一種艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)研究

王 露，安政帥，宋嘉奇

一種艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)研究

王 露，安政帥，宋嘉奇

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

分布式陣列雷達(dá)采用多個(gè)分布式小孔徑子陣，通過相參處理的方式來擴(kuò)大天線孔徑，提高測角精度與分辨率，增強(qiáng)探測威力，可以為大物理孔徑陣列雷達(dá)的設(shè)計(jì)提供更高的自由度。介紹了一種艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)合P~L波段超寬帶天線和數(shù)字陣列的優(yōu)點(diǎn)，通過采用分布式陣列體制以及數(shù)字陣列信號處理技術(shù)，有效增加天線孔徑尺寸和信息獲取能力，提高雷達(dá)的探測性能；采用天線與艦體共形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)艦體與電磁隱身，提升水面艦艇集成一體化設(shè)計(jì)能力。雷達(dá)系統(tǒng)可針對不同艦船平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行孔徑重構(gòu)和優(yōu)化布陣，具有多功能、多模式、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

分布式陣列；艦體共形；孔徑重構(gòu)；優(yōu)化布陣

0 引言

當(dāng)前海洋安全面臨新的挑戰(zhàn)，水面艦艇承擔(dān)的作戰(zhàn)任務(wù)也越來越趨于多樣化，需要增強(qiáng)遠(yuǎn)海海域常態(tài)化、全天候、大范圍的監(jiān)測能力，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)、識別、定位軍事目標(biāo)，獲取統(tǒng)一態(tài)勢[1-3]。分布式數(shù)字陣列雷達(dá)是隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭和戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化、雷達(dá)作用距離對陣面孔徑尺寸的要求和高技術(shù)條件對雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求而提出的新概念、新體制雷達(dá)，突破了傳統(tǒng)雷達(dá)對功率和孔徑的制約。本文旨在探討分布式數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)在改變雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維、發(fā)展新體制艦載雷達(dá)方面的能力分析。

1 艦載雷達(dá)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 新型空中目標(biāo)挑戰(zhàn)

隱身作戰(zhàn)平臺是當(dāng)前武器裝備的重要發(fā)展方向，國外已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)了多款隱身飛機(jī)以及隱身巡航導(dǎo)彈，如圖1所示。隱身平臺綜合運(yùn)用外形設(shè)計(jì)，吸波材料，有源、無源對消等技術(shù)，可以使飛行器的雷達(dá)反射截面積減縮水平降低大約20 dB或更多。這些具有較高技術(shù)性能的隱身飛機(jī)以及隱身巡航導(dǎo)彈將對水面艦艇防空體系提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此，提高水面艦艇的反隱身目標(biāo)能力已經(jīng)成為新形勢下裝備研究不可回避的問題。

圖1 國外隱身作戰(zhàn)平臺展示圖

1.2 射頻多功能集成化

隨著高新武器技術(shù)的發(fā)展，未來戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)平臺的信息化程度、綜合作戰(zhàn)性能、隱身性、遠(yuǎn)程探測能力要求越來越高，因此，雷達(dá)系統(tǒng)必須適應(yīng)多功能、多任務(wù)、綜合化這一發(fā)展趨勢。為完成現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)任務(wù)，雷達(dá)系統(tǒng)需要同時(shí)具備偵察、探測、干擾、通信等多種功能于一身，完成搜索、引導(dǎo)、目標(biāo)指示、識別、通信、電子對抗等諸多功能，如圖2所示。

圖2 艦載多功能雷達(dá)任務(wù)示意圖

1.3 平臺傳感器一體化

水面艦艇的隱身發(fā)展要求艦體隱身與電磁隱身相結(jié)合，因此，平臺傳感器一體化技術(shù)已經(jīng)成為新型艦艇裝備的發(fā)展趨勢。雷達(dá)龐大而復(fù)雜的天線設(shè)備對艦艇的隱身性能帶來了非常不利的影響，因此，未來艦載雷達(dá)系統(tǒng)將逐步向一體化、共形化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。天線集成技術(shù)將雷達(dá)天線集成化、平面化嵌入到上層建筑中，如圖3所示，簡化天線布局和兼容問題，提高電磁系統(tǒng)性能和作戰(zhàn)性能的技術(shù)。

