賁 德

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

自第二次世界大戰(zhàn)第一代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)登場(chǎng)以來,戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)代系的發(fā)展。當(dāng)今世界主流國(guó)家空中戰(zhàn)斗機(jī)為四代或者四代半飛機(jī),部分國(guó)家已經(jīng)步入隱身作戰(zhàn)的五代機(jī)時(shí)代[1],戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)從能量機(jī)動(dòng)制勝發(fā)展到信息機(jī)動(dòng)制勝[2]的新階段。作為戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的核心傳感器,機(jī)載火控雷達(dá)的發(fā)展也隨之經(jīng)歷了測(cè)距機(jī)、脈沖雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)及相控陣?yán)走_(dá)四個(gè)階段,從簡(jiǎn)單的空中目標(biāo)距離測(cè)量,發(fā)展到空中目標(biāo)距離速度測(cè)量,再到地面目標(biāo)探測(cè)與合成孔徑成像,最后到偵干探通多功能一體化的演變[3-5]。

早期的機(jī)載火控雷達(dá)只具備測(cè)距功能,所以稱為測(cè)距機(jī),主要用于機(jī)槍或者航炮瞄準(zhǔn)。隨著戰(zhàn)斗機(jī)性能的提高和武器的發(fā)展,第二階段機(jī)載雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了天線掃描和角度跟蹤,采用普通脈沖體制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè),相比測(cè)距機(jī)進(jìn)一步發(fā)展了測(cè)速能力。機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展至第三階段的標(biāo)志是機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)研制成功。20世紀(jì)50年代～70年代,脈沖多普勒體制的突破使得雷達(dá)能力邁上新臺(tái)階,解決了傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)的下視難題,典型裝備包括F-14戰(zhàn)斗機(jī)的AWG-9雷達(dá)、F-15戰(zhàn)斗機(jī)的APG-63、F-16戰(zhàn)斗機(jī)的APG-66以及F/A-18的APG-65/73雷達(dá)。

20世紀(jì)80年代～90年代美國(guó)率先開始機(jī)載有源相控陣(AESA)火控雷達(dá)的研制,其主導(dǎo)思想是利用裝備的代差優(yōu)勢(shì)壓制其他主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展進(jìn)入第四個(gè)階段。與傳統(tǒng)脈沖多普勒體制雷達(dá)相比,相控陣?yán)走_(dá)具有波束快速掃描、波束捷變、大帶寬、高增益、高功率等特性[6-7]。

當(dāng)前,隨戰(zhàn)斗機(jī)隱身技術(shù)的發(fā)展,空中目標(biāo)的散射截面積(RCS)不斷縮小,各類新型威脅層出不窮;在雷達(dá)對(duì)抗方面,電子支援措施靈敏度越來越高,干擾形式也從傳統(tǒng)的能量壓制逐步變化為各類偽裝的靈巧干擾。隨著技術(shù)的進(jìn)步、威脅提升和戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)使命的變化,對(duì)機(jī)載火控雷達(dá)的要求也隨之提升,牽引機(jī)載火控雷達(dá)技術(shù)發(fā)展[6-8]。

本文通過分析現(xiàn)有機(jī)載雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),考慮未來戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)作戰(zhàn)任務(wù)需求變化,分析展望未來機(jī)載火控雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)現(xiàn)狀

由于相控陣?yán)走_(dá)較傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的不可比擬的優(yōu)越性,當(dāng)前國(guó)外主流戰(zhàn)斗機(jī)均采用或者更換為相控陣體制雷達(dá)。當(dāng)前國(guó)外主流戰(zhàn)機(jī)的機(jī)載火控雷達(dá)裝備如表1所示。

表1 國(guó)外典型機(jī)載相控陣火控雷達(dá)裝備型譜發(fā)展

根據(jù)表1可以看出,當(dāng)前國(guó)外主流戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)均采用相控陣體制,美國(guó)主要戰(zhàn)斗機(jī)已更換為有源相控陣體制,在歐洲和俄羅斯等國(guó)家地區(qū),也逐步由無(wú)源相控陣體制過渡至有源相控陣體制,并有N036有源多面陣和Captor-E有源機(jī)相掃等寬角域探測(cè)體制。對(duì)主要國(guó)家和地區(qū)的典型火控雷達(dá)分析如下。

1.1 無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)

當(dāng)前國(guó)際上主流戰(zhàn)機(jī)中,俄羅斯的蘇-35安裝的Irbis-E為無(wú)源相控陣X波段的多功能雷達(dá)(圖1)。雷達(dá)電子掃描,實(shí)現(xiàn)±60°的方位角和俯仰角空域覆蓋。同時(shí),相控陣天線通過液壓機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),液壓機(jī)構(gòu)可獨(dú)立操縱陣列天線機(jī)械水平轉(zhuǎn)動(dòng)60°,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的最大波束角在方位上增加到120°。

圖1 Irbis-E無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)

相較于有源相控陣?yán)走_(dá),無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)雖然在成本和散熱上有優(yōu)勢(shì),但在輻射功率、抗干擾和多功能等方面存在一定的欠缺[3]。隨著技術(shù)進(jìn)步,俄羅斯在米格-35和蘇-57等戰(zhàn)斗機(jī)上已逐步更替為有源相控陣?yán)走_(dá)。

1.2 有源相控陣?yán)走_(dá)

RBE-2 AESA有源相控陣?yán)走_(dá)(圖2)由泰雷茲集團(tuán)研制,雷達(dá)具有邊搜索、邊跟蹤能力,而且提供威脅辨識(shí)。

圖2 RBE-2 AESA有源相控陣?yán)走_(dá)

在“陣風(fēng)”F1標(biāo)準(zhǔn)階段時(shí),RBE-2雷達(dá)具備空對(duì)空模式。F2標(biāo)準(zhǔn)階段時(shí)RBE-2雷達(dá)具備完善的空對(duì)地模式與海面目標(biāo)搜索能力。F3標(biāo)準(zhǔn)階段時(shí)RBE-2雷達(dá)進(jìn)一步提升地形跟蹤功能,還增加了合成孔徑雷達(dá)(SAR)與地/海面動(dòng)目標(biāo)跟蹤指示功能。2008年11月,法國(guó)宣布,為“陣風(fēng)”配備的RBE-2有源相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)入生產(chǎn)階段。

有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用擴(kuò)展了戰(zhàn)機(jī)的偵測(cè)范圍,豐富了戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)功能,提升了平臺(tái)在多種威脅環(huán)境下以低可觀測(cè)性、高機(jī)動(dòng)性和高靈活性對(duì)超視距敵機(jī)進(jìn)行攻擊能力。

1.3 寬角域相控陣?yán)走_(dá)

安裝于機(jī)頭內(nèi)的相控陣火控雷達(dá)最大可覆蓋的探測(cè)角域范圍為±70°,當(dāng)前隨著作戰(zhàn)威脅目標(biāo)形式多樣,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行廣域甚至全向感知和火控打擊的需求逐漸增強(qiáng),寬角域乃至全向探測(cè)成為機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展方向之一。

