新一代综合射频系统关键技术研究

齐飞林，李朋涛，姚 近，周 菁

新一代综合射频系统关键技术研究

齐飞林，李朋涛，姚 近，周 菁

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

针对未来新一代有/无人编队协同作战信息体系复杂电磁环境下，单平台作战面临的高快隐和低小慢目标威胁，单平台作战由“平台中心战”向“决策中心战”转变，要求将单平台传感器、通信与电子战系统有机融合到编队作战体系中，通过采用开放式体系架构完成时、空、频、孔径、极化多自由度柔性组合的射频综合集成一体化机制，促进综合射频系统合成增效，满足未来有/无人编队协同作战信息体系要求。

开放式体系架构；决策中心战；综合射频系统；协同作战

0 引言

当前，作战形式正在从单平台系统向有/无人编队协同系统，作战模式逐渐由“平台中心战”向“决策中心战”转变。它要求网络信息体系下有/无人编队的单平台节点必须是“决策中心战”模式下分布式协同作战的一个执行单元，将本舰传感器、通信设施与软/硬杀伤武器系统有机结合并融入到编队作战体系中去，特别是在承担防空反导、对海/对陆攻击、空中及水下对抗系统中集成杀伤链服务时，更加需要利用传感器及信息网络、跨平台协同功能、人工智能（Artificial Intelligence，AI）及自主系统做出比对手更快更好的决策，给对手造成多重困境，使其无法达到或实现战役及战术层面的目标。这种新的作战概念就是“马赛克战”，即重塑在未来高强度战争中的能力。这一趋势要求新型综合射频系统[1-3,6-8]具有综合、协同、隐身、时敏、智能、自主等六大典型特征。综合射频系统作为决策中心战模式下平台节点的核心装备，是支持分布式协同作战的系统核心，是支撑单平台作战能力跨越式提升的基础功能支撑平台和任务协同平台。

同时，随着综合集成一体化技术与任务协同一体化的不断发展，新一代综合射频系统要求有效提升传感器—指控—武器系统各层级的协同以对抗复杂空中威胁目标的能力；将传统雷达、光电、敌我识别器（Identification Friend or Foe，IFF）、通信（数据链）、电子对抗及导航设备，不仅在单平台内部而且还在有/无人战役战术编组框架中进行有效节点态势与多任务能力共享；将作战节点内外所有传感器、通信（数据链）设施、软/硬杀伤武器实施网络聚合并按照一定的规则来最大提升有效性，从而在体系层面形成对敌方重点威胁目标的持续有效对抗，极大提升单平台在长周期、高消耗、局域强对抗、复杂电磁作战环境下的生存能力。

1 舰载综合射频系统发展现状

目前，美军在综合射频集成方向上已经走过了先进多功能射频系统概念（Advanced Multifunction Radio Frequency System/Concept，AMRFS/C）—多功能电子战（Multifunctional Electronic Warfare，MFEW）—集成上层建筑（In Top）技术的综合射频集成一体化的发展思路[4-5,10]，如图1所示。

其中先进多功能射频概念不仅通过收/发分置孔径演示了雷达、电子战与通信的同时多功能，还演示验证了软件功能定义和资源动态配置能力。

图1 美军综合射频集成发展路线图

在MFEW中则是主要针对DDG1000开发了先进电子侦察能力，主要验证了以下关键技术：

1）新型频率扫描体系架构；

2）全数字信道化接收机；

3）新型被动干涉仪阵列；

4）高精度方位/俯仰波达角估计。

在In Top中重点针对海军多功能平台演示验证了雷达、电子战、通信与情报侦察的开放式系统结构可缩放、模块化设计理念。

1.1 先进多功能射频概念

1996年美国海军研究局和海军研究实验室联合发起了先进多功能射频系统概念[6-8]（Advanced Multi-Function Radio Frequency Concept，AMRFC）研究。AMRFC技术就是为解决美国海军舰艇上层建筑不断增加的天线数量而引发的天线拥挤、电磁干扰、电子设备雷达横截面积（Radar Cross-Section，RCS）增大、系统操作维护成本高、占用空间多等一系列问题而提出的，演示一个既能支持同时多功能，又能显著降低孔径信号特征和数量的具有同时多波束与宽带高性能特征的多功能射频孔径系统。

