机载有源相控阵火控雷达技术发展

贲 德

(南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

0 引 言

自第二次世界大战第一代喷气式战斗机登场以来,战斗机发展经历了五个代系的发展。当今世界主流国家空中战斗机为四代或者四代半飞机,部分国家已经步入隐身作战的五代机时代[1],战斗机作战从能量机动制胜发展到信息机动制胜[2]的新阶段。作为战斗机平台的核心传感器,机载火控雷达的发展也随之经历了测距机、脉冲雷达、脉冲多普勒雷达及相控阵雷达四个阶段,从简单的空中目标距离测量,发展到空中目标距离速度测量,再到地面目标探测与合成孔径成像,最后到侦干探通多功能一体化的演变[3-5]。

早期的机载火控雷达只具备测距功能,所以称为测距机,主要用于机枪或者航炮瞄准。随着战斗机性能的提高和武器的发展,第二阶段机载雷达实现了天线扫描和角度跟踪,采用普通脉冲体制实现目标探测,相比测距机进一步发展了测速能力。机载火控雷达发展至第三阶段的标志是机载脉冲多普勒雷达研制成功。20世纪50年代～70年代,脉冲多普勒体制的突破使得雷达能力迈上新台阶,解决了传统机载雷达的下视难题,典型装备包括F-14战斗机的AWG-9雷达、F-15战斗机的APG-63、F-16战斗机的APG-66以及F/A-18的APG-65/73雷达。

20世纪80年代～90年代美国率先开始机载有源相控阵(AESA)火控雷达的研制,其主导思想是利用装备的代差优势压制其他主要的竞争对手,机载火控雷达发展进入第四个阶段。与传统脉冲多普勒体制雷达相比,相控阵雷达具有波束快速扫描、波束捷变、大带宽、高增益、高功率等特性[6-7]。

当前,随战斗机隐身技术的发展,空中目标的散射截面积(RCS)不断缩小,各类新型威胁层出不穷;在雷达对抗方面,电子支援措施灵敏度越来越高,干扰形式也从传统的能量压制逐步变化为各类伪装的灵巧干扰。随着技术的进步、威胁提升和战斗机作战使命的变化,对机载火控雷达的要求也随之提升,牵引机载火控雷达技术发展[6-8]。

本文通过分析现有机载雷达技术发展趋势,考虑未来战斗机平台作战任务需求变化,分析展望未来机载火控雷达的发展趋势。

1 机载有源相控阵火控雷达现状

由于相控阵雷达较传统机械扫描雷达的不可比拟的优越性,当前国外主流战斗机均采用或者更换为相控阵体制雷达。当前国外主流战机的机载火控雷达装备如表1所示。

表1 国外典型机载相控阵火控雷达装备型谱发展

根据表1可以看出,当前国外主流战斗机火控雷达均采用相控阵体制,美国主要战斗机已更换为有源相控阵体制,在欧洲和俄罗斯等国家地区,也逐步由无源相控阵体制过渡至有源相控阵体制,并有N036有源多面阵和Captor-E有源机相扫等宽角域探测体制。对主要国家和地区的典型火控雷达分析如下。

1.1 无源相控阵雷达

当前国际上主流战机中,俄罗斯的苏-35安装的Irbis-E为无源相控阵X波段的多功能雷达(图1)。雷达电子扫描,实现±60°的方位角和俯仰角空域覆盖。同时,相控阵天线通过液压机构的驱动转动,液压机构可独立操纵阵列天线机械水平转动60°,实现雷达的最大波束角在方位上增加到120°。

图1 Irbis-E无源相控阵雷达

相较于有源相控阵雷达,无源相控阵雷达虽然在成本和散热上有优势,但在辐射功率、抗干扰和多功能等方面存在一定的欠缺[3]。随着技术进步,俄罗斯在米格-35和苏-57等战斗机上已逐步更替为有源相控阵雷达。

1.2 有源相控阵雷达

RBE-2 AESA有源相控阵雷达(图2)由泰雷兹集团研制,雷达具有边搜索、边跟踪能力,而且提供威胁辨识。

图2 RBE-2 AESA有源相控阵雷达

在“阵风”F1标准阶段时,RBE-2雷达具备空对空模式。F2标准阶段时RBE-2雷达具备完善的空对地模式与海面目标搜索能力。F3标准阶段时RBE-2雷达进一步提升地形跟踪功能,还增加了合成孔径雷达(SAR)与地/海面动目标跟踪指示功能。2008年11月,法国宣布,为“阵风”配备的RBE-2有源相控阵雷达进入生产阶段。

有源相控阵雷达的应用扩展了战机的侦测范围,丰富了战机的作战功能,提升了平台在多种威胁环境下以低可观测性、高机动性和高灵活性对超视距敌机进行攻击能力。

1.3 宽角域相控阵雷达

安装于机头内的相控阵火控雷达最大可覆盖的探测角域范围为±70°,当前随着作战威胁目标形式多样,对战场进行广域甚至全向感知和火控打击的需求逐渐增强,宽角域乃至全向探测成为机载火控雷达发展方向之一。