在寬角域?qū)崿F(xiàn)方式上,主要有兩種方式：一種是“機(jī)掃+相掃”結(jié)合的“機(jī)相掃”方式,另外一種是對(duì)隱身性能要求高的平臺(tái)通過多個(gè)陣面來實(shí)現(xiàn)寬角域覆蓋[8]。

目前機(jī)相掃的機(jī)載火控雷達(dá),主要搭載于四代和四代半飛機(jī),主要包括俄羅斯搭載于蘇-30MKI 戰(zhàn)斗機(jī)一維無(wú)源相控陣N007雷達(dá)和搭載于蘇-35 戰(zhàn)斗機(jī)二維無(wú)源相控陣Irbis-E雷達(dá)、歐洲搭載于“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)Captor-E有源相控陣?yán)走_(dá)和瑞典搭載于下一代鷹獅戰(zhàn)斗機(jī)Raven ES-05 旋轉(zhuǎn)斜盤有源相控陣?yán)走_(dá)等。

對(duì)于第五代隱身飛機(jī),通常采用在機(jī)頭側(cè)面增加側(cè)視雷達(dá)天線陣的形式,在保證隱身效能前提下實(shí)現(xiàn)寬角域搜索和跟蹤,如俄羅斯蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)的N036多波段機(jī)載火控雷達(dá)系統(tǒng)。

Captor-E有源相控陣火控雷達(dá)由英國(guó)、德國(guó)、意大利和西班牙聯(lián)合為臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)研制。如圖3所示,Captor-E火控雷達(dá)采用機(jī)相掃方式,用電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服二維轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維掃描,通過天線陣面點(diǎn)掃描和機(jī)械掃描結(jié)合,較固定安裝的相控陣?yán)走_(dá)提升了探測(cè)視場(chǎng)范圍,同時(shí)具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)勢(shì)。

圖3 Captor-E雷達(dá)和常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)能力對(duì)比

俄羅斯在繼Su-30戰(zhàn)斗機(jī)一維無(wú)源相控陣N007雷達(dá)和Su-35戰(zhàn)斗機(jī)二維無(wú)源相控陣Irbis-E雷達(dá)后,在Su-57(原T-50)戰(zhàn)斗機(jī)采用了最新的有源相控陣N036多波段機(jī)載火控雷達(dá)系統(tǒng)(圖4)。N036由3種雷達(dá)組成,包括位于機(jī)頭的X波段N036-1-01有源相控陣?yán)走_(dá)、飛機(jī)機(jī)頭兩側(cè)安裝的小型側(cè)視型X波段N036B-1-01雷達(dá),以及安裝在機(jī)翼前緣的2部L波段N036L-1-01雷達(dá)。3種雷達(dá)均采用有源相控陣體制。多雷達(dá)設(shè)計(jì)將雷達(dá)視角由前向120°擴(kuò)展到240°,使Su-57戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)于側(cè)向目標(biāo)也能進(jìn)行精確跟蹤。

圖4 N036多波段機(jī)載火控雷達(dá)

N036雷達(dá)通過X+L多頻段和多陣面設(shè)計(jì),提升單平臺(tái)信息感知能力,一方面體現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)全向感知能力的發(fā)展趨勢(shì),另一方面也是俄羅斯編隊(duì)協(xié)同能力不足的有效補(bǔ)充,通過專注單機(jī)在未來復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中的態(tài)勢(shì)感知能力,以單機(jī)的非對(duì)稱優(yōu)勢(shì),抵消其他國(guó)家的信息作戰(zhàn)體系優(yōu)勢(shì)。

1.4 隱身有源相控陣?yán)走_(dá)

當(dāng)前戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)進(jìn)入隱身作戰(zhàn)時(shí)代,尤其是先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身能力更成為隱身時(shí)代的標(biāo)志。為適配隱身戰(zhàn)機(jī)高隱身性能,配裝的有源相控陣?yán)走_(dá)需具備優(yōu)異的天線隱身和射頻隱身探測(cè)能力。天線隱身設(shè)計(jì)支撐隱身戰(zhàn)機(jī)整體RCS較傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)大幅縮減,使敵機(jī)雷達(dá)威力縮減數(shù)倍,變成“近視眼”;射頻隱身探測(cè)能力通過時(shí)/空/能/頻多維輻射信號(hào)控制手段支撐隱身戰(zhàn)機(jī)對(duì)目標(biāo)隱蔽探測(cè),實(shí)現(xiàn)“靜悄悄”擊落。

繼F-117之后,作為隱身戰(zhàn)斗機(jī)的締造者,美國(guó)相繼推出F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī),其優(yōu)越的隱身性能、高空氣動(dòng)力效率和大載荷大幅提升了戰(zhàn)斗機(jī)生存能力、突防能力和縱深打擊能力,分別配裝的AN/APG-77以及AN/APG-81雷達(dá)均為具備高隱身性能的有源相控陣?yán)走_(dá)。

AN/APG-77有源相控陣?yán)走_(dá)搭載于美國(guó)F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī),2005年開始服役。AN/APG-77雷達(dá)由諾斯洛普·格魯曼公司和雷聲公司聯(lián)合研發(fā),其中諾斯洛普·格魯曼公司負(fù)責(zé)AN/APG-77和AN/APG-77(V)1雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)、控制和信號(hào)處理軟件以及雷達(dá)系統(tǒng)集成和測(cè)試。

AN/APG-77雷達(dá)(圖5)是有源相控陣技術(shù)首次在戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用,具備脈間變頻、快速掃描能力;并可通過時(shí)分方法實(shí)現(xiàn)電子情報(bào)搜集、實(shí)施干擾、監(jiān)視或通信。2008年,諾斯洛普·格魯曼公司展示了雷達(dá)合成孔徑成像能力,使F-22戰(zhàn)斗機(jī)的任務(wù)能力擴(kuò)展到空面作戰(zhàn)。在非合作目標(biāo)識(shí)別方面,AN/APG-77通過形成窄波束、逆合成孔徑(ISAR)處理可獲取目標(biāo)的高分辨率圖像。據(jù)稱,AN/APG-77雷達(dá)具有低截獲概率(LPI)能力,每秒雷達(dá)波形變化在1 000次以上[3]。

圖5 AN/APG-77雷達(dá)

基于“寶石柱”計(jì)劃,APG-77雷達(dá)首次采用綜合航電架構(gòu),實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理模塊的模塊化、開放式設(shè)計(jì),但傳感器孔徑與射頻電路仍是分立結(jié)構(gòu),射頻天線數(shù)量達(dá)62部。

AN/APG-81(圖6)同樣由諾斯格魯曼公司生產(chǎn),主要搭載于F-35A/B/C等三款飛機(jī)。與F-22雷達(dá)相比,提升了空地能力,包括高精度成像、地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤等方面能力。

圖6 AN/APG-81雷達(dá)

AN/APG-81雷達(dá)工作模式包括：主動(dòng)被動(dòng)空空、空面目標(biāo)探測(cè)跟蹤識(shí)別,支撐AMRAAM和合成孔徑成像、地面/海面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤和A/S測(cè)距等功能,雷達(dá)同時(shí)兼容偵收和干擾等電子戰(zhàn)功能[9]。

