美国海军舰载相控阵技术发展综述

吴小强

(海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003)

美国海军舰载相控阵技术发展综述

吴小强

(海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003)

综述并研究了美国海军在舰载相控阵技术方面的发展状况,特别是进入21世纪以来,与舰载雷达功能相关的宽带有源电扫描相控阵技术的发展历程。从美国海军在宽带有源相控阵技术方面的大力投入及发展路线图来看,在宽带相控阵天线以及GaN等宽带大功率固态器件以及开放式通用信号处理架构的技术推动下,增加无源探测、协同探测和电子干扰能力已成为舰载相控阵雷达的发展趋势。

宽带有源相控阵; 先进多功能射频; 综合桅杆; 协同探测

0 引 言

上世纪七八十年代起,为满足美国海军对舰载系统的功能、运行和互操作能力不断提高的要求,舰上的电子设备(雷达、通信、电子战设备等)的数量持续增加,从而导致舰艇甲板天线数目剧增。据美国海军研究实验室(NRL)的数据,90年代各类大中型舰艇上的天线数量基本上是80年代的2倍,其结果带来了电磁兼容、隐身、成本、维护等方面的一系列问题[1]。

在作战需求层面上,随着海上及空中反舰导弹、弹道导弹以及各种攻击型新型飞行器的快速发展,对舰载雷达预警探测提出的要求越来越高。对美国海军而言,随着其全球化战略的推进演变,对濒海作战也提出了更高的要求。

在电子技术和信息技术的层面上,随着GaAs、GaN、SiC等固态大功率器件的不断发展,其工作带宽越来越宽,功率越来越大,成本及价格越来越低,极大地推动了固态宽带有源相控阵技术的发展。FPGA等高速高性能信号处理芯片以及商用货架(Cots)技术的飞速发展,为宽带数字多波束技术、高性能综合信号处理技术、系统资源调度以及共享硬件资源的多功能、多任务系统技术的发展奠定了良好的基础。

上述若干因素为舰载相控阵技术特别是舰载相控阵雷达功能的发展产生了深远的影响。本文旨在通过对美国海军近年来在舰载相控阵技术方面的发展状况的探讨,为研究分析舰载相控阵雷达技术的发展趋势提供参考。

1 典型装备现状

1.1 双波段雷达(DBR)

双波段雷达(DBR)由两部雷达组成[2]：一部工作于X波段的AN/SPY-3型多功能雷达(MFR)和一部工作于S波段的AN/SPY-4型立体搜索雷达(VSR)。两部雷达均采用有源固态相控阵体制,每个波段3个阵面,其中AN/SPY-3每个阵面为5312个单元。

AN/SPY-3雷达的主要工作模式是扫描时的水平线搜索/跟踪、水面搜索/导航、潜望镜检测和辨别以及环境绘图。在交战期间,AN/SPY-3雷达还执行目标精确跟踪、己方导弹跟踪/制导、导弹通信和目标照射。VSR主要工作模式是连续的立体搜索、精确跟踪和环境绘图。在资源管理器的指令下,几个模式能够被不同波段执行,如有限区域的立体搜索、精确跟踪或目标截获。其作战模式如图1所示。

DBR同时工作于两个电磁频段(X和S频段),首次实现了用一个资源管理器协调两个频率的操作。DBR具备无源搜索和跟踪能力,在该种模式下工作时无电磁辐射,红外辐射也很低,具有很好的隐蔽作战能力。DBR在波形级对每一部雷达进行控制,可以对两个频段进行综合优化利用,使雷达时间线的使用达到最大化,雷达可以根据需要增加搜索和跟踪重访率,从而改善航迹相关处理能力,提供精确的威胁跟踪,并减小对电子攻击的敏感性。

图1 双波段雷达DBR的作战模式

DBR主要装备美国海军DDG-1000型“朱姆瓦尔特”级驱逐舰和CVN-78型“福特”级航母。其在DDG-1000驱逐舰和CVN-78航母上安装示意图见图2[3]。

1.2 空中和导弹防御雷达(AMDR)

空中和导弹防御雷达(AMDR)是由雷声公司为美国海军FlightⅢ阿利·伯克级驱逐舰(DDG-51)开发的,包括1部S波段雷达(AMDR-S)、1部X波段雷达(AMDR-X)和1部雷达套件控制器(RSC)[4-5]。AMDR将为阿利·伯克级驱逐舰增加检测范围和识别准确度。图3给出了AMDR的概念示意图。

图2 双波段雷达DBR在DDG-1000驱逐舰和CVN-78航母上安装示意图

图3 DDG51 FlightIII上AMDR概念示意图

空中和导弹防御雷达(AMDR)将弥补海上空中及导弹防御联合部队(MAMDJF)初始能力文件中确定的能力差距,提供了下一代综合空海防御能力(IAMD)以应对空中及弹道导弹威胁的并发袭击。