在宽角域实现方式上,主要有两种方式：一种是“机扫+相扫”结合的“机相扫”方式,另外一种是对隐身性能要求高的平台通过多个阵面来实现宽角域覆盖[8]。

目前机相扫的机载火控雷达,主要搭载于四代和四代半飞机,主要包括俄罗斯搭载于苏-30MKI 战斗机一维无源相控阵N007雷达和搭载于苏-35 战斗机二维无源相控阵Irbis-E雷达、欧洲搭载于“台风”战斗机Captor-E有源相控阵雷达和瑞典搭载于下一代鹰狮战斗机Raven ES-05 旋转斜盘有源相控阵雷达等。

对于第五代隐身飞机,通常采用在机头侧面增加侧视雷达天线阵的形式,在保证隐身效能前提下实现宽角域搜索和跟踪,如俄罗斯苏-57战斗机的N036多波段机载火控雷达系统。

Captor-E有源相控阵火控雷达由英国、德国、意大利和西班牙联合为台风战斗机研制。如图3所示,Captor-E火控雷达采用机相扫方式,用电机驱动伺服二维转动实现三维扫描,通过天线阵面点扫描和机械扫描结合,较固定安装的相控阵雷达提升了探测视场范围,同时具有体积小、重量轻、成本低的优势。

图3 Captor-E雷达和常规相控阵雷达能力对比

俄罗斯在继Su-30战斗机一维无源相控阵N007雷达和Su-35战斗机二维无源相控阵Irbis-E雷达后,在Su-57(原T-50)战斗机采用了最新的有源相控阵N036多波段机载火控雷达系统(图4)。N036由3种雷达组成,包括位于机头的X波段N036-1-01有源相控阵雷达、飞机机头两侧安装的小型侧视型X波段N036B-1-01雷达,以及安装在机翼前缘的2部L波段N036L-1-01雷达。3种雷达均采用有源相控阵体制。多雷达设计将雷达视角由前向120°扩展到240°,使Su-57战斗机对于侧向目标也能进行精确跟踪。

图4 N036多波段机载火控雷达

N036雷达通过X+L多频段和多阵面设计,提升单平台信息感知能力,一方面体现了战斗机全向感知能力的发展趋势,另一方面也是俄罗斯编队协同能力不足的有效补充,通过专注单机在未来复杂作战环境中的态势感知能力,以单机的非对称优势,抵消其他国家的信息作战体系优势。

1.4 隐身有源相控阵雷达

当前战斗机已经进入隐身作战时代,尤其是先进战斗机的隐身能力更成为隐身时代的标志。为适配隐身战机高隐身性能,配装的有源相控阵雷达需具备优异的天线隐身和射频隐身探测能力。天线隐身设计支撑隐身战机整体RCS较传统战机大幅缩减,使敌机雷达威力缩减数倍,变成“近视眼”;射频隐身探测能力通过时/空/能/频多维辐射信号控制手段支撑隐身战机对目标隐蔽探测,实现“静悄悄”击落。

继F-117之后,作为隐身战斗机的缔造者,美国相继推出F-22和F-35战斗机,其优越的隐身性能、高空气动力效率和大载荷大幅提升了战斗机生存能力、突防能力和纵深打击能力,分别配装的AN/APG-77以及AN/APG-81雷达均为具备高隐身性能的有源相控阵雷达。

AN/APG-77有源相控阵雷达搭载于美国F-22“猛禽”战斗机,2005年开始服役。AN/APG-77雷达由诺斯洛普·格鲁曼公司和雷声公司联合研发,其中诺斯洛普·格鲁曼公司负责AN/APG-77和AN/APG-77(V)1雷达的总体设计、控制和信号处理软件以及雷达系统集成和测试。

AN/APG-77雷达(图5)是有源相控阵技术首次在战斗机上应用,具备脉间变频、快速扫描能力;并可通过时分方法实现电子情报搜集、实施干扰、监视或通信。2008年,诺斯洛普·格鲁曼公司展示了雷达合成孔径成像能力,使F-22战斗机的任务能力扩展到空面作战。在非合作目标识别方面,AN/APG-77通过形成窄波束、逆合成孔径(ISAR)处理可获取目标的高分辨率图像。据称,AN/APG-77雷达具有低截获概率(LPI)能力,每秒雷达波形变化在1 000次以上[3]。

图5 AN/APG-77雷达

基于“宝石柱”计划,APG-77雷达首次采用综合航电架构,实现信号处理与数据处理模块的模块化、开放式设计,但传感器孔径与射频电路仍是分立结构,射频天线数量达62部。

AN/APG-81(图6)同样由诺斯格鲁曼公司生产,主要搭载于F-35A/B/C等三款飞机。与F-22雷达相比,提升了空地能力,包括高精度成像、地面动目标检测跟踪等方面能力。