2003年～2004年，AMRFC试验平台采用收/发分离体制，在高波段（6～18 GHz）成功演示了窄带雷达、宽带电子战、宽带数据通信同时工作，执行多功能射频任务。

1.2 多功能电子战

2008年7月，诺斯罗普ž格鲁曼公司在位于切萨皮克湾的美海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）进行了MFEW系统[9]的陆基测试，测试主要演示了系统追踪模拟目标的能力。

通过对MFEW所开展的关键技术研究，诺ž格公司为美海军下一代水面电子战升级项目（Surface Electronic Warfare Improvement Project，SEWIP）的系统设计和开发（System Development and Demonstration，SDD）阶段建立了技术基础，并完成了相关测试。测试验证了精确定向、高灵敏度截获、快速感知，对即将到来的威胁分级以及降低舰船射频干扰。

1.3 集成上层建筑技术（In Top）

2008年，美国海军研究局在AMRFC原理性试验和SEWIP的基础上，实施了一个推进项目——In Top。In Top[10-11]是将射频平面相控阵天线镶嵌在上层建筑壁上，与上层建筑隐身并共形于一体，核心是研发一部能够适应战场威胁变化和海军作战需求的模块化、可裁剪、开放式体系架构（Open System Architecture，OSA）的集成多功能射频孔径系统，能够同时具备雷达、电子战、通信与情报侦察能力，并适用于多种类型的海军舰艇。

为了开展In Top开放式架构的研究，美国海军于2008年设立了四个联合工业团队，分别进行收/发（分置）孔径分系统、射频/中频（Radio/ Intermediate Frequency，RF/IF）分系统、数字信号处理机/数据处理机/软件（Digital Signal Processing，DSP/Data Processing，DP/Software，SW）分系统和资源分配管理/软件/作战系统（Resource Allocation Management，RAM/SW/Combat System，CS）分系统等的研发工作。

美军通过In Top的研究，完成舰载射频资源共享资源的RAM，优化射频频谱和硬件设计，演示多个舰载射频功能应用的集成和协调控制。

2 新一代综合射频系统

目前，针对复杂的网络信息体系电磁工作环境，综合射频系统的任务需求就是：支持广域范围内单平台及编队构建一张情报态势网，形成网络化棋局指挥控制结构，实施有/无人编队协同要素级火控制导。

因此，新一代舰载综合射频系统与传统射频系统最大的不同，就在于它既具有多功能集成一体化，又具有支持跨平台协同一体化特征，达到综合化隐身、时敏化响应、智能化控制、自主化行动的作战能力要求。通过借助新一代综合射频系统提升单平台在对空、对海/对陆及水下攻防作战中的应对高快隐和低小慢目标时的快速响应能力，实现射频系统的“合成增效”完成单平台自身的作战能力扩展和生存能力提升。

2.1 综合射频系统多功能集成一体化

就单平台射频综合而言，“同时多任务、同时多波束和多功能动态重构（简称两同一重构）”的要求不仅是雷达/电子战/数据链和通信/导航/识别/侦察等功能实现集成一体化的重要集成机制，同时也是实现作战平台隐身结构设计和电磁兼容性问题的有效方法。此外，射频系统后端任务集成的智能化统一任务调度与资源动态分配和自主化控制，最终完成基于多功能集成和跨平台协同的“合成增效”。