在F-35平臺(tái),雷達(dá)不再作為一個(gè)單獨(dú)的傳感器,傳感器集成化發(fā)展。在F-22“寶石柱”架構(gòu)基礎(chǔ)上,徹底整合設(shè)計(jì)“寶石臺(tái)”架構(gòu),通過“綜合傳感器系統(tǒng)”計(jì)劃和“多功能綜合射頻系統(tǒng)”計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航和識(shí)別功能共用公共的處理器,同時(shí)有源相控陣陣列還與其他孔徑一起完成電子戰(zhàn)、數(shù)據(jù)通信等功能,形成多功能口徑[10]。通過孔徑綜合,F-35機(jī)身上天線孔徑數(shù)量只有21個(gè),相較F-22,其綜合射頻技術(shù)更加成熟。

作為全球首款五代隱身作戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)的核心傳感器,AN/APG-77有源相控陣較之前機(jī)械掃描戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)相比較,在射頻功率效率高、波束捷變、多功能和高可靠等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提升天線隱身能力,降低雷達(dá)天線對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的RCS的貢獻(xiàn)度,大幅提升戰(zhàn)斗機(jī)隱蔽作戰(zhàn)能力[6]。對(duì)比AN/APG-77雷達(dá),AN/APG-81雷達(dá)在保證隱身性能的同時(shí),進(jìn)一步往綜合化、一體化方向發(fā)展,提升平臺(tái)信息獲取、目標(biāo)識(shí)別和態(tài)勢(shì)感知能力。

根據(jù)國(guó)外主流戰(zhàn)機(jī)火控雷達(dá)分析,可以看出根據(jù)實(shí)際平臺(tái)能力和作戰(zhàn)需求,機(jī)載火控雷達(dá)的最新發(fā)展特點(diǎn)是：對(duì)于四代機(jī)或者四代半飛機(jī),采用低成本的具有寬角域覆蓋能力的“機(jī)相掃”方向發(fā)展,對(duì)于五代隱身飛機(jī)往一體化、深度融合化、隱身探測(cè)的方向發(fā)展。

2 未來機(jī)載平臺(tái)作戰(zhàn)需求分析

雷達(dá)裝備發(fā)展由作戰(zhàn)需求驅(qū)動(dòng),未來空戰(zhàn)攻防對(duì)抗環(huán)境的演進(jìn)變革牽引機(jī)載火控雷達(dá)的發(fā)展。未來空戰(zhàn)樣式呈現(xiàn)出攻防對(duì)抗一體化、作戰(zhàn)對(duì)象寬譜隱身化、作戰(zhàn)形態(tài)智能化以及作戰(zhàn)樣式體系化等特點(diǎn),要求機(jī)載火控雷達(dá)具備全向攻防、探干偵通多功能、高隱身、智能化、協(xié)同探測(cè)等能力。

國(guó)外未來戰(zhàn)斗機(jī)和傳感器發(fā)展方面,美國(guó)空軍將全球持續(xù)感知能力作為未來的重大能力需求之一,指出未來其目標(biāo)是發(fā)展全作戰(zhàn)域的分布式感知能力,在整個(gè)作戰(zhàn)環(huán)境中對(duì)敵態(tài)勢(shì)實(shí)現(xiàn)持續(xù)、全面、及時(shí)的了解[11]。根據(jù)2019年4月頒布的《美空軍科技戰(zhàn)略》,美空軍提出全球持續(xù)感知能力、信息彈性共享、快速有效決策、復(fù)雜不可預(yù)測(cè)性、集群化作戰(zhàn)以及高速協(xié)同打擊六大戰(zhàn)略能力需求。

隨著2016年美空軍發(fā)布《2030年空中優(yōu)勢(shì)飛行規(guī)劃》,美國(guó)將摒棄僅對(duì)單一平臺(tái)進(jìn)行“機(jī)型替換/升級(jí)”的傳統(tǒng)思路,發(fā)展一套可跨空、天、賽博作戰(zhàn)域運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)化“能力簇”,并在2030年左右獲得“穿透型制空”作戰(zhàn)能力?！按┩感灾瓶铡睆?qiáng)調(diào)“系統(tǒng)簇”或“能力簇”,呈現(xiàn)“大體系、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、云協(xié)同”的特點(diǎn)。未來六代機(jī)將基于全向全頻段隱身平臺(tái)[12]、有人-無(wú)人協(xié)同、智能高速處理、軟硬結(jié)合突防等技術(shù),從時(shí)間-空間、物理-信息等雙重維度,在高對(duì)抗和高威脅環(huán)境下突防進(jìn)入敵方綜合防空區(qū)域進(jìn)行有效偵察和協(xié)同打擊。

2023年5月,美空軍宣布,美空軍部向工業(yè)界發(fā)布保密的招標(biāo)文件,廣泛征集“下一代空中主宰”平臺(tái)方案,并明確指出計(jì)劃2024年正式授出工程和研制發(fā)展合同[11,13]。

基于對(duì)未來空戰(zhàn)設(shè)想,歐洲2016年啟動(dòng)由法德主導(dǎo)、西班牙參與的“未來空戰(zhàn)系統(tǒng)”(FCAS)項(xiàng)目,該項(xiàng)目采用類似美國(guó)“穿透型制空”系統(tǒng)簇的方式,采用開放式、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu),通過“空戰(zhàn)云”協(xié)同實(shí)現(xiàn)有人-無(wú)人編隊(duì)作戰(zhàn),獲取在空中、電磁域的整體優(yōu)勢(shì)。2019年初,已啟動(dòng)項(xiàng)目演示驗(yàn)證。預(yù)計(jì)2025年,FCAS驗(yàn)證機(jī)試飛,2040年服役。

2020年2月下旬,空中客車公司和法國(guó)泰雷茲公司簽署了一項(xiàng)開發(fā)空戰(zhàn)云的協(xié)議,用以賦能FCAS體系。根據(jù)其設(shè)計(jì)概念,在FCAS系統(tǒng)內(nèi),“空戰(zhàn)云”將實(shí)時(shí)連接和同步所有平臺(tái),增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力以及協(xié)同作戰(zhàn)的信息處理和分發(fā)能力。

綜合未來空戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)以及國(guó)外未來戰(zhàn)斗機(jī)和傳感器設(shè)計(jì)思路可以看出,下一代戰(zhàn)斗機(jī)是具有遠(yuǎn)程、穿透、強(qiáng)感知、強(qiáng)火力和快速?zèng)Q策能力的強(qiáng)有力的骨干節(jié)點(diǎn)平臺(tái)[1]。在信息感知方面往全向探測(cè),全向隱身、協(xié)同智能化的發(fā)展[2,14]。作為戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)核心傳感器,對(duì)于機(jī)載火控雷達(dá)牽引發(fā)展的主要方向包括一體化、協(xié)同化、蒙皮化、隱身化、智能化和芯片化等。

3 機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1 一體化

雷達(dá)面臨的作戰(zhàn)任務(wù)從傳統(tǒng)的空空作戰(zhàn)發(fā)展到空面作戰(zhàn)、成像探測(cè)等多種模式,同時(shí)兼顧電子戰(zhàn)偵收與干擾等功能。單純利用機(jī)頭孔徑雷達(dá)實(shí)現(xiàn)這些功能,面臨時(shí)間和空間資源的緊缺。單傳感器多功能化和多傳感器間融合是提升戰(zhàn)斗機(jī)信息感知能力的重要途徑[15-17]。

