机载火控雷达技术发展及对导引头的启示

徐艳国

(南京电子技术研究所，南京 210013)

机载火控雷达技术发展及对导引头的启示

徐艳国

(南京电子技术研究所，南京 210013)

机载火控雷达和导弹导引头具有相似的功能定位，均面临着来自于隐身目标、高机动目标、慢速目标、复杂电磁环境和地理环境的挑战。两者基于相似的技术途径应对挑战，主要包括相控阵、载荷与平台一体、智能化架构、体系化作战等。但与机载火控雷达相比，考虑到导引头的独特之处，在低成本相控阵天线、高精度波束指向、高效散热、高效算法等方面提出了更高需求。

机载火控雷达； 导引头； 相控阵； 低成本相控阵天线

0 引 言

机载火控雷达主要用于实现对空、地/海目标探测及跟踪，配合武器系统实施拦截与打击。导引头用于快速探测和截获目标，稳定精确跟踪，引导导弹攻击目标。总体而言，两者具有相似的功能定位。此外，在作战应用中，机载火控雷达与导引头均面临着隐身目标、高速高机动目标、复杂电磁环境和杂波环境的挑战。

相似的功能定位及挑战，意味着机载火控雷达和导引头在体制和硬件实现上并无不可逾越的鸿沟。导引头可视为一部功能精简、硬件浓缩的小型火控雷达。因而，将在机载火控雷达中已经逐渐开始应用的相关理念和技术移植到导引头上，是一个可行的做法。

但在具体实现上，机载火控雷达的重量、供电和环控条件与导引头相比更为理想，火控雷达在技术体制的应用上比导引头更为冒进一些。目前，机载火控雷达正处于从机械扫描体制转换为全面有源相控阵的阶段，导引头则依然以机械扫描体制为主。

未来，两者在技术途径选择上必然殊途同归，主要采用有源相控阵、一体化设计、智能化架构、体系化应用等技术。然而，具体到细节之处，相控阵导引头有其需要重点研究的独特之处，主要包括更低的天线成本约束、更高的波束指向精度要求、更高效散热设计、更智能算法选择。

1 面临的主要挑战

1.1 愈发难以应对的目标

与常规目标相比，隐身目标的微波波段RCS值降低1～2个数量级，从5～10 m2降低到不足0.1m2量级。对于现代战争样式构成巨大冲击[1]。

(1) 压缩防御方的探测距离，提高突防效率。现役预警机主要是针对常规非隐身空中目标，探测隐身目标时性能下降严重。地基情报雷达面临的情况与预警机类似。隐身飞机的出现使得雷达威力大幅下降，因而覆盖网出现了很多“漏洞”。传统飞行器突破对方严密的防御系统需要冒着枪林弹雨，风险极大。隐身飞行器则可以寻找预警探测网的“漏洞”，沿着这些安全通道突防，如图1所示。

图1 常规飞行器和隐身飞行器突防效能对比

(2) 增强空战中的对抗优势。对于战斗机而言，隐身意味着被对方探测的距离大幅缩减，进而提升在空战中的优势，确保本方“先敌发现、先敌攻击”的优势。对于导引头而言，由于对隐身飞机的截获距离大幅下降，同样导致导弹的攻击效能下降。

除增强隐身能力外，目标的机动性能进一步提升，飞行包线逐渐向两个极端拓展。一方面，美、俄等国都在加紧研制飞行马赫速度可达5以上的高超音速飞行器，以提高对目标的打击效率，典型项目包括美HTV-2，X-51、俄罗斯Yu-74等。另一方面，全球范围内，各种“低小慢”目标的应用越发普遍，主要包括大量应用的低空慢速无人机，这类无人机可单独作战，也可蜂群协同作战。无论是高超音速目标还是“低小慢”目标，均对战斗机雷达或导引头构成巨大挑战。目标太快，容易出现跨波束、跨距离单元、跨多普勒单元的“三跨”现象，导致无法有效积累； 目标太慢，则从多普勒域上和杂波难以分离。

1.2 愈发纷繁复杂的环境

电子对抗能力直接决定战争的胜负，受到军事强国的高度重视。仅美军就生产和装备有600多种电子战设备或系统，拥有上千架专用电子战飞机。科索沃战争中, 从飞机出动的架次看, 基本上约1/3用于轰炸, 1/3用于电子战, 1/3用于支援保障。由此可见, 电磁干扰已成为空袭和防空作战的重要手段。现代电磁干扰呈现四大特点：密度越来越高，来自立体空间、多个平台； 功率越来越大，ERP最大可到兆瓦量级； 反应越来越快，采用信道化侦收和数字储频技术，速度可达微秒量级； 样式越来越多，压制干扰、密集脉冲干扰、欺骗干扰、灵巧干扰等。