圖3 平臺傳感器一體化示意圖

1.4 雷達(dá)戰(zhàn)場生存能力

隨著電子偵察技術(shù)和反雷達(dá)技術(shù)的日益發(fā)展，先進(jìn)的電子對抗技術(shù)使得艦載雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境中面臨著越來越嚴(yán)峻的威脅，雷達(dá)偵察—反偵察、隱身—反隱身、摧毀—反摧毀、干擾—反干擾問題日益突出，因此，雷達(dá)需要具有良好的低截獲能力和抗干擾性能設(shè)計(jì)。此外，如何降低雷達(dá)損毀概率，提高裝備生存能力，也是未來艦載雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要方向，如圖4所示。

圖4 DD（X）隱身艦艇分布式陣列示意圖

2 艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)

2.1 分布式數(shù)字陣列雷達(dá)原理

本文所探討的艦載分布式陣列雷達(dá)系統(tǒng)，是以平臺隱身性設(shè)計(jì)為核心，以數(shù)字陣列為基礎(chǔ)，通過“靈活分布的共形天線陣列”、“高速光纖傳輸”和“高性能信號處理系統(tǒng)”組成的數(shù)字陣列雷達(dá)。系統(tǒng)采用P~L波段低剖面輕型超寬帶緊耦合天線，具有較寬的頻帶覆蓋范圍和良好的寬角掃描特性，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，可以滿足艦體表面共形天線的設(shè)計(jì)要求；天線陣列分別在水平和垂直方向最大限度利用艦體尺寸擴(kuò)展天線孔徑，如圖5所示，并進(jìn)行聯(lián)合相參工作，從而增大雷達(dá)功率-孔徑積，提高對隱身目標(biāo)的探測威力和高精度參數(shù)獲取能力；分布式陣列單元進(jìn)行合成處理，獲得多種工作模式和探測能力，采用數(shù)字陣列天線實(shí)現(xiàn)靈活的波束控制與資源調(diào)度，提高雷達(dá)對于目標(biāo)的多功能、多模式、多目標(biāo)的探測要求；通過綜合利用P~L波段超寬帶信號，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)、自適應(yīng)陣列處理技術(shù)，提高抗干擾性能、低截獲概率，獲得良好的目標(biāo)探測能力。最終，形成能夠有效實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多功能作戰(zhàn)的新型體制雷達(dá)。

圖5 分布式子陣布陣示意圖

雷達(dá)的原理框圖如圖6所示，主要包括以下部分：P~L波段數(shù)字陣列天線單元；綜合射頻單元；綜合處理單元（包含資源任務(wù)調(diào)度模塊、信號處理模塊、電源分配模塊）；綜合保障單元（包含射頻綜合管理、數(shù)據(jù)鏈路、故障檢測）。

圖6 分布式數(shù)字陣列雷達(dá)原理框圖

雷達(dá)工作時(shí)，綜合處理單元根據(jù)規(guī)劃的任務(wù)情況產(chǎn)生系統(tǒng)任務(wù)序列和工作時(shí)序，對天線進(jìn)行選擇，并通過光纖完成相應(yīng)綜合射頻單元的信息傳輸。各子陣天線均發(fā)射正交/相同波形，波束方位進(jìn)行 1.5 dB交疊，形成任務(wù)所需要的發(fā)射波束對目標(biāo)進(jìn)行輻射。雷達(dá)回波經(jīng)天線單元后送至綜合射頻單元，完成相應(yīng)波段的接收、A/D變換、綜合脈沖孔徑合成后形成數(shù)字I、Q信號，送至綜合處理單元進(jìn)行處理。綜合處理單元完成綜合脈沖孔徑合成形成數(shù)字I、Q信號，進(jìn)一步進(jìn)行雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理，各接收波束信號經(jīng)過數(shù)字脈沖壓縮、雜波抑制、抗干擾處理、恒虛警檢測、解模糊、方位測角、波束數(shù)據(jù)融合、點(diǎn)跡處理、航跡處理后實(shí)時(shí)形成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡，處理結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路傳輸給顯控臺進(jìn)行顯示。