3.1.1 單傳感器多功能一體化

為適應(yīng)未來空戰(zhàn)平臺(tái)作戰(zhàn)需要,并滿足諸如無(wú)人機(jī)等空中新平臺(tái)約束條件,單一平臺(tái)已難以承受雷達(dá)、電子戰(zhàn)等大量傳感器設(shè)備的堆積。即便在同一平臺(tái)上安裝了以上的傳感器設(shè)備,它們之間不可避免構(gòu)成了強(qiáng)烈的功能和任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)、空間位置和體積競(jìng)爭(zhēng)、載荷重量競(jìng)爭(zhēng)、電源供應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)、電磁兼容等競(jìng)爭(zhēng)。此時(shí),依靠簡(jiǎn)單的信息交互和協(xié)同控制管理已經(jīng)不能從根本上解決上述的競(jìng)爭(zhēng),只有采用多功能一體化技術(shù)從孔徑、通道、處理、調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)最大限度地覆蓋不同設(shè)備作戰(zhàn)功能和性能,才能消弭上述的沖突,打破空中平臺(tái)的射頻能力瓶頸。

多功能一體化分為分時(shí)多功能和同時(shí)多功能兩種。分時(shí)多功能條件下基于雷達(dá)孔徑在雷達(dá)工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)源探測(cè)、有源干擾和通信等功能,實(shí)現(xiàn)難度較小。同時(shí)多功能要求采用一體化波形、復(fù)用一體化射頻孔徑和通道、一體化處理等資源,突破超寬帶孔徑、收發(fā)一體等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)難度較大。同時(shí)多功能一體化,尤其是雷電一體化,應(yīng)從孔徑、通道、處理、調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)共同考慮。

孔徑一體化(圖7)方面,要求孔徑設(shè)計(jì)時(shí),能夠同時(shí)滿足雷達(dá)有源探測(cè)和電子戰(zhàn)偵察干擾的需求。電子戰(zhàn)工作頻段會(huì)覆蓋雷達(dá)工作頻段,因此強(qiáng)烈的互擾可能使雷電無(wú)法同時(shí)工作,因此除了一體化孔徑具備廣域?qū)掝l特點(diǎn)外,還需要設(shè)計(jì)與之配套的基于任務(wù)規(guī)劃雷電協(xié)同方式。孔徑一體化最核心的是要解決同時(shí)同頻雙工的問題。

圖7 一體化孔徑

通道一體化(圖8)方面,需對(duì)雷達(dá)、電子戰(zhàn)指標(biāo)需求進(jìn)行融合,充分考慮兩種功能通道差異性。首先是接收帶寬與接收靈敏度的差異,為保證截獲概率,電子戰(zhàn)偵察一般在頻率上采用寬開,遠(yuǎn)大于雷達(dá)的接收帶寬,從而在接收靈敏度上要弱于雷達(dá);其次是工作頻率差異,一般情況下敵我雙方雷達(dá)不會(huì)采取同一工作頻點(diǎn)以避免同頻異步干擾,故需要一體化通道具備同時(shí)分頻工作的能力。

圖8 一體化通道架構(gòu)

信號(hào)一體化是實(shí)現(xiàn)一體化的高級(jí)階段,是多功能一體化的關(guān)鍵。目前探干偵通等不同功能波形具有顯著不同的需求：雷達(dá)波形以模糊函數(shù)為基礎(chǔ),通常按照固定節(jié)拍收發(fā)信號(hào);電子戰(zhàn)波形以熵和相關(guān)性為基礎(chǔ),按照對(duì)方節(jié)拍偵收和發(fā)射干擾;通信波形以香農(nóng)理論為基礎(chǔ),按照約定節(jié)拍發(fā)射或接收信號(hào)。采用波形拼接合成以及波形統(tǒng)一設(shè)計(jì)等方式提升能量和時(shí)間資源利用率以及低截獲探測(cè)性能。

處理一體化方面,需要對(duì)雷達(dá)、電子戰(zhàn)數(shù)據(jù)處理的硬軟件平臺(tái)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。信號(hào)采樣一體化方面,雷電信號(hào)處理需求和方式有所不同,因此需根據(jù)ADC器件水平,確定合理的信號(hào)采樣方案,能力足夠時(shí)優(yōu)先采用單個(gè)ADC同時(shí)滿足雷電信號(hào)采樣的速度和精度要求。處理硬軟件模塊化方面,以通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托,將對(duì)應(yīng)的資源虛擬化,通過調(diào)用中間件上的不同軟件模塊來實(shí)現(xiàn)雷電的各項(xiàng)功能,實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦,是雷電一體化處理最理想的形式。

3.1.2 多傳感器一體化信息融合

雷達(dá)、光雷、電子戰(zhàn)和DAS傳感器探測(cè)不同的目標(biāo)特征,具有不同的探測(cè)距離、覆蓋角域、探測(cè)精度和目標(biāo)識(shí)別能力,通過傳感器相互融合,可提升平臺(tái)對(duì)于周邊態(tài)勢(shì)的感知和火控目標(biāo)的跟蹤能力。同時(shí),在實(shí)際作戰(zhàn)使用時(shí),戰(zhàn)機(jī)處于強(qiáng)干擾對(duì)抗環(huán)境,存在部分傳感器測(cè)量失效的情況,通過多傳感器融合,可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的全方面的有效感知。

F-35主要的傳感器分系統(tǒng)包括AN/APG-81雷達(dá)、AN/ASQ-239電子戰(zhàn)/電子對(duì)抗系統(tǒng)、AN/AAQ-40光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、AN/AAQ-37光電分布式孔徑系統(tǒng)、AN/ASQ-242通信導(dǎo)航和識(shí)別(CNI)航電系統(tǒng)等。這5種傳感器分系統(tǒng)是F-35戰(zhàn)斗機(jī)多源態(tài)勢(shì)感知能力的基礎(chǔ),使其能夠在射頻和紅外頻譜上進(jìn)行綜合態(tài)勢(shì)感知。與以往的戰(zhàn)斗機(jī)相比,這種態(tài)勢(shì)感知方式可以獲得更多、更全面的環(huán)境和目標(biāo)信息[9-10]。

在機(jī)載航空電子領(lǐng)域,美軍研制的F-22、F-35作戰(zhàn)任務(wù)系統(tǒng)中,都將信息融合作為重要的任務(wù)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)(圖9),通過融合軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)空中及地面防御系統(tǒng)的識(shí)別、定位與跟蹤,增強(qiáng)飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力。F-22戰(zhàn)斗機(jī)上主要實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、電子戰(zhàn)、CNI的融合跟蹤,同時(shí)利用CNI數(shù)據(jù)鏈信息實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛機(jī)間相互引導(dǎo)和提示跟蹤,并支持多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)。