与机载火控雷达相比，导引头还面临着拖曳式干扰的巨大挑战。特别是拖曳式干扰机与灵巧干扰技术的组合，要求导引头能够辨识干扰，甚至能够实现多目标跟踪，这对当前的机械扫描体制导引头而言几乎难以实现。

除电子干扰外，非均匀地形地貌(如山区、陆海交界等)、高海情海杂波、地海多径干扰、大型人造建筑物等复杂地理环境的影响也非常明显。复杂地理环境对机载雷达和导引头探测的影响包括：杂波回波增强导致目标检测能力下降、杂波边界区域虚警率增加、非均匀回波导致检测时统计样本减少、多径干扰导致检测不稳定等。

2 依托的主要途径

为应对复杂的目标及干扰环境，需要从单平台和多平台两个层面推进。单平台层面可行的技术途径包括：扫描体制从机械扫描到相控阵、物理形态从雷达与平台分离到雷达与平台一体化、系统架构从常规架构到智能化。多平台层面通过多平台协同提升探测能力。

2.1 采用相控阵，应对高机动隐身目标

机械扫描雷达通过伺服驱动天线实现波束扫描，相控阵雷达则通过调整每个阵元相位实现波束扫描。通过采用相控阵技术，机载火控雷达获得了性能上的巨大飞跃。

(1) 波束快速扫描+波束捷变，实现了雷达自身性能的变革。具体体现为：具有更强的抗干扰能力、更远的探测威力、可实现空空/空面综合优化、可实现多目标/多任务资源综合调度。

(2) 利于载机隐身设计，便于载荷平台一体化。新一代战斗机普遍采用隐身设计，雷达天线对于平台RCS的贡献不可忽略。相控阵雷达通过阵面偏置、负载匹配等措施，RCS比机械扫描天线降低两个数量级以上。

(3) 利于高增益无源侦收(HGESM)、高功率电子干扰(HPECM)等功能实现，便于射频多功能一体化。相控阵天线具有大带宽、大增益、大功率特性，与ESM和ECM设备共享，可实现HGESM和兆瓦级HPECM； 与通信设备共享，可实现远距高速数据传输。

正是由于相控阵的巨大优势，有源相控阵雷达已成为新研机型的标准配置，而在现有机型升级中，换装有源相控阵雷达几乎是必然选项。国外典型机载相控阵火控雷达现状如表1所示。

表1 国外典型机载相控阵火控雷达现状

在相控阵导引头方面，国外从20世纪80年代开始探索相控阵在导引头领域应用的可行性。近年来，开始应用于实际装备，如日本AAM-4B导弹导引头、俄罗斯伊斯托克的X波段导引头、美国“战斧”巡航导弹导引头改进型等。在可预见的将来，相控阵在导引头领域的应用会愈发普遍。

2.2 推进一体化，增大天线孔径，提高平台适装性

有源相控阵体制的应用大大提高了发射功率和阵面效率，然而发射功率的提高受到平台供电资源的诸多限制，为进一步提高功率孔径积，通过与平台一体化设计拓展天线孔径是较理想的技术途径。

在雷达领域，一体化设计的研究已经历时30多年。20世纪80～90年代，美国就启动“钻石眼”共形阵预警机研究如图2所示，采用“联合翼”机翼共形有源相控阵雷达，天线孔径达到约600平方英尺。20世纪90年代末，美国空军研究实验室启动“传感器飞机”预先研究工作，最终目标是设计一种高空巡航、长航时、装备大功率孔径积的飞行器，一种更为形象的说法是“飞行的雷达天线”[2]。

图2 雷达与平台一体化

与预警雷达相比，机载火控雷达体积和重量较小，因而与平台一体化的研究迫切性相对低一些。然而，随着新一代作战平台采用扁平化外形以及对全空域探测的高需求，一体化设计必然会提上日程。为推动高频段火控雷达与平台的一体化技术进步，美国波音公司与美国空军研究实验室(AFRL)从2003年开始至2007年联合开展了“结构一体化X波段阵列”(SIXA) 项目，如图3所示。该项目在2006年进行的部件测试中，子阵被集成到一个0.75 m×3 m盒状蒙皮中。与常规的可承载天线不同，SIXA的辐射单元指向不是平行于飞机表皮，而是垂直于飞机表皮放置，形成蜂窝状结构，如传统的叶形偶极子天线。据称，天线厚度不超过1英尺，重量密度达到每平方英尺8磅。