目前，国内在雷达/电子战/通信（Radar/ Electronic/Communication，REC）集成一体化上发展较快，并已首次实现对舰载平台、无人平台的雷达/电子战系统集成设计或通信/导航/识别集成一体化设计，在此基础上进一步对后端平台进行了综合，完成对射频集成系统的综合信息处理、综合调度控制和综合显示控制等，取得了较为显著的应用成果。此外，国内也已在机载综合通信/导航/识别/侦察（Communication/Navigation/Identify，CNI）集成一体化上实现了对超短波通信天线、通信侦察、自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）、数据链及IFF应答等功能的物理集成。

随着射频综合集成一体化技术的发展，要求工作于不同频段的探测、电子战、通信（数据链）、导航、识别、情报侦察等众多功能系统进行综合集成一体化设计，因此对孔径、频率、极化、瞬时带宽、波束、射频通道、数字处理等提出了极为苛刻的要求。此外，它在简化射频及数字前端的同时，对后端的智能化调度和自主化控制提出了更高的应用需求。

2.2 综合射频系统任务协同一体化

综合射频系统任务协同一体化的重要任务就是支持广域范围内信息互联与态势感知，形成大棋局控制，实施跨平台火控制导。

目前，受气象条件、昼夜工作环境、衰减、多径效应、地形遮蔽、电磁干扰和自身资源约束等多重因素影响，单一平台传感器难以针对威胁目标实现全时间、全频谱、全空域的高效探测、检测、识别与跟踪；同时由于传感器间的协同不足，单平台传感器与编队内的其它传感器难以实现广域内的互引导搜索及跟踪（改善检测灵敏度，提升检测概率）—完成目标检测—形成关于目标的关联量测报告—实现复合航迹跟踪—发送到网内及编队其它成员，进而形成其它节点成员与本地数据融合，因此无法有效形成统一空情态势。

更进一步，由于缺乏高效协同与信息互联，无法实现一体化的扁平式网络化棋局指挥控制，其结果必然是指控效率低下和系统反应迟缓。

网络信息体系下的作战不仅要求单平台可以自主进行交战，还可以通过跨平台信息链路在本地接收其它平台火控制导数据，基于协同任务框架，进行栅格锁定，对工作在不同频率、不同扫描周期、不同信号处理形式的传感器实现火控级协同。

3 新一代综合射频系统结构框架

3.1 系统结构

针对新一代综合射频系统的系统任务需求和功能需求，通过“五大”支撑能力（即探测感知、多功能电子战、网络基础、任务管理、综合运维），构建了系统结构框架：

1）多功能协同探测与情报接入；

2）多功能网络协同与数据通信；

3）多功能综合处理与任务管理；

4）多功能综合运维与显示控制；

5）多功能电子侦察与信息对抗。

新一代综合射频系统的系统结构框架如图2所示。

图2 新一代综合射频系统结构框架

3.2 系统组成

针对图2结构所开展的系统组成研究如图3所示，包含综合REC射频集成一体化设备、综合CNI集成一体化设备、软杀伤武器、多功能综合处理与任务管理模块、多功能综合运维与显示控制、多功能网络协同与数据通信设施。

新一代综合射频系统，首先重点开发与研究以支持同时多任务、同时多波束与多功能孔径动态重构为集成机制的多功能协同探测与情报接入能力，构建具有射频综合与集成特征的雷达探测、电子战与通信综合REC集成（支持武器级与情报级协同）；低波段通信、导航、识别与侦察的综合CNI集成（支持指控级与武器级协同）。它们不仅可以支持单平台的任务与功能级综合，还可以实现跨平台的态势感知、指挥控制及火控制导等多任务协同。

其次是开发和研究基于统一公共信息基础设施的公共计算环境，它是实现多功能综合处理与任务管理的基础功能分系统。能够支撑未来强实时性作战的多谱协同探测管理与射频管控、数据级目标航迹融合与管理及多域协同交战管理。其本质是通过构建一个开放式体系结构的系统集成框架，实现射频综合的软/硬一体化、功能一体化及任务一体化。因此，它是射频综合的信息合成增效倍增器。