圖9 傳感器融合能力提升示意

同時(shí),F-35支持平臺(tái)內(nèi)傳感器融合和平臺(tái)間傳感器融合。根據(jù)文獻(xiàn)[13],F-35融合層級(jí)分為Tire 1和Tie3。Tier 1只利用本平臺(tái)信息,Tire3利用本平臺(tái)信息和外部信息源信息。2016年末,F-35完成了協(xié)同目標(biāo)定位與跟蹤測(cè)試,在該測(cè)試中,F-35對(duì)一架無(wú)人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,并利用多功能先進(jìn)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航跡與地面武器系統(tǒng)態(tài)勢(shì)共享,支撐地面武器系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)目標(biāo)的超視距攻擊。

電子信息系統(tǒng)的綜合一體化是先進(jìn)平臺(tái)的典型特征。傳感器一體化的發(fā)展,信號(hào)處理平臺(tái)從各個(gè)傳感器獨(dú)立處理逐步變化至綜合處理平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度管理。航電系統(tǒng)架構(gòu)從傳統(tǒng)的分立式向聯(lián)合式,再到綜合模塊化架構(gòu)發(fā)展。通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方法,按照功能重新劃分、組合,將眾多分立的天線單元/陣列進(jìn)行整合,將傳感器前端組件、信號(hào)處理組件和數(shù)據(jù)處理組件等組成資源共享、可重構(gòu)和通用化的新型系統(tǒng)。最終在統(tǒng)一調(diào)度資源管理下實(shí)時(shí)完成高性能的雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等任務(wù),實(shí)現(xiàn)完整、清晰、快速、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知。

隨著未來戰(zhàn)斗機(jī)航電架構(gòu)的深度綜合化、一體化發(fā)展,機(jī)載射頻孔徑在寬頻段、數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)上,進(jìn)一步向綜合化、軟件化方向發(fā)展[17-20]。多功能一體化可顯著地縮減平臺(tái)天線數(shù)量, 改善平臺(tái)的氣動(dòng)和隱身性能。一體化發(fā)展帶來機(jī)上傳感器協(xié)同調(diào)度與電磁資源分配等挑戰(zhàn),也蘊(yùn)含著新的能力生成潛力。

3.2 協(xié)同化

當(dāng)前隨著空中目標(biāo)RCS的日益縮減和威脅目標(biāo)種類增加,單一平臺(tái)單一傳感器受限于孔徑尺寸、系統(tǒng)能耗、傳感器構(gòu)型等因素,在面對(duì)隱身目標(biāo)、主瓣干擾等威脅時(shí),探測(cè)性能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重惡化且缺乏有效應(yīng)對(duì)手段,難以勝任日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境變化[21]。

相對(duì)而言,多雷達(dá)協(xié)同探測(cè)技術(shù)通過編隊(duì)內(nèi)部/外部輻射源構(gòu)建新型的廣域分布的動(dòng)態(tài)收發(fā)探測(cè)構(gòu)型,利用多部雷達(dá)的空、時(shí)、頻、能、極化、波形等電磁資源,構(gòu)建高維度的雷達(dá)信號(hào)空間,通過空間分集、頻率分集等提升探測(cè)效能,可打破單裝雷達(dá)在抗干擾、探測(cè)隱身目標(biāo)等方面存在的固有瓶頸,是提升編隊(duì)?wèi)?zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的有效技術(shù)途徑[10,22]。

協(xié)同分為態(tài)勢(shì)級(jí)協(xié)同、信息級(jí)協(xié)同和信號(hào)級(jí)協(xié)同等多種形式。雷達(dá)的信息處理過程即有用信息的提取過程,但是每次處理在去除無(wú)用信息的同時(shí)也造成了有用信息一定程度的損失。因此,融合信息越接近原始數(shù)據(jù),融合可獲取的信息得益越高,相應(yīng)的數(shù)據(jù)量與難度也越大。一般來說,信號(hào)級(jí)協(xié)同形式包括收發(fā)分置協(xié)同[23-24]、統(tǒng)計(jì)多孔徑[25]和分布式相參[26-28]等多種形式。

收發(fā)分置協(xié)同發(fā)射和接收雷達(dá)處于不同平臺(tái),根據(jù)收發(fā)分置雷達(dá)方程[3]式(1),若前置機(jī)盡可能抵近至對(duì)方攻擊距離邊緣,則后置機(jī)距離目標(biāo)距離可大幅提升。在該情況下,后置機(jī)在安全區(qū)輻射,前置機(jī)通過純被動(dòng)接收探測(cè)等措施,有效保證生存能力。

(1)

統(tǒng)計(jì)多孔徑是基于空間RCS分集多路信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同探測(cè)方法。如雙機(jī)的探測(cè)場(chǎng)景下,通過兩發(fā)兩收或者一發(fā)兩收,實(shí)現(xiàn)同時(shí)多路獨(dú)立接收信號(hào)的聯(lián)合處理,利用目標(biāo)在不同方向的RCS起伏特性獲取空間分集得益和多路獨(dú)立接收信號(hào)間的非相參積累兩方面的得益[29],獲得更優(yōu)的能量利用效率。若多路信號(hào)采用頻率正交設(shè)計(jì),還可進(jìn)一步獲取頻率分集得益[30]。

分布式相參是將同一平臺(tái)不同孔徑或者多個(gè)平臺(tái)的多個(gè)孔徑之間的信號(hào)進(jìn)行融合,通過各孔徑信號(hào)在處理端的相參融合,等效為一部具有大孔徑積的單部雷達(dá),實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的合成性能。分布式相參的實(shí)現(xiàn)方式包括接收相參和收發(fā)全相參兩種,分別可實(shí)現(xiàn)N2和N3的信噪比改善[26]。

另外,隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起,無(wú)人機(jī)平臺(tái)以其無(wú)人化、低成本、可消耗、戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視,并快速走向空戰(zhàn)舞臺(tái)。

有人機(jī)—無(wú)人機(jī)組成空中聯(lián)合編隊(duì),無(wú)人機(jī)作為有人機(jī)平臺(tái)的“忠誠(chéng)僚機(jī)”協(xié)同作戰(zhàn),是世界強(qiáng)國(guó)面對(duì)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境的全新作戰(zhàn)樣式。 目前,美俄等軍事強(qiáng)國(guó)都在發(fā)展有人—無(wú)人空中編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目,并取得了階段性成果[31-32]。在俄烏沖突中,無(wú)人機(jī)在偵察監(jiān)視、打擊對(duì)抗等方面發(fā)揮了重大作用。未來有人—無(wú)人混合編隊(duì)和無(wú)人機(jī)群等新型作戰(zhàn)方式對(duì)于協(xié)同探測(cè)和信息共享的需求將持續(xù)推動(dòng)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展。

國(guó)外在協(xié)同化發(fā)展方面從2000年開始先后開展了分布式孔徑全相參雷達(dá)稱為“下一代雷達(dá)”“協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)”以及“靈活分布陣?yán)走_(dá)”等信號(hào)級(jí)協(xié)同技術(shù)驗(yàn)證,同時(shí)在跨域協(xié)同方面發(fā)展了“協(xié)同交戰(zhàn)能力”“海軍一體化防空火控系統(tǒng)”以及“先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”等跨域協(xié)同能力演示和開發(fā)驗(yàn)證。