图6 AN/APG-81雷达

AN/APG-81雷达工作模式包括：主动被动空空、空面目标探测跟踪识别,支撑AMRAAM和合成孔径成像、地面/海面动目标检测跟踪和A/S测距等功能,雷达同时兼容侦收和干扰等电子战功能[9]。

在F-35平台,雷达不再作为一个单独的传感器,传感器集成化发展。在F-22“宝石柱”架构基础上,彻底整合设计“宝石台”架构,通过“综合传感器系统”计划和“多功能综合射频系统”计划,实现雷达、电子战、通信、导航和识别功能共用公共的处理器,同时有源相控阵阵列还与其他孔径一起完成电子战、数据通信等功能,形成多功能口径[10]。通过孔径综合,F-35机身上天线孔径数量只有21个,相较F-22,其综合射频技术更加成熟。

作为全球首款五代隐身作战战斗机的核心传感器,AN/APG-77有源相控阵较之前机械扫描战斗机火控雷达相比较,在射频功率效率高、波束捷变、多功能和高可靠等优势基础上,进一步提升天线隐身能力,降低雷达天线对战斗机平台的RCS的贡献度,大幅提升战斗机隐蔽作战能力[6]。对比AN/APG-77雷达,AN/APG-81雷达在保证隐身性能的同时,进一步往综合化、一体化方向发展,提升平台信息获取、目标识别和态势感知能力。

根据国外主流战机火控雷达分析,可以看出根据实际平台能力和作战需求,机载火控雷达的最新发展特点是：对于四代机或者四代半飞机,采用低成本的具有宽角域覆盖能力的“机相扫”方向发展,对于五代隐身飞机往一体化、深度融合化、隐身探测的方向发展。

2 未来机载平台作战需求分析

雷达装备发展由作战需求驱动,未来空战攻防对抗环境的演进变革牵引机载火控雷达的发展。未来空战样式呈现出攻防对抗一体化、作战对象宽谱隐身化、作战形态智能化以及作战样式体系化等特点,要求机载火控雷达具备全向攻防、探干侦通多功能、高隐身、智能化、协同探测等能力。

国外未来战斗机和传感器发展方面,美国空军将全球持续感知能力作为未来的重大能力需求之一,指出未来其目标是发展全作战域的分布式感知能力,在整个作战环境中对敌态势实现持续、全面、及时的了解[11]。根据2019年4月颁布的《美空军科技战略》,美空军提出全球持续感知能力、信息弹性共享、快速有效决策、复杂不可预测性、集群化作战以及高速协同打击六大战略能力需求。

随着2016年美空军发布《2030年空中优势飞行规划》,美国将摒弃仅对单一平台进行“机型替换/升级”的传统思路,发展一套可跨空、天、赛博作战域运用的网络化“能力簇”,并在2030年左右获得“穿透型制空”作战能力。“穿透性制空”强调“系统簇”或“能力簇”,呈现“大体系、强节点、云协同”的特点。未来六代机将基于全向全频段隐身平台[12]、有人-无人协同、智能高速处理、软硬结合突防等技术,从时间-空间、物理-信息等双重维度,在高对抗和高威胁环境下突防进入敌方综合防空区域进行有效侦察和协同打击。

2023年5月,美空军宣布,美空军部向工业界发布保密的招标文件,广泛征集“下一代空中主宰”平台方案,并明确指出计划2024年正式授出工程和研制发展合同[11,13]。

基于对未来空战设想,欧洲2016年启动由法德主导、西班牙参与的“未来空战系统”(FCAS)项目,该项目采用类似美国“穿透型制空”系统簇的方式,采用开放式、可扩展的网络化架构,通过“空战云”协同实现有人-无人编队作战,获取在空中、电磁域的整体优势。2019年初,已启动项目演示验证。预计2025年,FCAS验证机试飞,2040年服役。

2020年2月下旬,空中客车公司和法国泰雷兹公司签署了一项开发空战云的协议,用以赋能FCAS体系。根据其设计概念,在FCAS系统内,“空战云”将实时连接和同步所有平台,增强态势感知能力以及协同作战的信息处理和分发能力。

综合未来空战的发展趋势以及国外未来战斗机和传感器设计思路可以看出,下一代战斗机是具有远程、穿透、强感知、强火力和快速决策能力的强有力的骨干节点平台[1]。在信息感知方面往全向探测,全向隐身、协同智能化的发展[2,14]。作为战斗机平台核心传感器,对于机载火控雷达牵引发展的主要方向包括一体化、协同化、蒙皮化、隐身化、智能化和芯片化等。

3 机载相控阵雷达发展趋势分析

3.1 一体化

雷达面临的作战任务从传统的空空作战发展到空面作战、成像探测等多种模式,同时兼顾电子战侦收与干扰等功能。单纯利用机头孔径雷达实现这些功能,面临时间和空间资源的紧缺。单传感器多功能化和多传感器间融合是提升战斗机信息感知能力的重要途径[15-17]。

