实现AN/SPY-1无法比拟的高灵敏度和灵活的时间资源管理能力。相比AN/SPY-1D（V），灵敏度提高了30倍。

另外，AMDR涉及的关键技术以及面临的挑战主要包括以下三个方面，首先数字化波束形成。先进的软件运算法则，将雷达信号数字化，能同时产生和处理多种波宽，增加用于多种任务的雷达资源。能够有效消除电磁环境中的干扰。如果没有这项技术，对雷达的要求将不得不降低，在濒海或密集电磁干扰环境下雷达效率降低。但该项技术在AMDR这样的尺寸和结构系统中从未被论证过。

其次，传输/接收模块。可发射雷达信号的独立单元。相比DDG1000的大量搜索雷达中的模块，AMDR传输/接收模块必须产生高得多的无线电频率功率，效率提高10%以上以实现AMDR的能力要求。要达到要求的增长水平，合同商需要使用氮化镓半导体，该材料产生的功率和效率高于目前的材料。氮化镓是一种新型材料，长期可靠性还未知。从未被用于该等级的雷达中。若不能使用氮化镓材料，而必须使用目前成熟的材料，则需要增加舰船功率和冷却。替代方法是，可降低功能要求，采用螺旋形的开发计划，以期在今后达到目标功率水平。过去雷达的项目（大量搜索雷达和“Cobra Judy”号舰替代雷达）在传输/接收模块的试验和成熟化方面花费的时间比预估的更多，导致成本增加，计划延后。

还有就是作战系统整合。为了容纳和使用AMDR增加的能力和任务套件，宙斯盾作战系统需要进行改装。软件整合和试验是一个长期的过程，通常也是软件开发中最具挑战性的阶段，需要专业技能和进行综合试验。美国海军目前还未完全识别哪些界面将被影响，也未对需要开展的工作进行评估。虽然成立了作战系统整合工作组，但目前为止职能有限。多个技术开发商和两个项目办公室需要密切配合，协同工作，整合工作将会很有挑战性。项目早期缺乏试验和评估资产可能导致各种舰上整合的问题。

图4 美国海军下一代雷达AMDR

AMDR的采购计划和项目时间表

2009年6月～12月，AMDR-S/RSC概念研究阶段。因为AMDR-X暂被搁置，所以当前的采购主要集中在AMDR-S波段雷达和雷达控制器上。洛克马丁公司、诺普吉曼公司和雷神公司在2009年6月分别与NAVSEA签订合同，进行为期6个月的AMDR-S/RSC概念设计研究。

2010年9月～2012年9月，技术开发阶段。上述三家公司被授予价值1200万美元的技术开发合同，对在概念研究阶段提出的设计概念进行进一步的改进，并对关键技术进行进一步细化。在该阶段，要求三家公司论证四个关键技术：基于氮化镓的高能放大器和传输/接收模块、主动阵列物理结构、数字收发机以及大孔径数字波束形成和校准，验证这些技术已处于节点B所要求的准备就绪级别。该阶段也包括带大孔径数字波束形成的S波段主动相位阵列原型的生产和雷达运算法的功能试验。这是技术验证阶段，在这个阶段找出该项目真正的难点和风险，然后进行验证。计划用两年时间的固定价格合同将这些难点全部解决。

针对多任务的时序安排和识别的软件开发是技术开发阶段的另一个重要方面。对雷达的一个要求是可以同时侦察和跟踪弹道导道和空中目标。雷达须在一定的时间内将所有工作进行时序安排。这是雷达开发的一个新领域，也是一个关键技术，美国海军称之为综合防空和反导防御。

2012年6月，发布EMD阶段招标书。随着技术开发合同即将结束，针对AMDR-S/RSC的工程化和制造开发（EMD）阶段，NAVSEA发布了招标书，另外还有初步生产的选择权。在该阶段，要求合同商建造一个单面的AMDR-S工程化开发模型（EDM）和两个RSC EDM，用于在先进雷达侦察实验室进行试验。另外还需要交付一台AMDR-S/RSC界面模拟器（交付给海军水面作战中心）和一台AMDR-S仿真器。

2012年4月，美海军宣布首批12艘DDG-51“Flight Ⅲ”舰将装备现有的机械扫描AN/SPQ-9B X波段地平线搜索雷达，后继舰装备AMDR-X雷达。实际上海军还有足够的时间确定AMDR-X的最佳开发路径。现阶段美海军需要对多个方案进行审核，并在2019 ～2020年开始综合试验，这样才能满足计划的时间要求。