國(guó)內(nèi)機(jī)載火控雷達(dá)協(xié)同探測(cè)當(dāng)前主要集中在同型機(jī)編隊(duì)點(diǎn)航跡協(xié)同層面,協(xié)同深度方面將向收發(fā)分置和統(tǒng)計(jì)多輸入多輸出(MIMO)等信號(hào)級(jí)協(xié)同擴(kuò)展,需進(jìn)一步突破高精度空時(shí)頻同步技術(shù)并開展信號(hào)級(jí)協(xié)同應(yīng)用驗(yàn)證;協(xié)同廣度方面將進(jìn)一步向空地、艦機(jī)、星機(jī)等跨域協(xié)同方向發(fā)展,需突破機(jī)間高速數(shù)據(jù)鏈、體系資源調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)并開展跨域協(xié)同應(yīng)用驗(yàn)證。

3.3 蒙皮化

隨著任務(wù)功能需求增多,原先安裝于機(jī)頭的單一電孔徑難以滿足同時(shí)多任務(wù)和全向探測(cè)的需求。因此,多個(gè)陣面分布于機(jī)身不同位置,構(gòu)成分布式孔徑,是實(shí)現(xiàn)全向探測(cè)是一種重要的可行途徑[33-37]。

蒙皮共形天線可降低傳感器對(duì)于飛機(jī)氣動(dòng)性能和隱身性能的影響。共形天線可分為表面共形天線與結(jié)構(gòu)共形天線。表面共形天線一般為低剖面天線,天線貼合在載體表面并與其共形。結(jié)構(gòu)共形天線是指先在載體表面開槽或開縫,天線嵌入載體內(nèi)部,再采用齊平安裝的方式使天線與載體表面共形[38]。

智能蒙皮天線體系架構(gòu)可分為射頻層、控制與信號(hào)處理層以及封裝層?？赏ㄟ^控制智能蒙皮天線射頻層的T/R 芯片,實(shí)現(xiàn)蒙皮的電磁輻射/散射可重構(gòu),同時(shí)通過控制波控電路實(shí)現(xiàn)蒙皮的波束自適應(yīng)。通過“分布式孔徑-智能蒙皮-集中式處理終端”的布局,把不同規(guī)模的蒙皮單元沿著飛行器表面共形布置,最大限度地利用飛行器表面積[39-41]。

國(guó)外在智能蒙皮研究方面,美國(guó)空軍通過“智能蒙皮結(jié)構(gòu)驗(yàn)證”“射頻多功能共口徑結(jié)構(gòu)”“結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列”和“X波段低厚度雷達(dá)孔徑 ”項(xiàng)目等一系列項(xiàng)目,支撐開展智能蒙皮天線研究[34]。

2017 年弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員以 X-47B 無(wú)人機(jī)的氣象探測(cè)雷達(dá)為例,使用矩形波導(dǎo)天線作為復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的中間層(圖10),在機(jī)翼上集成了結(jié)構(gòu)嵌入式裂縫波導(dǎo)天線的共形蒙皮陣列[42]。

圖10 X-47B共形天線[42]

飛行器平臺(tái)上布置多組智能蒙皮天線可構(gòu)成分布式孔徑。更進(jìn)一步,不同蒙皮孔徑之間通過統(tǒng)一的射頻資源管理調(diào)度,根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求和孔徑時(shí)間頻率資源重構(gòu),可實(shí)現(xiàn)分布式機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)架構(gòu)[43]。相較單孔徑雷達(dá),具有360°全空域覆蓋、作戰(zhàn)使用靈活多變的特點(diǎn)[44]。對(duì)于機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá),每個(gè)蒙皮單元都是參與機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)構(gòu)成的基本單元。機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)綜合環(huán)境的感知、目標(biāo)的特性、場(chǎng)景的變化和自身的資源,通過機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)、機(jī)會(huì)調(diào)度、機(jī)會(huì)決策實(shí)現(xiàn)雷達(dá)機(jī)會(huì)性工作。

相對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá),機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)具有更強(qiáng)的隱身能力、抗干擾能力、抗摧毀能力、信息融合能力、抗低空突防能力,適應(yīng)未來空中作戰(zhàn)平臺(tái)扁平化發(fā)展趨勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中,分布式機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)面臨三維異構(gòu)陣列電磁輻射特性與控制機(jī)理、三維異構(gòu)陣空時(shí)處理理論與處理架構(gòu)兩大基礎(chǔ)理論問題挑戰(zhàn)[45]。

對(duì)于智能蒙皮和機(jī)會(huì)陣列構(gòu)成的一體化可重構(gòu)雷達(dá),需要強(qiáng)大的寬帶傳輸與處理能力。當(dāng)前射頻器件難以滿足分布式孔徑同時(shí)多功能的超寬帶、多頻段射頻信號(hào)的傳輸和處理需求。微波光子技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟,為一體化分布式孔徑的應(yīng)用提供了一種解決途徑[46-48]。

3.4 隱身化

雷達(dá)和電子戰(zhàn)一直在相互博弈提升[49]。隨著電子戰(zhàn)探測(cè)靈敏度的提升,傳統(tǒng)火控雷達(dá)簡(jiǎn)單波形的脈沖多普勒探測(cè)體制易被敵方接收機(jī)偵收截獲與分選識(shí)別[50]。

機(jī)載火控雷達(dá)需要綜合天線隱身、射頻隱身與有源隱身等多種手段實(shí)現(xiàn)全向/全頻段隱身的作戰(zhàn)需求。

3.4.1 天線隱身

天線隱身主要涉及結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射、模式項(xiàng)散射、邊緣衍射和漫散射等[3,49]的控制約束。對(duì)于天線隱身而言,結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射、模式項(xiàng)散射是天線RCS貢獻(xiàn)的主要因素。

傳統(tǒng)天線隱身方式通過采用Vivaldi等低散射天線形式和采用傾斜安裝等方式實(shí)現(xiàn)單天線RCS降低,通過天線孔徑綜合設(shè)計(jì),降低機(jī)體天線單元數(shù)量實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體天線RCS的降低[51-52]。

面向未來戰(zhàn)機(jī)全向隱身和寬頻隱身的需求,可通過表面電流控制、分形/仿生結(jié)構(gòu)、阻抗加載/匹配、超材料和頻率選擇表面天線罩等技術(shù)應(yīng)用,進(jìn)一步降低天線RCS[53-54]。

3.4.2 射頻隱身

雷達(dá)的射頻隱身技術(shù)本質(zhì)上是以減小雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)特征為手段,降低電子偵察系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的截獲、識(shí)別等能力,從而提升雷達(dá)的抗偵察、抗干擾能力。相較于傳統(tǒng)雷達(dá)以目標(biāo)信噪比最大化為目標(biāo),射頻隱身雷達(dá)通過時(shí)域、空域、頻域、極化域、能量、波形等多維途徑綜合,以最小可被偵測(cè)概率下實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)為目標(biāo),開展探測(cè)任務(wù)?，F(xiàn)在常用的單平臺(tái)雷達(dá)射頻隱身技術(shù)主要分為四大類,即輻射源功率控制技術(shù)、低截獲波形技術(shù)、定向天線技術(shù)以及信號(hào)的最大不確定性技術(shù)等[55-56]。編隊(duì)協(xié)同方面,可通過戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法設(shè)計(jì),干擾目標(biāo)判斷,包含閃爍探測(cè)、雙/多基地探測(cè)、外輻射源探測(cè)等手段,降低編隊(duì)平臺(tái)能量輻射時(shí)間和強(qiáng)度,降低截獲概率[57]。