然后是开发以电子对抗与信息对抗为代表的软杀伤武器，通过与硬杀伤武器的协同配合来实现对威胁目标的有效毁伤。

最后，多功能综合运维与显示控制、多功能网络协同与数据通信作为信息保障基础设施，根据任务功能系统需求提供支持编队协同能力的全谱通信、多网链路接入服务以及提供时空统一，完成任务系统综合（信息综合与管理）、运维资源管理与监视等综合服务。信息服务保障基础设施根据运维需求，分析运维态势并向指挥控制系统提出运维服务保障计划。同时，为探测感知情报侦察、软/硬杀伤武器系统提供运维保障支持。

图3 新一代综合射频系统组成框图

4 系统关键技术

4.1 超宽带宽角扫描低剖面天线阵列技术

未来新型舰载设备对前端硬件集成度、小型化和隐身性的要求不断提高，支持雷达、电子战、通信多功能一体化及通信、导航、识别、侦察多功能一体化的超宽带共形相控阵宽角扫描低剖面天线阵列[2]越来越受到各国的关注，基于超宽带阵列天线应用具有紧凑型结构、大范围空域扫描和低交叉极化等特性。传统的渐变槽线或Vivaldi天线可实现10倍频程带宽工作；但是它们都存在剖面高度高的缺点且适装性差。同时天线单元间距设置所引发的阵列互耦效应对天线阵列有源驻波、描角范围均具有重要影响和制约，为克服上述矛盾，一种基于单元间强耦合效应的紧耦合天线阵列应运而生。

表1 先进紧耦合天线阵列比较

2003年，俄亥俄州立大学的Ben Munk演示了一个基于强互耦效应的紧耦合偶极子阵列（Tightly Coupled Dipole Array，TCDA），它是1965年Wheeler提出的连续电流片阵面天线的第一种实际工程实现，用试验证明这种基于偶极子紧耦合阵列天线的基本思想可以扩展天线阵列的带宽。通过与Harris公司的合作，Ben Munk团队通过采用放置电介质覆层、寄生耦合环等方法进一步增加了TCDA的带宽，设计和测试了9倍频程紧耦合偶极子阵列。文献[12]介绍了先进紧耦合天线阵列的相关研究成果，如表1所示。

4.2 基于微波光子的射频前端技术

随着综合射频多功能应用需求的不断扩展，要求射频系统在复杂电磁环境下工作时具有更高分辨率、更多自由度、更准确的目标特性和更多功能，因此对射频前端提出了大带宽、跨倍频程、多功能一体化、可重构和软件可定义的需求。随着微波光子技术[13]的快速发展和不断成熟，通过利用其大带宽、低损耗、可复用、抗电磁干扰强等特点，实现超大瞬时带宽信号的产生、传输、控制和处理，有效解决和克服当前多倍频程超宽带可重构射频孔径技术受限于当前模拟器件水平制约的问题。

文献[13]指出：

1）采用微波光子技术实现高数据率大带宽的高速信号级数据传输及基于光纤的射频信号远距离传输等；

2）完成低相噪射频信号波形产生及处理功能，包括通过微波光子技术提供的高频率、跨倍频程的本振源和高精细、大带宽的任意波形产生，利用光子技术进行微波信号的移相滤波变频采样等处理，微波光子模数变换在高采样率下仍能保持较高的有效比特数，可以实现射频系统的大动态工作；

3）采用基于光真延时的波束形成，解决和克服传统相控阵瞬时超宽带工作时面临的波束指向偏移和孔径渡越等难题；

4）采用光子技术构建雷达系统，亦即实现全光的雷达收发样机。

因此，基于微波光子技术的综合射频系统能有效克服传统电子器件的相关技术瓶颈，为新一代综合射频系统等电子装备技术与形态带来变革。

4.3 多倍频程软件定义多功能孔径重构技术

多倍频程超宽带软件定义多功能孔径重构主要是针对综合REC以及综合CNI等实现射频功能集成一体化提出的同时多任务、同时多波束和多功能动态重构综合集成机制需求，通过对合成组阵技术的研究，完成满足雷达、电子战、通信（数据链）、导航、识别等战术功能使用要求条件下的阵面重构、通道重构与处理重构。