3.1.1 单传感器多功能一体化

为适应未来空战平台作战需要,并满足诸如无人机等空中新平台约束条件,单一平台已难以承受雷达、电子战等大量传感器设备的堆积。即便在同一平台上安装了以上的传感器设备,它们之间不可避免构成了强烈的功能和任务竞争、空间位置和体积竞争、载荷重量竞争、电源供应竞争、电磁兼容等竞争。此时,依靠简单的信息交互和协同控制管理已经不能从根本上解决上述的竞争,只有采用多功能一体化技术从孔径、通道、处理、调度等各个环节最大限度地覆盖不同设备作战功能和性能,才能消弭上述的冲突,打破空中平台的射频能力瓶颈。

多功能一体化分为分时多功能和同时多功能两种。分时多功能条件下基于雷达孔径在雷达工作频段内实现无源探测、有源干扰和通信等功能,实现难度较小。同时多功能要求采用一体化波形、复用一体化射频孔径和通道、一体化处理等资源,突破超宽带孔径、收发一体等关键技术,实现难度较大。同时多功能一体化,尤其是雷电一体化,应从孔径、通道、处理、调度等各个环节共同考虑。

孔径一体化(图7)方面,要求孔径设计时,能够同时满足雷达有源探测和电子战侦察干扰的需求。电子战工作频段会覆盖雷达工作频段,因此强烈的互扰可能使雷电无法同时工作,因此除了一体化孔径具备广域宽频特点外,还需要设计与之配套的基于任务规划雷电协同方式。孔径一体化最核心的是要解决同时同频双工的问题。

图7 一体化孔径

通道一体化(图8)方面,需对雷达、电子战指标需求进行融合,充分考虑两种功能通道差异性。首先是接收带宽与接收灵敏度的差异,为保证截获概率,电子战侦察一般在频率上采用宽开,远大于雷达的接收带宽,从而在接收灵敏度上要弱于雷达;其次是工作频率差异,一般情况下敌我双方雷达不会采取同一工作频点以避免同频异步干扰,故需要一体化通道具备同时分频工作的能力。

图8 一体化通道架构

信号一体化是实现一体化的高级阶段,是多功能一体化的关键。目前探干侦通等不同功能波形具有显著不同的需求：雷达波形以模糊函数为基础,通常按照固定节拍收发信号;电子战波形以熵和相关性为基础,按照对方节拍侦收和发射干扰;通信波形以香农理论为基础,按照约定节拍发射或接收信号。采用波形拼接合成以及波形统一设计等方式提升能量和时间资源利用率以及低截获探测性能。

处理一体化方面,需要对雷达、电子战数据处理的硬软件平台进行一体化设计。信号采样一体化方面,雷电信号处理需求和方式有所不同,因此需根据ADC器件水平,确定合理的信号采样方案,能力足够时优先采用单个ADC同时满足雷电信号采样的速度和精度要求。处理硬软件模块化方面,以通用、标准、模块化的硬件平台为依托,将对应的资源虚拟化,通过调用中间件上的不同软件模块来实现雷电的各项功能,实现软硬件解耦,是雷电一体化处理最理想的形式。

3.1.2 多传感器一体化信息融合

雷达、光雷、电子战和DAS传感器探测不同的目标特征,具有不同的探测距离、覆盖角域、探测精度和目标识别能力,通过传感器相互融合,可提升平台对于周边态势的感知和火控目标的跟踪能力。同时,在实际作战使用时,战机处于强干扰对抗环境,存在部分传感器测量失效的情况,通过多传感器融合,可实现目标信息的全方面的有效感知。

F-35主要的传感器分系统包括AN/APG-81雷达、AN/ASQ-239电子战/电子对抗系统、AN/AAQ-40光电瞄准系统、AN/AAQ-37光电分布式孔径系统、AN/ASQ-242通信导航和识别(CNI)航电系统等。这5种传感器分系统是F-35战斗机多源态势感知能力的基础,使其能够在射频和红外频谱上进行综合态势感知。与以往的战斗机相比,这种态势感知方式可以获得更多、更全面的环境和目标信息[9-10]。

在机载航空电子领域,美军研制的F-22、F-35作战任务系统中,都将信息融合作为重要的任务软件设计开发(图9),通过融合软件实现对空中及地面防御系统的识别、定位与跟踪,增强飞行员的态势感知能力。F-22战斗机上主要实现了雷达、电子战、CNI的融合跟踪,同时利用CNI数据链信息实现编队飞机间相互引导和提示跟踪,并支持多机协同空战。