在射頻隱身探測(cè)體制方面,有學(xué)者探索MIMO體制在LPI技術(shù)中的應(yīng)用[58-62]。相較傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá),MIMO雷達(dá)采用M路通道發(fā)射相互正交的信號(hào),N路接收來實(shí)現(xiàn)探測(cè)。MIMO雷達(dá)發(fā)射的多波形信號(hào)在空間保持獨(dú)立,經(jīng)過目標(biāo)的散射,被N路接收。每一路接收都采用M個(gè)匹配濾波器對(duì)回波進(jìn)行匹配,從而可以得到M*N個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)?；诶走_(dá)陣面在空間的分布不同,MIMO雷達(dá)可劃分為統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)和緊湊式MIMO雷達(dá)[59,62]。通過波形分集技術(shù),MIMO雷達(dá)較相控陣?yán)走_(dá)獲得了更多的自由度。但隨著陣列規(guī)模增大,MIMO雷達(dá)在波形設(shè)計(jì)、架構(gòu)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)處理的復(fù)雜度就會(huì)急劇上升,因此有學(xué)者提出結(jié)合相控陣和MIMO技術(shù)的相控陣MIMO雷達(dá)。相控MIMO雷達(dá)把發(fā)射陣列劃分成若干個(gè)子陣,各個(gè)子陣內(nèi)發(fā)射相參信號(hào),子陣之間發(fā)射正交信號(hào),實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)和MIMO雷達(dá)的結(jié)合,可同時(shí)獲得相干處理增益和波形分集增益[63]。

正交波形的設(shè)計(jì)和處理是低截獲概率MIMO雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在MIMO雷達(dá)LPI設(shè)計(jì)中,需要考慮雷達(dá)探測(cè)性能和LPI性能在不同MIMO工作狀態(tài)下的優(yōu)化解[64-65]。

隨著通用處理模塊性能提升,新型信號(hào)處理算法的應(yīng)用,復(fù)雜波形在探測(cè)和抗偵收分選方面的應(yīng)用具有較大潛力[66-67]。在LPI波形設(shè)計(jì)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出各類復(fù)雜波形來降低雷達(dá)信號(hào)被偵收機(jī)截獲概率。最開始LPI波形設(shè)計(jì)從能量角度出發(fā),以降低峰值功率為主要目標(biāo),后續(xù)逐步發(fā)展至通過時(shí)頻空能多個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)估與設(shè)計(jì)[67]。此外,當(dāng)前LPI波形效能評(píng)估和實(shí)際效能以及LPI波形在降低被偵測(cè)概率的同時(shí)雷達(dá)探測(cè)性能評(píng)估,如何保證在空戰(zhàn)高機(jī)動(dòng)場(chǎng)景中對(duì)復(fù)雜波形有效積累和雜波抑制是需要認(rèn)真研究與分析問題[68-70]。

3.4.3 有源隱身

有源隱身是一種新興的潛在的提升機(jī)載火控雷達(dá)以及戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)RCS的技術(shù)[71]。

有源對(duì)消技術(shù)利用目標(biāo)上裝備的有源對(duì)消電子設(shè)備,產(chǎn)生與反射波同頻、同幅、反相的電磁波來減弱或消除反射波,從而使敵方雷達(dá)接收不到目標(biāo)反射波信號(hào)?？深惐嚷晫W(xué)上的主動(dòng)降噪技術(shù)。廣義上,有源對(duì)消技術(shù)為在已知來波照射條件下目標(biāo)的散射場(chǎng)分布,若能產(chǎn)生額外的電磁波,改變目標(biāo)的整體散射方向分布,使散射方向圖零點(diǎn)指向敵方雷達(dá),可達(dá)到隱身目的。有源隱身技術(shù)可分為兩大類：一類為集總式有源隱身,包括自適應(yīng)有源隱身技術(shù)和基于電子戰(zhàn)干擾對(duì)消概念的有源對(duì)消;另一類為分布式有源隱身技術(shù),即采用智能電磁結(jié)構(gòu)芯片排列成智能蒙皮,對(duì)雷達(dá)的入射波進(jìn)行接收、檢測(cè)并激發(fā)一定幅度、相位的對(duì)消波[72]。

有源對(duì)消隱身系統(tǒng)如圖11所示,包括來波探測(cè)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、電磁波發(fā)射系統(tǒng)。其工作流程為：首先傳感器測(cè)出敵方雷達(dá)探測(cè)信號(hào)方向、頻率和波形,然后經(jīng)信息處理系統(tǒng)得出目標(biāo)對(duì)應(yīng)的散射波,指令電子設(shè)備產(chǎn)生和發(fā)射所需的對(duì)消信號(hào),最終實(shí)現(xiàn)有源對(duì)消隱身。有源隱身技術(shù)的原理容易理解,工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)難點(diǎn)主要包括：(1) 雷達(dá)來波信號(hào)參數(shù)的精確測(cè)定;(2) 被保護(hù)目標(biāo)的全方位RCS精確計(jì)算;(3) 對(duì)消波的精確控制等方面。

圖11 有源對(duì)消系統(tǒng)示意圖

據(jù)稱,B-2隱身轟炸機(jī)上的防御電子設(shè)備—ZSR-63是一種有源對(duì)消系統(tǒng),其通過主動(dòng)發(fā)射電磁波來消除照射到機(jī)體上的雷達(dá)能量反射強(qiáng)度,目前未見有公開的詳細(xì)報(bào)道。

3.5 智能化

人工智能對(duì)態(tài)勢(shì)感知、指揮控制、通信互聯(lián)、打擊決策全作戰(zhàn)流程產(chǎn)生廣泛影響,必將深刻改變未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)。智能感知成為影響戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的決定性因素。未來戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)對(duì)雷達(dá)提出了新的需求：

(1)學(xué)習(xí)能力：精確感知建模;積累更新知識(shí);自適應(yīng)未知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

(2)自主能力：精準(zhǔn)態(tài)勢(shì)感知;自主規(guī)劃、決策;探干偵通智能調(diào)度。

(3)協(xié)同能力：跨平臺(tái)智能信息融合、多平臺(tái)智能調(diào)度。

機(jī)載火控雷達(dá)面臨的作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜多變,如何在復(fù)雜多變的干擾雜波環(huán)境中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)智能化精確檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別,將是未來機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展迫切需要解決的技術(shù)難題[73]。此外,隨著射頻前端數(shù)字化程度的提高,自適應(yīng)處理技術(shù)的完善,高性能計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,雷達(dá)信息處理逐漸朝向“環(huán)境自感知、處理自適應(yīng)”的智能化方向發(fā)展。

雷達(dá)智能化包括智能化雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)、智能化處理以及智能化調(diào)度等方面。處理的智能化通過自適應(yīng)處理、識(shí)別算法等提升雷達(dá)對(duì)于干擾、雜波的抑制和對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。雷達(dá)系統(tǒng)的智能化指整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)具備適應(yīng)機(jī)載平臺(tái)高強(qiáng)度高動(dòng)態(tài)復(fù)雜電磁環(huán)境的智能化的自主工作能力[73-75]。