据美国海军海上系统司令部项目执行办公室综合作战系统(PEO IWS)官员在水面海军协会2014年研讨会上介绍,未来的AMDR可能要增加电子攻击能力,该功能可能使用基于大功率GaN的有源电子扫描阵列(AESA)来执行完成。类似的功能已经在机载AESA雷达上实现,如安装在洛克希德·马丁公司的F-22猛禽战斗机上的诺斯罗普·格鲁门公司的AN/APG-77多功能雷达已经具备电子攻击能力。在未来,洛克希德的F-35和波音公司F/A-18E/F和EA-18G也将获得诺斯罗普AN/APG-81和雷声AN/APG-79雷达类似的功能。

1.3 先进的多功能射频概念(AMRFC)

先进的多功能射频概念(AMRFC)是针对上世纪90年代以来舰艇电子设备持续增加、甲板天线数量剧增所带来的电磁兼容、隐身、成本、维护等方面的一系列问题。为解决这一难题,美国海军及相关工业部门提出了在宽带有源相控阵体制上实现电子设备的雷达、通信、电子战等多功能、多任务综合一体化设计的概念[6-8]。AMRFC的功能示意图如图4所示。

1997年,由美国海军研究办公室(ONR)发起,在佛罗里达州召开了一次宽频带射频科技研讨会。会上,工业界与会者就宽频段技术在多功能射频系统中的应用、宽频带雷达系统、宽频带电子战系统、宽频带通信系统以及支撑多功能射频系统未来应用的光电技术等进行了广泛、深入的讨论。在此基础上,开始了AMRFC计划。该计划由ONR资助,海军研究实验室(NRL)牵头实施,主要合同商包括洛克希德·马丁公司(Lockheed-Martin)、诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)、雷声公司(Raytheon)和通用动力公司(General Dynamics)等。

图4 AMRFC系统工作示意图

AMRFC的目的是演示把雷达、电子战和通信等多种舰载功能在一组共用的天线阵、信号处理和显示设备上进行综合的能力。为了演示这种新概念的可行性,2004年美国海军研制出一种AMRFC测试床(Test Bed),以验证以上列出的AMRFC计划和目标。AMRFC测试床选择了6～18 GHz这一关键超宽带频段,并采用宽带有源相控阵体制,使用独立的接收阵和发射阵,在共用6～18 GHz综合射频孔径、波形发生与发射、核心系统软件、综合射频软件等条件下,完成了对通信、电子战和雷达功能的演示和验证。

1.4 综合桅杆技术(InTop)

“综合桅杆”(InTop)技术是继AMRFC项目实施之后,美国海军研究办公室(ONR)创立的另一项极具创新性的海上项目,其目的是为了发展一套具备电子战(EW)、信息作战(IO)、雷达以及通信功能,并能持续动态升级,以适应海军各级舰船及潜艇的综合一体化多功能系统。InTop将具有开放式、模块化和可缩放三大特点,可以无缝集成到新平台的设计和结构中,且可以根据未来新的作战要求进行动态升级。InTop系统的主要应用方向为新造舰艇,但也适用于集成或替换老式平台上的现有系统[9]。

InTop项目的主要目标有：

(1) 开发、集成和演示验证多种新型孔径和分系统,采用模块化、可缩放的开放式体系架构,支持多功能射频任务；

(2) 通过共享资源的分配管理(RAM),演示验证多个舰载射频功能应用的集成和协调控制,优化射频频谱设计和硬件设计；

(3) 与美国海军海上系统司令部(NAVSEA)合作,开展舰船创新设计,采用InTop一体化传感器/通信系统,优化舰船的尺寸设计和性能。

图5示出了InTop的概念原型。

图5 综合桅杆(InTop)的概念原型

2011～2013三个财年,美国海军计划共投资约1.5亿美元用于InTop项目的研究,主要的研究内容包括：

a. 开发支持潜艇电子战能力的宽带卫星通信阵列天线；

b. 开发用于支持水面舰艇的电子战/信息战/视距内通信的宽带阵列天线；

c. 开发面向宽频带、多波束、多波段阵列的结构、标准和器件；

d. 开发支持其他射频功能的宽频带水面舰艇通信阵列；

e. 开发企业级通用资源分配管理器；

f. 开发全数字阵列雷达以演示相参雷达网络化和控制的先进概念。

1.5 TRS-4D的有源相控阵技术

2013年底,F125级护卫舰TRS-4D海上雷达在北海和波罗的海通过工厂验收测试[10]。这种雷达将配备在德国海军F125级护卫舰。与传统雷达相比,TRS-4D雷达采用基于氮化嫁(GaN)的有源相控阵(AESA)技术,处理精度更高、速度更快、目标范围更广,可有效应对不对称威胁。在测试中,TRS-4D展示了极高的探测精度,特别是针对无人机、导弹和潜望镜等小型目标。2014年,首套雷达系统将安装于首舰“巴登·符腾堡”号上。TRS-4D采用有源相控阵雷达技术,可安装在中小型水面舰艇上,F-125型上装有4面固定阵面,利用电子控制波束。