图9 传感器融合能力提升示意

同时,F-35支持平台内传感器融合和平台间传感器融合。根据文献[13],F-35融合层级分为Tire 1和Tie3。Tier 1只利用本平台信息,Tire3利用本平台信息和外部信息源信息。2016年末,F-35完成了协同目标定位与跟踪测试,在该测试中,F-35对一架无人机目标进行跟踪,并利用多功能先进数据链实现无人机航迹与地面武器系统态势共享,支撑地面武器系统对远程无人机目标的超视距攻击。

电子信息系统的综合一体化是先进平台的典型特征。传感器一体化的发展,信号处理平台从各个传感器独立处理逐步变化至综合处理平台统一调度管理。航电系统架构从传统的分立式向联合式,再到综合模块化架构发展。通过模块化、标准化的设计方法,按照功能重新划分、组合,将众多分立的天线单元/阵列进行整合,将传感器前端组件、信号处理组件和数据处理组件等组成资源共享、可重构和通用化的新型系统。最终在统一调度资源管理下实时完成高性能的雷达、电子战、通信、导航等任务,实现完整、清晰、快速、准确的战场态势感知。

随着未来战斗机航电架构的深度综合化、一体化发展,机载射频孔径在宽频段、数字化发展基础上,进一步向综合化、软件化方向发展[17-20]。多功能一体化可显著地缩减平台天线数量, 改善平台的气动和隐身性能。一体化发展带来机上传感器协同调度与电磁资源分配等挑战,也蕴含着新的能力生成潜力。

3.2 协同化

当前随着空中目标RCS的日益缩减和威胁目标种类增加,单一平台单一传感器受限于孔径尺寸、系统能耗、传感器构型等因素,在面对隐身目标、主瓣干扰等威胁时,探测性能会出现严重恶化且缺乏有效应对手段,难以胜任日益复杂的作战环境变化[21]。

相对而言,多雷达协同探测技术通过编队内部/外部辐射源构建新型的广域分布的动态收发探测构型,利用多部雷达的空、时、频、能、极化、波形等电磁资源,构建高维度的雷达信号空间,通过空间分集、频率分集等提升探测效能,可打破单装雷达在抗干扰、探测隐身目标等方面存在的固有瓶颈,是提升编队战场态势感知的有效技术途径[10,22]。

协同分为态势级协同、信息级协同和信号级协同等多种形式。雷达的信息处理过程即有用信息的提取过程,但是每次处理在去除无用信息的同时也造成了有用信息一定程度的损失。因此,融合信息越接近原始数据,融合可获取的信息得益越高,相应的数据量与难度也越大。一般来说,信号级协同形式包括收发分置协同[23-24]、统计多孔径[25]和分布式相参[26-28]等多种形式。

收发分置协同发射和接收雷达处于不同平台,根据收发分置雷达方程[3]式(1),若前置机尽可能抵近至对方攻击距离边缘,则后置机距离目标距离可大幅提升。在该情况下,后置机在安全区辐射,前置机通过纯被动接收探测等措施,有效保证生存能力。

(1)

统计多孔径是基于空间RCS分集多路信号联合检测实现协同探测方法。如双机的探测场景下,通过两发两收或者一发两收,实现同时多路独立接收信号的联合处理,利用目标在不同方向的RCS起伏特性获取空间分集得益和多路独立接收信号间的非相参积累两方面的得益[29],获得更优的能量利用效率。若多路信号采用频率正交设计,还可进一步获取频率分集得益[30]。

分布式相参是将同一平台不同孔径或者多个平台的多个孔径之间的信号进行融合,通过各孔径信号在处理端的相参融合,等效为一部具有大孔径积的单部雷达,实现最优的合成性能。分布式相参的实现方式包括接收相参和收发全相参两种,分别可实现N2和N3的信噪比改善[26]。

另外,随着无人机技术的兴起,无人机平台以其无人化、低成本、可消耗、战场适应能力强、配置灵活等优点越来越受到重视,并快速走向空战舞台。

有人机—无人机组成空中联合编队,无人机作为有人机平台的“忠诚僚机”协同作战,是世界强国面对强对抗环境的全新作战样式。 目前,美俄等军事强国都在发展有人—无人空中编队协同作战项目,并取得了阶段性成果[31-32]。在俄乌冲突中,无人机在侦察监视、打击对抗等方面发挥了重大作用。未来有人—无人混合编队和无人机群等新型作战方式对于协同探测和信息共享的需求将持续推动雷达技术发展。

国外在协同化发展方面从2000年开始先后开展了分布式孔径全相参雷达称为“下一代雷达”“协同网络化雷达”以及“灵活分布阵雷达”等信号级协同技术验证,同时在跨域协同方面发展了“协同交战能力”“海军一体化防空火控系统”以及“先进战斗管理系统”等跨域协同能力演示和开发验证。

国内机载火控雷达协同探测当前主要集中在同型机编队点航迹协同层面,协同深度方面将向收发分置和统计多输入多输出(MIMO)等信号级协同扩展,需进一步突破高精度空时频同步技术并开展信号级协同应用验证;协同广度方面将进一步向空地、舰机、星机等跨域协同方向发展,需突破机间高速数据链、体系资源调度等关键技术并开展跨域协同应用验证。