智能化系統(tǒng)架構(gòu)方面,傳統(tǒng)雷達(dá)架構(gòu)和處理模式靈活性較差、自適應(yīng)能力弱,無(wú)法應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的強(qiáng)電磁對(duì)抗環(huán)境。智能化雷達(dá)架構(gòu)擬通過認(rèn)知、人工智能技術(shù),使雷達(dá)具備自適應(yīng)閉環(huán)的智能發(fā)射能力和端到端的深度處理能力,在復(fù)雜雜波和電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、自動(dòng)化的態(tài)勢(shì)感知。2006年,文獻(xiàn)[76]借鑒蝙蝠回聲定位系統(tǒng)及認(rèn)知過程,首次提出了認(rèn)知雷達(dá)概念,并明確指出認(rèn)知雷達(dá)是引入并模仿人類認(rèn)知特性的新一代智能雷達(dá)系統(tǒng),具備感知、理解、學(xué)習(xí)、推斷與決策等能力, 使雷達(dá)系統(tǒng)不斷地調(diào)整接收機(jī)和發(fā)射機(jī)參數(shù)以適應(yīng)日益復(fù)雜的探測(cè)環(huán)境, 從而有效提高目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤及抗干擾等性能。

智能化處理方面,在智能化處理領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括利用深度學(xué)習(xí)、基于知識(shí)庫(kù)等先驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的智能檢測(cè)、智能跟蹤和智能識(shí)別等。在自適應(yīng)波形設(shè)計(jì)方面,通過回波信號(hào)和其它感知信息自適應(yīng)優(yōu)化發(fā)射波形,提升雷達(dá)性能參數(shù)和應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。針對(duì)干擾和雜波這兩項(xiàng)機(jī)載雷達(dá)有源探測(cè)的重要影響因素,雷達(dá)可通過主動(dòng)對(duì)抗和被動(dòng)對(duì)抗等措施提升信息感知能力。主動(dòng)對(duì)抗手段包括自適應(yīng)調(diào)頻、射頻掩護(hù)、頻率分集、射頻隱身等,被動(dòng)手段包括STAP處理、極化、運(yùn)動(dòng)特性分析等處理手段和方法[77-79]。在目標(biāo)識(shí)別方面,豐富的多維度信息獲取是實(shí)現(xiàn)識(shí)別的前提,通過RCS特性、寬帶一維距離像和SAR/ISAR成像等多種手段火控雷達(dá)可獲取空中和地面目標(biāo)多維度信息。

智能化調(diào)度方面,通過對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知能力和自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射、接收處理能力,實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)抗和目標(biāo)信息感知。通過頻譜認(rèn)知、頻譜學(xué)習(xí)、頻譜推理和頻譜利用結(jié)合的方式,自主根據(jù)目標(biāo)和外部環(huán)境特性智能選擇發(fā)射信號(hào)、工作方式和資源分配[76,80-91]。文獻(xiàn)[76]對(duì)比了常規(guī)雷達(dá)架構(gòu)和智能化認(rèn)知雷達(dá)處理架構(gòu),參見圖12。從架構(gòu)上可以看出,常規(guī)雷達(dá)架構(gòu)只具備信號(hào)處理的自適應(yīng)能力,為開環(huán)架構(gòu);智能化認(rèn)知雷達(dá)通過各類信息的感知和分析實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收兩個(gè)層級(jí)的自適應(yīng)控制的閉環(huán)架構(gòu)。

圖12 傳統(tǒng)雷達(dá)架構(gòu)和智能化雷達(dá)架構(gòu)對(duì)比

機(jī)器主導(dǎo)的認(rèn)知型智能將是未來空戰(zhàn)單體智能的發(fā)展方向,群體智能將是未來空中作戰(zhàn)體系的主流形態(tài)[14]。未來雷達(dá)需要精細(xì)化的環(huán)境感知能力和自適應(yīng)的探測(cè)工作與處理方案。雷達(dá)未來發(fā)展必然要以智能化作為突破口,結(jié)合人工智能算法在知識(shí)積累、知識(shí)發(fā)現(xiàn)和知識(shí)應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì),提高雷達(dá)功能集成、資源(空、時(shí)、頻、能、極化、波形)管控、能力重構(gòu)、環(huán)境認(rèn)知、信息處理等方面能力,形成雷達(dá)智能化感知能力,爭(zhēng)奪戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)和制信息權(quán),積極應(yīng)對(duì)未來智能化作戰(zhàn)和復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境帶來的挑戰(zhàn),在雷達(dá)體制架構(gòu)、理論和技術(shù)上不斷發(fā)展演變。

3.6 芯片化

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)對(duì)載荷重量、體積要求嚴(yán)苛,對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)輕量化提出了更高要求。有源相控陣天線中包含大量T/R組件,每個(gè)組件均包含功放芯片、放大器、移相器等多種電子元器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展,單片微波集成電路技術(shù)、射頻微機(jī)械電子技術(shù)技術(shù)和集成封裝技術(shù)為高性能、高可靠和小型化T/R組件提供了技術(shù)途徑[92-96]。

隨著半導(dǎo)體基礎(chǔ)以及先進(jìn)封裝工藝的發(fā)展和驅(qū)動(dòng),出現(xiàn)了片上天線(AoC)、封裝天線(AiP)、系統(tǒng)級(jí)封裝天線(SiP)等新型天線[92,96-97]。

AoC通過半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其他電路集成到同一芯片上,但由于使用了相同的材料和工藝,難以使每個(gè)類型的電路性能達(dá)到最優(yōu),導(dǎo)致雷達(dá)天線難以達(dá)到最優(yōu)性能。AiP通過封裝材料與工藝,將天線集成在芯片封裝內(nèi)。相比于AoC,AiP將多種器件與電路集成在一個(gè)封裝內(nèi),完成片上天線難以形成的復(fù)雜功能和特定的系統(tǒng)級(jí)封裝,有效避免了半導(dǎo)體襯底的低電阻率帶來的增益損耗問題。SiP采用絕緣襯底上的硅工藝和QFN封裝技術(shù),將片上天線和封裝天線相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)更高的天線增益,同時(shí)體積和重量也得到大幅縮減。

在后摩爾時(shí)代,亞微米、納米技術(shù)的出現(xiàn)給有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展帶來了新的契機(jī),雷達(dá)芯片化技術(shù)進(jìn)步有望將系統(tǒng)微型化、低功耗與可靠性提升至新的高度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析現(xiàn)有主流戰(zhàn)機(jī)機(jī)載火控雷達(dá)能力,結(jié)合未來作戰(zhàn)發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),展望未來機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展。

機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展與作戰(zhàn)使命任務(wù)緊密結(jié)合。面向未來隱身作戰(zhàn)和無(wú)人作戰(zhàn)需求,雷達(dá)發(fā)展往綜合射頻一體化、協(xié)同化、蒙皮化、隱身化和智能化等方向發(fā)展。隨著技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng),機(jī)載火控雷達(dá)將采用更多的新技術(shù),產(chǎn)生更多的新能力,達(dá)到更高的水平。