机载预警雷达技术发展探析

杨 号，朱绍强

（海军装备部西安局，西安710089）

机载预警雷达技术发展探析

杨 号，朱绍强

（海军装备部西安局，西安710089）

分析了世界各国预警雷达发展概况，分别对一至四代预警雷达的功能等进行了研究；论述了新一代预警雷达的工作原理、雷达组成、功能、工作过程和技术特点；指出了机载预警雷达未来发展的关键技术，包括有源相控阵雷达技术、数字阵列雷达技术、共形相控阵技术，双/多频段雷达技术及先进的信号处理技术等。

机载预警雷达；预警机；有源相控阵

预警飞机是一种装备远距离搜索雷达、数据处理、敌我识别及通信导航、指挥控制、电子对抗等完善的电子设备，集预警、指挥、控制、通信和情报功能于一体，用于搜索、监视与跟踪空中和海上目标，并指挥、引导己方飞机执行作战任务的作战支援飞机。机载预警雷达是预警机最主要的传感器，预警机的绝大部分功能都依靠预警雷达提供的信息来完成。机载预警雷达主要用来探测敌方战机、海面舰船、弹道导弹及地面部队等目标。机载预警雷达采用兆瓦级以上的超高发射功率，工作频率集中在超高频（UHF）波段、S波段和L波段，作用距离达到数百公里，能够在搜索的同时跟踪数百个目标。

近年来，随着新的电子技术的应用，机载预警雷达的功能更为强大。机载预警雷达的空域覆盖范围更大，下视能力更好，电子战能力更高，生存能力更强。面对反辐射导弹（ARM）、隐身飞机、巡航导弹等高科技武器的出现，世界各国争相发展预警机搭载新一代预警雷达[1]。因此，研究预警雷达的新技术发展方向和应用的新技术，对于发展预警飞机项目和完善预警雷达系统地面测试有着重要的指导意义。

1 预警雷达的发展概述

1.1 早期及第一代预警雷达

美军的早期预警机装备是通用电气公司（GE）研制的AN/APS-20雷达。雷达工作在S波段，峰值功率1MW，天线采用抛物面形式，口径达到2.4 m，波束扫描方式为机械扫描。第一代预警雷达以AN/APS-70/ 70A、AN/APS-82为代表，雷达具备了的动目标显示电路，具有初步的杂波滤除功能，并且采用单脉冲技术对小型飞机的探测距离达到150km，可以测出目标的飞行高度。

1.2 第二代预警雷达

第二代预警雷达以装备于E-2系列预警机的预警雷达为代表，如AN/APS-120、AN/APS-138、AN/APS-139和AN/APS-145预警雷达等。AN/APS-120雷达硬件上运用了大规模集成电路，提高系统的数据处理能力；运用了动目标检测（MTD）技术，对每一距离单元上的信号进行多普勒频率滤波，以区别杂波和飞行目标，提高了杂波系数20dB；运用副瓣对消技术改善了天线性能。AN/APS-120雷达具备自动检测海面和陆地低空目标的能力。AN/APS-138、AN/APS-139雷达主要改善副瓣电平，采用新型滤波器，改善边瓣对消技术，增加自动监控/选择器以改善检测性能，提高了跟踪能力，采用全口径相位和幅度控制（TRACE-A）阵列，使得工作方式多样化并提升了天线性能。AN/ APS-145雷达主要改进自动检测/跟踪能力、扩大了检测范围、提高反杂波性能。

1.3 第三代预警雷达

第三代预警雷达以装备于E-3系列预警机AN/ APY-1和AN/APY-2两种型号的预警雷达为代表。AN/APY-1和AN/APY-2预警雷达均采用S波段PD体制，雷达数据处理能力显著增强，工作方式多样化。如AN/APY-1雷达可以有多种工作方式，方位扫描时可以把监视空间分成24个扇区，各扇区可以根据情况自选工作方式，并可以随时更换。方位覆盖360°，小型低空目标探测距离300km，大型高空目标探测距离600km，可在复杂背景中同时跟踪600个目标，引导己方上百架飞机实施拦截，并具有良好的对抗各种人为干扰的能力[2]。