3.3 蒙皮化

随着任务功能需求增多,原先安装于机头的单一电孔径难以满足同时多任务和全向探测的需求。因此,多个阵面分布于机身不同位置,构成分布式孔径,是实现全向探测是一种重要的可行途径[33-37]。

蒙皮共形天线可降低传感器对于飞机气动性能和隐身性能的影响。共形天线可分为表面共形天线与结构共形天线。表面共形天线一般为低剖面天线,天线贴合在载体表面并与其共形。结构共形天线是指先在载体表面开槽或开缝,天线嵌入载体内部,再采用齐平安装的方式使天线与载体表面共形[38]。

智能蒙皮天线体系架构可分为射频层、控制与信号处理层以及封装层。可通过控制智能蒙皮天线射频层的T/R 芯片,实现蒙皮的电磁辐射/散射可重构,同时通过控制波控电路实现蒙皮的波束自适应。通过“分布式孔径-智能蒙皮-集中式处理终端”的布局,把不同规模的蒙皮单元沿着飞行器表面共形布置,最大限度地利用飞行器表面积[39-41]。

国外在智能蒙皮研究方面,美国空军通过“智能蒙皮结构验证”“射频多功能共口径结构”“结构一体化X波段阵列”和“X波段低厚度雷达孔径 ”项目等一系列项目,支撑开展智能蒙皮天线研究[34]。

2017 年弗吉尼亚理工大学的研究人员以 X-47B 无人机的气象探测雷达为例,使用矩形波导天线作为复合夹层结构的中间层(图10),在机翼上集成了结构嵌入式裂缝波导天线的共形蒙皮阵列[42]。

图10 X-47B共形天线[42]

飞行器平台上布置多组智能蒙皮天线可构成分布式孔径。更进一步,不同蒙皮孔径之间通过统一的射频资源管理调度,根据作战任务需求和孔径时间频率资源重构,可实现分布式机会阵雷达架构[43]。相较单孔径雷达,具有360°全空域覆盖、作战使用灵活多变的特点[44]。对于机会阵雷达,每个蒙皮单元都是参与机会阵雷达构成的基本单元。机会阵雷达综合环境的感知、目标的特性、场景的变化和自身的资源,通过机会发现、机会调度、机会决策实现雷达机会性工作。

相对传统雷达,机会阵雷达具有更强的隐身能力、抗干扰能力、抗摧毁能力、信息融合能力、抗低空突防能力,适应未来空中作战平台扁平化发展趋势。在实际应用中,分布式机会阵雷达面临三维异构阵列电磁辐射特性与控制机理、三维异构阵空时处理理论与处理架构两大基础理论问题挑战[45]。

对于智能蒙皮和机会阵列构成的一体化可重构雷达,需要强大的宽带传输与处理能力。当前射频器件难以满足分布式孔径同时多功能的超宽带、多频段射频信号的传输和处理需求。微波光子技术的快速发展和不断成熟,为一体化分布式孔径的应用提供了一种解决途径[46-48]。

3.4 隐身化

雷达和电子战一直在相互博弈提升[49]。随着电子战探测灵敏度的提升,传统火控雷达简单波形的脉冲多普勒探测体制易被敌方接收机侦收截获与分选识别[50]。

机载火控雷达需要综合天线隐身、射频隐身与有源隐身等多种手段实现全向/全频段隐身的作战需求。

3.4.1 天线隐身

天线隐身主要涉及结构项散射、模式项散射、边缘衍射和漫散射等[3,49]的控制约束。对于天线隐身而言,结构项散射、模式项散射是天线RCS贡献的主要因素。

传统天线隐身方式通过采用Vivaldi等低散射天线形式和采用倾斜安装等方式实现单天线RCS降低,通过天线孔径综合设计,降低机体天线单元数量实现平台整体天线RCS的降低[51-52]。

面向未来战机全向隐身和宽频隐身的需求,可通过表面电流控制、分形/仿生结构、阻抗加载/匹配、超材料和频率选择表面天线罩等技术应用,进一步降低天线RCS[53-54]。

3.4.2 射频隐身

雷达的射频隐身技术本质上是以减小雷达信号的参数特征为手段,降低电子侦察系统对信号的截获、识别等能力,从而提升雷达的抗侦察、抗干扰能力。相较于传统雷达以目标信噪比最大化为目标,射频隐身雷达通过时域、空域、频域、极化域、能量、波形等多维途径综合,以最小可被侦测概率下实现工作任务为目标,开展探测任务。现在常用的单平台雷达射频隐身技术主要分为四大类,即辐射源功率控制技术、低截获波形技术、定向天线技术以及信号的最大不确定性技术等[55-56]。编队协同方面,可通过战术战法设计,干扰目标判断,包含闪烁探测、双/多基地探测、外辐射源探测等手段,降低编队平台能量辐射时间和强度,降低截获概率[57]。