2013年9月，完成节点B的全部工作，进入EMD阶段。2013年9月AMDR成功地完成了节点B的审核，并被批准进入EMD阶段。随着对已完成方案的详尽全面的评估和一系列复杂的筛选，雷神综合防御系统公司成为最终合同商，执行美国海军水面系统司令部下一代防空和反导防御雷达（AMDR）S波段雷达的开发和小批量试生产（LRIP）任务。NAVSEA于2013年10月 授 予雷神公司价值3.86亿美元的EMD合同，要求在45个月内设计、开发、整合、试验和交付AMDR-S波段雷达和雷达控制器。合同中还包含采购9套雷达系统的选择权，加上选择权，合同总价值为16.3亿美元。在该合同下，AMDR套装将与现有的AN/SPQ-9B X波段雷达整合。

随后由于另一竞争对手洛克马丁公司的抗议，海军下发了停止工作命令，但很快，2014年1月14日，停工命令撤消，雷神公司重启雷达系统的开发工作，主要内容为确定功率、灵敏度、动态范围、功率管理和信号处理等，并计划2023年投入使用。

在小批量试生产情形下购买9台雷达是美海军采购战略的一部分，目的是通过EMD竞争获得雷达系统的报价，首艘装备AMDR的舰只将是第一批33艘DDG-51“Flight Ⅲ”舰中的首艘DDG-124，该舰计划于2016年投资建造，并计划2023年AMDR在DDG-124舰上取得初步操作能力。

首批9台雷达仅为小批量生产，转化为大批量生产还需通过初步操作试验和评估（IOT＆E）。余下的13套AMDR系统计划采用竞标的形式。对此雷神公司认为他们在竞争中占有很大的优势，但是仍需要尽力降低系统成本使其维持良好竞争力。他们在系统的制造和组装方面进行了大量设计以确保系统能在很短的时间周期内具备可生产性。

雷神公司最大的AMDR开发分承包商是通用动力先进信息系统公司，于2014年1月与雷神签订合同，在工程化和制造开发阶段中承担部分任务。在整个技术开发阶段中，该公司是一个关键供应商，负责提供开放式结构技术以及提供数字收发机和数字波束形成子系统。其他分包商包括Anaren公司（射频部件）、Major Tool & Machine公司（结构）、TTM技术公司（底板和冷却器）、CGR技术公司（雷达模块组装底盘制造）。

另外，为了将AMDR装备至DDG-51“Flight Ⅲ”型舰上，还需要对该舰进行重新设计，初步设计工作开始于2012年5月，原计 划2014年4月 完 工。 随 着 将4个4.27米 孔 径 的AMDR-S天线引入到主甲板室（当前的AN/SPY-1D（V）天线孔径为3.66米），“Flight Ⅲ”型舰也需要在服务功率上有一个提升，因此用3台4 MW/4160V的燃气轮机发电机取代目前“Flight ⅡA”上用的3台3MW/450V发电机组。同时要确保在不影响上层建筑设计的前提下，DDG-51舰的甲板能容纳该型雷达。

图5 AMDR-S雷达将装备在DDG-51“Flight Ⅲ”舰上

通过了解美国下一代雷达系统的研制可以发现，采用开放式的结构体系和模块化的设计是美国众多海军装备研制的一个重要特点。例如，美国海军的下一代综合电力系统也采用了开放式的结构，整个系统被分为六个子模块，可以分别由不同的公司单独研制。这样的模式有效地减少了研发成本，缩短了研发时间。另外可升级的特点使得系统的通用性和适应性大大增加。

美国军用装备合同商重视对关键材料、关键技术的前期储备，比如AMDR项目中采用的新型材料氮化镓，对提高雷达系统性能具有十分关键的作用，实现了高功率雷达的装舰使用。而该材料的研制工作开始于上世纪末，充分的技术储备对促进该项目的成功可以说起到了至关重要的作用。

新型装备，特别是具有划时代意义的新型装备的研制是一项耗时长、成本高的系统性工作，充分的技术储备、科学规范的管理和严格的论证缺一不可，而装备的成功研制也确保了舰船能力提升至一个新的等级。