1.4 第四代预警雷达

第四代预警雷达以格鲁曼公司的多功能电扫描阵列（MESA）雷达、Phalcon“费尔康”预警机雷达等为代表。该阶段发展的预警雷达以多功能电扫描阵列、共形相控阵等技术为显著特征。多功能电扫描阵列（MESA）雷达工作在L波段，方位和俯仰二维相扫，可在350km半径范围内同时跟踪飞机和舰艇，而且波束扫描灵活、探测距离远，如载机9km高度飞行时探测距离达850km。Phalcon“费尔康”预警机雷达最大的特点是采用L波段共形相控阵天线，改善雷达安装平台的空气动力性能，增大天线有效口径并提高天线增益。Phalcon“费尔康”预警机雷达可提供360°全向覆盖，全方位搜索和监视陆地、水面和空中目标。在巡航高度执勤的典型作用距离：大型高空目标670km，中型目标445km，低空小型目标370km。

2 新一代机载预警雷达特点及其工作原理

近50年来，机载雷达不断注入新的技术成果，性能大幅度提高。新技术是提高雷达探测能力的原动力。在单脉冲跟踪体制未获使用前，圆锥扫描体制的雷达难以对付敌方释放的角度欺骗干扰；没有相参体制脉冲多普勒雷达，就无法对付借着强大地杂波掩护的低空入侵的飞机和导弹；没有频率捷变体制的雷达，就很难同现代战争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡[3]。相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。相控阵体制是提高雷达在恶劣电磁环境中对付低空、机动、隐身目标作战能力以及彻底改进系统可靠性的关键技术。新一代机载预警雷达无一例外地采用了相控阵体制。

2.1 新一代机载预警雷达特点

由于采用了固态有源相控阵，机载预警雷达具有以下特点：

1）高可靠性。有源相控阵天线的T/R单元成千上万，少量单元失效，不会影响整个系统的工作；分布式发射机代替集中发射机，降低了系统对单点故障的敏感度，同时可避开集中发射机内的高压高功率问题；以电扫取代了机械扫描，因而预警雷达的可靠性能成数量级提高。

2）扫描速度快。机械扫描速度一般为6 r/min，即每秒转36°，而电扫描波束的转动几乎无惯性，波速方向转换约需十几微秒，是常规雷达反应时间（大约几秒）的几十万分之一。这样快的扫描速度为对付多目标、高机动目标、隐身目标和各种干扰提供了广阔的前景。

3）多功能。相控阵雷达在同一时间内能完成多种功能或同一部雷达能分时实现多部雷达的功能。

4）探测距离远。由于T/R单元紧靠天线，有源相控阵收、发支路的损耗要比机械扫描雷达的小4～6 dB；相扫天线能充分利用机上空间使天线增益相对变大；另外，随着固态功率器件的发展，分布式发射机提供了加大总发射功率的潜力。这一切使得有源相控阵雷达的探测距离提高了40%以上[4]。

5）被截获概率低。固态发射机可以实现瞬时开关，易于实现功率管理；通过阵列天线技术，使天线副瓣的零陷对准侦察机方向，增加了雷达的隐蔽性，降低了截获概率。

2.2 新一代机载预警雷达组成、功能及工作过程

2.2.1 新一代机载预警雷达组成和功能

新一代机载预警雷达系统的组成可分为3个主要部分，包括有源电扫描阵列（ASEA）、接收机-激励器（RX-EX）组合部分、处理器组合部分。其组成功能框图如图1所示。

图1 有源相控阵雷达的组成及功能框图Fig.1 Composition and function block diagram of the active phased array radar

有源电扫描阵列（ASEA）用于调整信号，控制波束的指向和形状、辐射和接收能量。有源电扫描阵列包括T/R组件阵列及其支撑结构、将直流电源和射频信号与所有组件联接起来的连接器、热控制设备、阵列的低噪声电源和数字式波束控制器。有源电扫描阵列的接收前端和发射功能是由成百上千的固态T/R组件来完成的，这是有源相控阵雷达最显著的特点。这些固态T/R组件和天线辐射单元之间没有馈线连接，是直接安装在天线辐射单元的后面。在发射信号时，由激励源送来的信号输入至固态T/R组件的发射通道，经收/发开关、数字移相器、驱动放大器、功率放大器使输入激励信号放大后，再经输出收/发开关馈送给相控阵平板天线辐射单元。在接收周期内，由相控阵平板天线收到的微弱信号，经输出收/发开关、开关限幅器、低噪声放大器，再经数字移相器、输入收/发开关最后送至接收机。