在射频隐身探测体制方面,有学者探索MIMO体制在LPI技术中的应用[58-62]。相较传统相控阵雷达,MIMO雷达采用M路通道发射相互正交的信号,N路接收来实现探测。MIMO雷达发射的多波形信号在空间保持独立,经过目标的散射,被N路接收。每一路接收都采用M个匹配滤波器对回波进行匹配,从而可以得到M*N个通道的回波数据。基于雷达阵面在空间的分布不同,MIMO雷达可划分为统计MIMO雷达和紧凑式MIMO雷达[59,62]。通过波形分集技术,MIMO雷达较相控阵雷达获得了更多的自由度。但随着阵列规模增大,MIMO雷达在波形设计、架构实现和信号处理的复杂度就会急剧上升,因此有学者提出结合相控阵和MIMO技术的相控阵MIMO雷达。相控MIMO雷达把发射阵列划分成若干个子阵,各个子阵内发射相参信号,子阵之间发射正交信号,实现了相控阵雷达和MIMO雷达的结合,可同时获得相干处理增益和波形分集增益[63]。

正交波形的设计和处理是低截获概率MIMO雷达实现的关键技术之一。在MIMO雷达LPI设计中,需要考虑雷达探测性能和LPI性能在不同MIMO工作状态下的优化解[64-65]。

随着通用处理模块性能提升,新型信号处理算法的应用,复杂波形在探测和抗侦收分选方面的应用具有较大潜力[66-67]。在LPI波形设计方面,国内外学者提出各类复杂波形来降低雷达信号被侦收机截获概率。最开始LPI波形设计从能量角度出发,以降低峰值功率为主要目标,后续逐步发展至通过时频空能多个维度进行综合评估与设计[67]。此外,当前LPI波形效能评估和实际效能以及LPI波形在降低被侦测概率的同时雷达探测性能评估,如何保证在空战高机动场景中对复杂波形有效积累和杂波抑制是需要认真研究与分析问题[68-70]。

3.4.3 有源隐身

有源隐身是一种新兴的潜在的提升机载火控雷达以及战斗机平台RCS的技术[71]。

有源对消技术利用目标上装备的有源对消电子设备,产生与反射波同频、同幅、反相的电磁波来减弱或消除反射波,从而使敌方雷达接收不到目标反射波信号。可类比声学上的主动降噪技术。广义上,有源对消技术为在已知来波照射条件下目标的散射场分布,若能产生额外的电磁波,改变目标的整体散射方向分布,使散射方向图零点指向敌方雷达,可达到隐身目的。有源隐身技术可分为两大类：一类为集总式有源隐身,包括自适应有源隐身技术和基于电子战干扰对消概念的有源对消;另一类为分布式有源隐身技术,即采用智能电磁结构芯片排列成智能蒙皮,对雷达的入射波进行接收、检测并激发一定幅度、相位的对消波[72]。

有源对消隐身系统如图11所示,包括来波探测系统、信息处理系统、数据存储系统、电磁波发射系统。其工作流程为：首先传感器测出敌方雷达探测信号方向、频率和波形,然后经信息处理系统得出目标对应的散射波,指令电子设备产生和发射所需的对消信号,最终实现有源对消隐身。有源隐身技术的原理容易理解,工程实现技术难点主要包括：(1) 雷达来波信号参数的精确测定;(2) 被保护目标的全方位RCS精确计算;(3) 对消波的精确控制等方面。

图11 有源对消系统示意图

据称,B-2隐身轰炸机上的防御电子设备—ZSR-63是一种有源对消系统,其通过主动发射电磁波来消除照射到机体上的雷达能量反射强度,目前未见有公开的详细报道。

3.5 智能化

人工智能对态势感知、指挥控制、通信互联、打击决策全作战流程产生广泛影响,必将深刻改变未来战争形态。智能感知成为影响战争胜负的决定性因素。未来战争形态对雷达提出了新的需求：

(1)学习能力：精确感知建模;积累更新知识;自适应未知战场环境。

(2)自主能力：精准态势感知;自主规划、决策;探干侦通智能调度。

(3)协同能力：跨平台智能信息融合、多平台智能调度。

机载火控雷达面临的作战环境越来越复杂多变,如何在复杂多变的干扰杂波环境中实现目标智能化精确检测、跟踪、识别,将是未来机载火控雷达发展迫切需要解决的技术难题[73]。此外,随着射频前端数字化程度的提高,自适应处理技术的完善,高性能计算技术的飞速发展,雷达信息处理逐渐朝向“环境自感知、处理自适应”的智能化方向发展。

雷达智能化包括智能化雷达系统架构、智能化处理以及智能化调度等方面。处理的智能化通过自适应处理、识别算法等提升雷达对于干扰、杂波的抑制和对目标的识别能力。雷达系统的智能化指整个雷达系统具备适应机载平台高强度高动态复杂电磁环境的智能化的自主工作能力[73-75]。