同时，超宽频带多功能合成组阵还需要针对不同功能的技术指标要求，如极化方式、频率资源、时间资源、阵面资源、工作模式、波束扫描范围、作用距离、跟踪精度、工作波形、通道同步等进一步实现对合成组阵方式的研究。

目前，超宽频带多功能合成组阵技术正通过软件无线电架构（Software Configuration Architecture，SCA）软件定义无线电硬件体系架构和基于面向服务（Service Oriented Architecture，SOA）的软件体系架构，实现对合成组阵技术的孔径（含天线与射频）、极化、频率等多自由度的软件定义和功能扩展。

4.4 基于专家系统的综合射频推理决策技术

通过平台任务集成，射频系统后端信息处理和综合管控可以完成针对同时多任务、同时多功能的智能化统一任务调度与资源动态分配和自主化控制，最终实现基于多功能集成和跨平台协同的“合成增效”。

综合射频系统根据系统和平台赋予的使命任务和雷达、电子战、通信、导航、识别等多功能需求，根据平台所处的气象条件、昼夜工作环境、大气衰减、多径效应、地形遮蔽以及电磁干扰的空、时、频分布情况敌我目标特征属性、运动参数，以及自身资源约束等多维度信息，基于多功能应用领域专家知识库，创建和完善推理规则，灵活根据环境变量完成自主行为决策，采用链式后向推理技术，通过匹配知识库中的规则和事实，形成推理链路，智能化地自适应优化调整射频系统行为，产生射频行为事件列表，进入资源调度序列，射频行为专家系统配合资源调度器经由自适应调度器得出调度间隔内的任务执行列表。

综上所述，综合射频系统采用自主推理决策技术，不仅可以实现射频集成的智能化任务调度和资源动态分配，还可以实现基于任务和资源的最优化控制。

5 结论

随着战场作战体系的不断构建与更新，需要在射频系统综合与任务协同两个层面上，开展新一代综合射频系统集成一体化与跨平台协同一体化研究。新一代综合射频系统需要利用同时多任务、同时多波束和多功能孔径动态重构（两同一重构）的综合集成机制，完成雷达、电子战、通信及通信、导航、识别与侦察的多功能一体化，具有支持跨平台协同一体化特征，达到综合化隐身、时敏化响应、智能化控制、自主化行动的作战能力要求。

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Study of Key Technologies of Next Generation Ship-Borne Integrated RF System

QI Feilin, LI Pengtao, YAO Jin, ZHOU Jing

The study of air stealth, high-speed, remote and low height, small size, slow-speed targets threat under the complex electromagnetic environment of a new generation of coordinated operations system with manned/unmanned formations in the future is described in the paper. Single ship operation will transform from platform centric warfare to network centric warfare. It gives the demand for ship-borne integrated multifunction RF systems which single sensors, communications and electronic warfare will be integrated to maritime Joint Task Fleet (JTF) system of systems. The highly integrated ship-borne multifunction RF system’s performance will be improved by using open architecture and mechanisms of simultaneous multi-function, simultaneous multi-beams and configuration of multi-function. The ship-borne multifunction RF system would be fulfill the requirement of future operations at sea.

Open Architecture; Network Centric Warfare; Integrated Radio Frequency System; Cooperative Engagement

U674.70

A

1674-7976-(2022)-02-127-07

2022-03-09。齐飞林（1975.01—），安徽安庆人，博士，高级工程师，主要研究方向为电子信息系统与雷达总体，信号处理。