2 发展趋势

本文综合介绍了美国海军主导发展的几个主要项目,面向DDG-1000型驱逐舰和CVN-78型福特级航母的双波段雷达、Flight Ⅲ的阿利·伯克级驱逐舰的空中和导弹防御雷达、多功能综合射频概念以及综合桅杆技术。通过对美国海军近十几年来在舰载相控阵雷达技术方面提出的主要概念、重点投入发展的主要项目及路线图可以看出以下几个趋势[11]：

(1) 采用固态有源相控阵体制已成为未来舰载雷达的发展趋势,适应了多功能、多任务、平面化、隐身等发展需求。

(2) 将低波段和高波段等不同波段的多部雷达或阵面进行综合调度管理,也是未来舰载雷达的发展趋势,可以进一步合理使用全舰雷达资源并提升全舰雷达对威胁目标的综合探测能力。

(3) 采用宽带固态有源相控阵体制的雷达、电子战、通信等多种电子设备将推动全舰平面化综合桅杆的设计与发展,如何更合理地使用好全舰相控阵阵面资源并提升全舰包括雷达功能在内的电子战及通信的综合作战能力,是需要进一步研究的课题。

(4) 随着GaN等宽带固态有源器件和超宽带相控阵天线的飞速发展,以及雷达、电子干扰等多功能在F-22等机载宽带有源相控阵雷达设备上成功应用,将雷达功能和电子干扰功能相结合已成为未来舰载相控阵雷达技术的发展趋势。宽带固态有源相控阵技术具有很多优势,可以综合解决舰艇平台上天线林立、电磁兼容、操作维护、隐身、多功能、多任务等一系列问题,是未来舰艇电子装备的重要发展方向。

(5) 基于相控阵射频资源的协同探测技术。基于相控阵射频资源实现海上编队传感器跨平台协同探测,提升“四抗”能力,为协同作战提供目标信息支撑,是未来重要的发展趋势[12]。

[1] William J Fontana, Karl H Krueger. AN/SPY-3: The Navy’s Next-generation Force Protection Radar System [C]. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003, 594-603.

[2] Alan L Tolley, John E Ball. Dual-band Radar Development: From Engineering Design to Production [J]. Leading Edge, 2010, 7(2): 52-61.

[3] Ronald O’Rourke. Navy DDG-51 and DDG-1000 Destroyer Programs: Background and issues for Congress [R].US Congressional Research Service, 2012.2:19-23.

[4] RDML Jim Syring. Balancing Capability and Cvapacity[C]. ASNE Combat Systems Symposium, 2012.3.

[5] Raytheon Company. AMDR: Raytheon Wins EMD Competition for the USA’s Next Dual-Band Radar, 1-12-2014.

[6] Dave Majumdar, Sam LaGrone. Navy’s Next Generation Radar Could Have Future Electronic Attack Abilities, USNI,1-17-2014.

[7] Tavik C G, Hilterbrick CL, Evins J B, et al. The advanced multifunction RF concept [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(3):1009-1020.

[8] Graaf J, Clancy J, Brockett S, et al. Transmit/Receive isolation and ERP measurements of the AMRFC testbed [C]. IEEE conference on Radar, 2006: 565-572.

[9] NRL, Integrated Topside (InTop) Joint Navy-Industry Open Architecture Study, 10-09-2010.

[10] 《外国海军武器装备发展2013年度报告》编写组.外国海军武器装备发展2013年度报告[M].海军装备研究院科技信息研究所,2014.

[11] Larry Schuette. ONR Technology Strategy: Today and Tomorrow for PEO-IWS, 12-13-2011.

[12] 罗军,李庶中,黄孝鹏.海用雷达协同探测系统发展研究[J].先进雷达探测技术,2013(5).

An overview on development of shipborne phased array technologies of U.S. Navy

WU Xiao-qiang

(Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

The development of the shipborne phased array technologies of U.S. Navy is studied and discussed, especially the wideband active electronically scanned phased array technology related to the shipborne radar functions since the 21st century. From the great effort and development route map of the wideband active phased array technologies of U.S. Navy, it can be seen that driven by the wideband phased array antenna, GaN and other wideband high-power solid-state components, and open architecture of universal signal processing, passive detection, cooperative detection and ECM capability have been the development trends of the shipborne phased array radar.

wideband active phased array; AMRFC; InTop; cooperative detection

2014-10-20

吴小强(1971-)，男，工程师，研究方向：雷达总体技术。

TN958.92

A

1009-0401(2014)04-0001-04