智能化系统架构方面,传统雷达架构和处理模式灵活性较差、自适应能力弱,无法应对日益复杂的强电磁对抗环境。智能化雷达架构拟通过认知、人工智能技术,使雷达具备自适应闭环的智能发射能力和端到端的深度处理能力,在复杂杂波和电磁环境中实现精准化、自动化的态势感知。2006年,文献[76]借鉴蝙蝠回声定位系统及认知过程,首次提出了认知雷达概念,并明确指出认知雷达是引入并模仿人类认知特性的新一代智能雷达系统,具备感知、理解、学习、推断与决策等能力, 使雷达系统不断地调整接收机和发射机参数以适应日益复杂的探测环境, 从而有效提高目标检测、跟踪及抗干扰等性能。

智能化处理方面,在智能化处理领域的应用主要包括利用深度学习、基于知识库等先验信息实现雷达目标的智能检测、智能跟踪和智能识别等。在自适应波形设计方面,通过回波信号和其它感知信息自适应优化发射波形,提升雷达性能参数和应对复杂电磁环境的能力。针对干扰和杂波这两项机载雷达有源探测的重要影响因素,雷达可通过主动对抗和被动对抗等措施提升信息感知能力。主动对抗手段包括自适应调频、射频掩护、频率分集、射频隐身等,被动手段包括STAP处理、极化、运动特性分析等处理手段和方法[77-79]。在目标识别方面,丰富的多维度信息获取是实现识别的前提,通过RCS特性、宽带一维距离像和SAR/ISAR成像等多种手段火控雷达可获取空中和地面目标多维度信息。

智能化调度方面,通过对环境的动态感知能力和自适应调整发射、接收处理能力,实现干扰对抗和目标信息感知。通过频谱认知、频谱学习、频谱推理和频谱利用结合的方式,自主根据目标和外部环境特性智能选择发射信号、工作方式和资源分配[76,80-91]。文献[76]对比了常规雷达架构和智能化认知雷达处理架构,参见图12。从架构上可以看出,常规雷达架构只具备信号处理的自适应能力,为开环架构;智能化认知雷达通过各类信息的感知和分析实现发射、接收两个层级的自适应控制的闭环架构。

图12 传统雷达架构和智能化雷达架构对比

机器主导的认知型智能将是未来空战单体智能的发展方向,群体智能将是未来空中作战体系的主流形态[14]。未来雷达需要精细化的环境感知能力和自适应的探测工作与处理方案。雷达未来发展必然要以智能化作为突破口,结合人工智能算法在知识积累、知识发现和知识应用方面的优势,提高雷达功能集成、资源(空、时、频、能、极化、波形)管控、能力重构、环境认知、信息处理等方面能力,形成雷达智能化感知能力,争夺战争主动权和制信息权,积极应对未来智能化作战和复杂作战环境带来的挑战,在雷达体制架构、理论和技术上不断发展演变。

3.6 芯片化

现代战斗机平台对载荷重量、体积要求严苛,对雷达系统轻量化提出了更高要求。有源相控阵天线中包含大量T/R组件,每个组件均包含功放芯片、放大器、移相器等多种电子元器件。随着半导体技术发展,单片微波集成电路技术、射频微机械电子技术技术和集成封装技术为高性能、高可靠和小型化T/R组件提供了技术途径[92-96]。

随着半导体基础以及先进封装工艺的发展和驱动,出现了片上天线(AoC)、封装天线(AiP)、系统级封装天线(SiP)等新型天线[92,96-97]。

AoC通过半导体材料与工艺将天线与其他电路集成到同一芯片上,但由于使用了相同的材料和工艺,难以使每个类型的电路性能达到最优,导致雷达天线难以达到最优性能。AiP通过封装材料与工艺,将天线集成在芯片封装内。相比于AoC,AiP将多种器件与电路集成在一个封装内,完成片上天线难以形成的复杂功能和特定的系统级封装,有效避免了半导体衬底的低电阻率带来的增益损耗问题。SiP采用绝缘衬底上的硅工艺和QFN封装技术,将片上天线和封装天线相结合,可实现更高的天线增益,同时体积和重量也得到大幅缩减。

在后摩尔时代,亚微米、纳米技术的出现给有源相控阵雷达的发展带来了新的契机,雷达芯片化技术进步有望将系统微型化、低功耗与可靠性提升至新的高度。

4 结束语

本文通过分析现有主流战机机载火控雷达能力,结合未来作战发展趋势和技术发展趋势,展望未来机载火控雷达发展。

机载火控雷达发展与作战使命任务紧密结合。面向未来隐身作战和无人作战需求,雷达发展往综合射频一体化、协同化、蒙皮化、隐身化和智能化等方向发展。随着技术进步的推动,机载火控雷达将采用更多的新技术,产生更多的新能力,达到更高的水平。