图3 结构一体化X波段阵列

与雷达相似，相控阵导引头意味着天线的外形设计及安装集成更为灵活，必要时甚至可与弹体表面共形集成，实现“弹体即天线”。通过采用共形相控阵技术，还可拓展波束扫描空域范围，进一步提升导弹应用效能。国外在这个领域也开展了先期研究工作，并提出了几种可能的共形形态，如图4所示。

图4 四种可能的共形导引头形态

2.3 深化智能化，提高复杂环境适应性

传统雷达体制下，无论采用PD常规处理还是自适应处理，其发射波形、处理参数、处理方法通常是固定不变的，缺乏对外界环境的感知能力，无法有效利用电磁环境和地理环境信息，而雷达实际的工作环境则是多变的、非平稳、非均匀的，导致雷达系统在复杂电磁环境下很难获得理想的探测性能。采用基于电磁环境感知的智能发射技术与智能信号处理技术是新一代机载雷达发展的必然趋势。

通过智能化体系架构对环境进行感知和分析、提高自调节和自学习能力，可使雷达更好地适应环境。在此基础上，通过智能决策和知识辅助处理，改进信号处理算法，智能调整雷达视场、发射波形、发射能量和处理方法，可提高雷达在复杂电磁和杂波环境中对各类目标的探测能力，有效应对隐身目标、超高速目标和“低小慢”目标的威胁。

国外对知识辅助空时自适应处理(KA-STAP)、认知雷达[3-5]等智能化处理技术已经开展了近20年的研究。STAP原理示意图如图5所示。Simon Haykin在2006年归纳出认知雷达的三个特征：(1) 雷达可实现对外界环境的连续感知； (2) 根据目标情况实时智能化调节发射波形； (3) 整个雷达在发射、环境和接收之间形成一个闭环系统。Michael Wicks在2009年的一篇文章中提出：认知的主要特点是感知、记忆和推理，其范畴比自适应和智能化更高一个层面，自适应和智能化主要针对于雷达中的具体环节，而认知处理则通过对这些环节进行交互串成一个有机的整体。Guerci在2011年中提出：认知雷达具有无与伦比的收发自适应性和多样性，以及高度“智能化”的高性能嵌入式计算，可以基于知识实现对于环境的“智能化”自适应。在2014和2015年的IEEE雷达年会上，认知雷达仍是一种重要的关注热点[6-7]。

图5 STAP原理示意图

在学术界开展深化研究的同时，相关技术验证工作也同步开展。2002年，美国“国防先进研究计划局”(DARPA)支持林肯实验室开展了“知识辅助传感器信号处理及专家推理”(KASSPER)[8]项目研究工作。目的是检验知识辅助型数据库及专家系统对STAP处理性能的改善，采用数字地形高度数据、地面杂波信息、合成孔径雷达数据、多层谱图像数据等信息，以减少非均匀杂波的影响。

为实现智能化处理，需要雷达采用闭环架构以实现对环境的实时感知，采用同时多通道处理实现对杂波和干扰的自适应抑制。而目前的导引头受限于体积和技术水平的约束，主要还是采用和差的通道设置。随着天线集成度的提高及相控阵天线成本的下降，未来的导引头采用数字阵列技术是大势所趋。仿真分析表明，若采用12个子阵，对于同时存在一个近主瓣和两个副瓣干扰的情况，可达到45～60 dB的抑制。强近主瓣干扰抑制效能为导引头抗拖曳式干扰提供了一种比较好的选择如表2所示。

2.4 融入大体系，实现协同作战能力

从雷达角度，通过双/多基地、多站协同等措施，可提高雷达隐身目标探测能力、探测精度、抗干扰能力。受硬件条件的限制，早期的研究主要针对地基或海基雷达系统，典型代表如美国海军的“协同网络化雷达”(CRN)、“协同交战能力”(CEC)计划等，如图6所示。

表2 对不同位置处干扰的抑制效果

图6 CEC典型应用模式

随着网络化作战概念的发展，各种数据链的广泛应用，战斗机编队协同作战逐渐成为一种新的作战模式。编队内各单元的协同探测和信息共享，做到优势互补，分工协作，实现战场态势的协同感知。同时，各平台之间彼此分散独立，即使单平台损毁，对整个“系统之系统”的作战性能的影响较小。