接收机-激励器（RX-EX）组合部分用于控制雷达工作方式和定时，选定激励波形以及将接收信号变为数字信号进行处理。这部分还包括1个控制器，对雷达系统的工作实施全面的控制并监视雷达系统的全部性能。

处理器组合部分用于从数字信息源中取出目标信息，并将其变换成显示系统所要求的综合数据形式。

2.2.2 新一代机载预警雷达典型工作过程

控制指令由处理器组合单元产生，经总线接口输入到接收机-激励器（RX-EX）组合部分。接收机-激励器（RX-EX）组合部分根据外部指令和经过数据处理后有关目标的位置坐标等，产生雷达波束驻留指令，包括波束的角位置、发射时间、频率、波形、脉冲周期、检测门限等参数及波束驻留标志等信息，并将这些指令经雷达内部的数据接口送往波束控制计算机。波束控制计算机根据波束驻留指令计算出每个移相器的相位，使天线阵列中的各个单元具有适当的相位移，以便形成指定方向的波束。

同时，在激励器中产生适宜的工作波形和载波频率信号，然后经变频或倍频处理，升高到发射的载频，在发射机中放大到一定的功率，送至阵列天线。在阵列天线中经移相器移相，使发射的波束处于波束驻留指令要求的方向上。

在接收机输出端得到的回波信号，经数据总线送到信号处理器中。信号处理器对于收到的这些波束驻留回波数据依相应的波束驻留目的来进行处理。如对搜索数据的处理不同于对跟踪数据的处理。因为在搜索工作方式下系统只是试图确定目标是否存在，而跟踪方式则要求精密估计目标的参数。在搜索时，一旦信号超过设定的门限电平，就宣布发现目标，并开始截获跟踪工作方式。在跟踪时，通常目标的位置和速度是要估计的最少参数。为了实时得到目标当前位置、速度及预测位置的最佳估计值，通常采用一组递推算法，可以是Kalman滤波方程，也可以是α-β滤波方程，并用计算机程序实现，从而形成采样数据的电子伺服回路来完成跟踪功能。信号处理器在对信号进行恒虚警处理（CFAR）、自动调整门限电平、动目标检测等各种抑制杂波、增强有用信号的处理后已变为数字量，这些目标数据经数据总线进入控制/显示单元[5]。

控制/显示单元提取总线上目标数据，根据控制/显示系统的要求，经过总线接口送往任务电子系统并记录，以便作进一步的分析；同时送往显示器，以便把有关数据显示到综合平面显示器上。

3 机载预警雷达发展的关键技术

3.1 有源相控阵雷达技术

目前，国外已列装和在研的装有相控阵雷达的预警机主要包括瑞典的“萨伯”S-100B、以色列的“费尔康”和“湾流”以及美国的“契尾”737-700（雷达为多功能相控阵雷达MESA）等。有源相控阵具有探测能力强、可靠性高、体积小、重量轻、波束控制灵活、抗干扰能力强，自适应能力强，便于实现功率管理和工作方式灵活可控等优点，是雷达技术的发展方向。采用相控阵天线还易于实现天线阵面共形。从而进一步降低天线对飞机空气动力学性能的影响，增大天线孔径和提高雷达探测距离。

机载有源相控阵预警雷达的关键技术主要包括高可靠性T/R组件及其测试技术、高精度的加工和制造工艺、多通道幅相特性实时监测和校准、低副瓣天线技术等[6]。

3.2 数字阵列雷达技术

有源数字阵列雷达（Digital Array Radar，DAR）的核心部件是数字T/R组件，它利用数字式直接合成频率源（DDS）的相位可控性来实现对相控阵发射波束和接收波束的控制。发射和接收波束全部采用数字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）。目前是从中频信号开始的全数字化。阵列通道数字化具有多功能、可重构、智能化、集成度高的特点。同时又便于结合空时自适应信号处理（STAP），多发多收（MIMO）等先进技术，在军事领域有着广阔的应用前景，通道数字化技术在应用中还需要考虑技术成熟程度、造价和实用性。最终在通道级还是在子阵级应用数字技术，还要以实际需求为最终依据。

3.3 共形相控阵技术

1）改善雷达安装平台的空气动力性能。预警雷达采用共形相控阵天线。不但可以取出安装在机身背部的天线旋罩，改善飞机空气动力学性能，而且可以克服天线旋转对雷达数据率的限制。

2）增大天线有效口径并提高天线增益。为避免雷达天线对载机空气动力性能的影响，雷达天线安装空间受到明显限制，比较好的解决办法是把天线和机身融合在一起，把天线嵌入飞机蒙皮内，即所谓的“智能蒙皮”，可减少体积和减轻重量。而且若采用共形天线，则可以安装在机身、机翼和机头等部分，增加了有效利用的口径面积。如以色列“湾流”共形相控阵天线分布在机身的两侧、机头和机尾。T/R组件的结构形状可分为“砖头状”（长条形）和“瓦片状”（薄片形），当前有源相控阵天线所用T/R组件为长条形，而发展共形天线薄片形的T/R组件是关键[7]。

3）克服平面相控阵的缺点。利用共形相控阵，有可能克服平面相控阵的一些缺点，提高雷达的性能，包括获得比平面相控阵天线波束更宽的扫描范围；改善平面相控阵天线的天线增益和波束宽度随扫描角远离法线而降低的缺点，改善雷达分辨力和测角精度；获得比平面相控阵更好的宽带性能；降低天线通道之间的互耦影响提高幅相稳定；便于伪装和天线分散布置[8]。

3.4 双/多频段雷达技术

机载预警雷达常用频段为UHF、L和S频段，为了获得最佳的综合性能，可采用多频段系统集成。UHF频段对低RCS目标方面获得优于L频段的探测能力，而且器件技术易满足大功率要求；采用L或S频段则不仅易获得较大的空间自由度，以更有效地利用各种信号处理算法，提高反干扰和抗杂波抑制的能力，而且可以得到更高的目标跟踪和定位精度[9]。

3.5 先进的信号处理技术

为了提高雷达的监测性能、信息获取性能和生存能力，机载雷达会采用一系列新的信号处理方法。例如，为提高雷达的杂波抑制性能，可采用空时自适应处理（STAP）方法；为提高地面慢速目标的监测能力和获得综合信息的能力，将原用于战场目标监视和管理的合成孔径雷达（SAR）和地面动目标显示（GMTI）功能集成到机载预警雷达中；为提高检测特殊目标（如反辐射导弹ARM、隐身飞机、巡航导弹和武装直升机）的能力，需要探索有针对性的方法[10]。

4 结束语

目前我国也积极发展预警雷达技术，如有源相控阵技术、数字阵列雷达技术等。未来的机载预警雷达会以先进相控阵体制为主，并有机集成一系列先进技术，在增强防空预警基本功能的同时，进一步发展监视、侦查和指挥控制等功能，从而实现更为强大和全面功能。随着未来预警雷达一系列新技术的应用，对用于保障预警雷达正常使用的地面测试系统构建提出了更高的要求。如何满足新一代预警雷达的测试需求，实现预警雷达的地面检测，提升预警雷达系统的地面保障能力，这是我们面临和亟待解决的问题。

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Development Analysis of Airborne Early Warning Radar Technology

YANG Hao,ZHU Shaoqiang
（Military Representatives Bureau of NED in Xi’an Area,Xi’an 710089,China）

The developing situation of the world's early warning radar was analyzed,and the functions of the three and four generation early warning radar was studied.Then,the composition,function,working process and technical characteristics of the new generation of early warning radar was discussed.Finally,the key technologies for the future development of the airborne early warning radar,including active phased array radar technology,digital array radar technology,conformal phased array technology,dual/multi-band radar technology and advanced signal processing technology,etc.were pointed out.

airborne early warning radar;early warning aircraft;active phased array

TN959.1

A

1673-1522（2015）05-0462-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.013

2015-05-18；

2015-07-23

杨 号（1976-），男，工程师，大学。