美空军提出“作战云”(Combat Cloud)概念如图7所示，强调海、空、天、网络层的跨域协同，海上、空中、太空各平台实现数据共享和跨域协同，每个平台作为一个节点，可向云端提供信息或从云端下载所需信息。各平台自组织入“云”出“云”，实现战场数据的网状交互。

图7 “作战云”概念

协同探测需要解决空时频三同步技术、编队布站优化技术、多源信息融合技术等，相关关键技术目前已经逐渐取得突破。

由于导弹目前同样面临隐身目标、主瓣干扰等挑战，采用多弹协同模式攻击目标是一种可考虑的选择。一方面，通过一发一收或一发多收的双/多基地探测，可增大隐身目标RCS值； 另一方面，通过不同视角探测，可更有效剔除来自主瓣的干扰，是一种潜在的应对拖曳式干扰的手段。

3 关注的主要问题

虽然导引头可与机载火控雷达采用相似的技术途径，然而具体到细节，两者之间的差异也不可忽视，包括波束指向精度、天线成本、散热设计、算法设计等。

3.1 更高天线指向精度，满足捷联去耦的需要

机载火控雷达与平台之间是一种开环关系，雷达接收平台提供的惯导信息，以实现对目标的有效探测及对机载武器系统的引导。机载雷达与飞行控制系统是两个独立的系统，即机载雷达与飞行控制系统之间是隔离的，机载雷达只需闭合自身的角跟踪回路和隔离机体姿态扰动即可，但雷达并不直接参与飞机的飞行控制，不存在影响飞机飞行品质的寄生回路振荡问题，因而不会危及飞行安全。

相比之下，导引头属于制导控制回路的一部分如图8所示，导引头的测量精度或参数精度直接影响飞行控制性能，导引头与平台属于紧耦合关系。

图8 典型相控阵雷达导引头制导回路原理框图

近年来，业界通过仿真和实际测试对捷联去耦技术开展了深入研究。基本结论是，在波束指向角精度和数据率足够高的情况下，相控阵导引头去耦系数是满足要求的，特别是在高频端甚至要优于机械扫描导引头[9]。然而，为了满足更高波束指向精度的要求，对相控阵天线的误差控制、标校、长期存放后的性能变化等提出了新的课题。

3.2 更低天线成本，满足一次性使用的需要

机载火控雷达是长期使用的装备，寿命可达20年以上。相控阵雷达虽然比机械扫描雷达成本高，但由于可靠性高，因而全寿命周期成本有可能反而更低。相比之下，导弹是一次性使用的设备，对于导引头的采购成本要求必然更为严苛。如何降低相控阵导引头的采购成本成为一个需要认真研究的课题。

具体的思路包括两个层面：

(1) 从总体架构上优化设计。以美国1999年启动的Ka波段“低成本巡航导弹防御”(LCCMD)[10-11]研究计划为例，如图9所示。在方案设计时，选择了一个T/R组件拖多个低成本MEMS移相器的方案。由于MEMS移相器不成熟，后采用基于单片T/R组件的方案，虽然单个组件的功率相对较低(40 mW)，但仍然确保了整部导引头天线成本得到有效控制。

图9 LCCMD相控阵天线

(2) 需要进一步研究封装工艺。结合机载火控雷达和导引头对可靠性的不同要求，从工艺材料选取和工艺优化方面，进行低成本设计。

3.3 更高效散热能力，满足严苛的装弹条件

无论对于雷达还是导引头，推远威力的根本还是功率孔径积。采用相控阵天线实现目标远距探测，主要是依靠相控阵天线分布式发射可实现更大的总辐射功率。然而，大辐射功率的代价是在工作过程中会产生大的热量。

以一个具有200个通道的有源相控阵导引头为例，假定每个组件产生的脉冲功率为10 W，工作比为30%，平均功率为3 W，组件效率为25%，则有9 W的功率要变为热量。整部天线有1 800 W 的功率变为热量。要在天线阵面有限的空间内散发如此大的热量，热流密度非常大。

机载火控雷达可采用液冷或强迫风冷实现高效散热，然而导引头并不具备这样的条件。当然导引头也有相对于雷达的有利条件，即工作时间只有几十秒。目前主要研究方向包括采用高热容材料、相变材料、微细液体管路循环加冷板技术。然而，不可能有一种技术能够针对所有导弹、解决所有问题，必须针对具体装弹条件开展方案的优化设计。

3.4 更高效算法设计，满足高机动条件下目标的探测需求

与机载火控雷达一样，反隐身、反干扰、反杂波是导引头永恒的追求。

为实现对隐身目标的探测，除在硬件平台上提高功率孔径积外，长时间积累也是可行的技术途径。从某种意义上，导引头比机载火控雷达更适合采用该技术，因为导引头开机前通常有雷达提供的先验信息，而且导引头通常仅需要应对单个目标，可以将资源集中。但从另外一个角度，导引头面临的均为高机动目标，长时间积累对此类目标的效能下降明显，而且长时间积累如何确保去耦所需的高数据率，都是需要深化研究的课题。

为提高反杂波和反干扰能力，除采用低副瓣、干扰辨识等常规技术外，采用STAP处理也是一个非常有效的手段。然而，该技术在导引头上的应用效能不如机载火控雷达，主要原因有：(1)导弹和目标均处于高速高机动状态，杂波和干扰的抑制凹口深度会比静态条件下明显恶化。(2)导弹飞行速度快，导引头需选择较高的重频，距离维折叠次数多，STAP参考单元数少，这些都意味着在机载火控和预警雷达上的STAP处理算法无法在导引头上直接借用。

4 结 束 语

随着隐身飞机、高超音速飞机、智能化干扰的威胁愈发严重，无论是机载火控雷达还是导引头都面临着巨大的挑战。本文从火控雷达和导引头的相似性入手，提炼出了未来的技术发展方向。与此同时，针对导引头在平台约束、使用环境等方面的特殊性，梳理出需重点深化研究的四大问题。

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·简讯·

雷神公司的相控阵技术——波束合成和信号/数据处理

早期AESA的波束形成是在较低的频率(例如UHF)，最初使用同轴电缆和商用现成的连接器组合。在更高的频段，一般采用波导管、印刷电路或微带合成器，主要是考虑到模拟波束形成的成本、重量和尺寸等方面的优势。

如今，仍使用上述核心科技的变种，但制造能力和材料的选择更加多样化。未来无源模拟RF波束合成器件会持续利用新材料，在它们变得可用的时候，进一步改进封装、互联和减少成本。

数字波束合成和信号出现于20世纪90年代早期，当时模数转换器(ADC)技术开始在无线RF领域商用。主要的改进是更低的抖动和功耗开启了新的应用。很多军用AESA雷达系统也从这项改进中受益。多数商用行业研究聚焦于Si，然而更高端的军事系统研究转向关注InP电子技术，以追求更高的采样率和动态范围。

今天大多数AESA雷达系统只含有少量的数字接收通道，因此总的动态范围分配在1个或极少数转换器上。下一代AESA系统将拥有子阵级上的数字化，并且有的将扩展到元器件级。因此，可以在先进的信号和数据处理中使用成百上千的数字化通道和自由度。这将为雷达、通信和EW任务提供前所未有的性能和功能，包括创建和处理多个瞬时波束、增加极化多样性和改进动态范围。器件级别的AESA数字化同时还简化发射/接收模块(TRM)功能，因为不再需要MMIC来进行幅度和相位控制。

AESA的数字化不仅限于改进ADC技术，数字域的移动和处理所接收数据的能力也持续快速得到改进。信号和数据处理器受益于摩尔定律，变得更大处理容量、更低功率/体积、经济上更可承受，使得接收数据的更新和更复杂的处理得以实现。

(赵毅寰 天 光)

Development of Airborne Fire Control Radar Technology and Its Inspiration to Seeker

Xu Yanguo

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology，Nanjing 210013, China)

Because of similar function orientation, airborne fire control radar and missile seeker both need to face the challenges from stealthy target, high maneuverable target, slow moving target, complex electromagnetic and geographical environment. Airborne fire control radar and missile seeker have to depend on several methods, such as phased array, integration of payload and platform, intelligence system architecture, system combat to deal with the challenges. Take consideration of the peculiarities, compared to airborne fire control radar, seeker needs to adopt cheaper phased array antenna, higher accuracy beam pointing capability, higher efficiency heat dissipation technology and higher efficiency algorithm.

airborne fire control radar； missile seeker； phased array； cheaper phased array antenna

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.008

2016-08-30

徐艳国(1980-)，男，山东济宁人，高级工程师，研究方向为雷达系统总体设计。

TH133; TP183

A

1673-5048(2016)06-0033-07