雷達(dá)采用數(shù)字陣列模塊進(jìn)行二維數(shù)控掃描，每個(gè)子陣面在方位上可作±45°相掃，各個(gè)陣列子陣可以共形一體化分布在艦艇平臺的不同位置，相對大型平面相控陣容易布設(shè)、能耗小、艦體具有低的RCS隱身與高的生存、可抗毀性特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)軟件化動(dòng)態(tài)重構(gòu)。在保持平臺的隱身性、生存性的同時(shí)，獲得對目標(biāo)探測所需要的功率-孔徑積合成與多參數(shù)發(fā)現(xiàn)能力。

2.2 分布式數(shù)字陣列雷達(dá)特點(diǎn)

分布式陣列雷達(dá)靈活多樣的數(shù)字波束形成，可以根據(jù)實(shí)際需要采取不同的波束形式和工作模式，主要的工作模式，如圖7所示，包括：

（1）Ubiquitous模式：全向?qū)挷ㄊl(fā)射，多子窄波束接收，可以用較少的積累周期獲得較高的信噪比和作用距離；

（2）子陣模式：可以進(jìn)行靈活的多任務(wù)工作，抗摧毀能力強(qiáng)；

（3）MIMO模式：通過子陣發(fā)射相互正交的雷達(dá)信號以獲取高的空間分集增益，具有低截獲能力；

（4）相控陣模式：使用高增益的窄波束進(jìn)行大威力、高精度掃描。

圖7 分布式陣列工作模式（Ubiquitous、子陣、MIMO、相控陣）

本文所討論的艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)所采用的P~L波段與高增益指向性特性，使其剛好適合破解隱身戰(zhàn)機(jī)外形設(shè)計(jì)與絕大多數(shù)主流的高速通信系統(tǒng)，除了能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程探測外，在遠(yuǎn)距離對通信系統(tǒng)的被動(dòng)偵測等方面也具備不可忽視的潛力：

（1）該雷達(dá)頻段覆蓋Link-16以及部分預(yù)警雷達(dá)、導(dǎo)彈數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星導(dǎo)航信號的工作范圍，P~L波段寬帶天線能夠提供更寬頻帶的偵測，加上這種寬帶天線組成的分布式大孔徑陣列可以發(fā)出指向性波束，能夠用來對這些通信行為進(jìn)行被動(dòng)預(yù)警偵察與探測、輔助敵我識別，甚至可以進(jìn)行主動(dòng)干擾；

（2）高速通信系統(tǒng)設(shè)備波束較寬，容易受到敵方從波束主瓣實(shí)施的主動(dòng)干擾，分布式的P~L波段寬帶天線陣列能夠形成高指向性波束，可以精確追蹤敵干擾源的方位，能夠?yàn)橥ㄓ嵲O(shè)備指示干擾方向，進(jìn)行干擾抵消。

因此，該雷達(dá)具有同時(shí)兼?zhèn)漕A(yù)警、跟蹤、目標(biāo)指示、被動(dòng)偵測、輔助敵我識別、通信輔助抗干擾等功能于一體的能力，如圖8所示。

與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，分布式數(shù)字陣列雷達(dá)[4-6]具有以下優(yōu)勢：

（1）分布式布陣的單元雷達(dá)可以重構(gòu)成一個(gè)大的天線陣列，能夠增大合成后的等效天線孔徑，部雷達(dá)的功率—孔徑—增益積可達(dá)到3，有效提高整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力、方位分辨能力和測角精度；

（2）分布式體制雷達(dá)可以更好地減輕雜波和其它形式電子對抗的影響，多部分布式雷達(dá)孔徑的去相關(guān)和求平均處理可以使大氣環(huán)境的不利影響降至最?。?/p>

（3）分布式雷達(dá)系統(tǒng)資源可以根據(jù)探測需求、信號環(huán)境和目標(biāo)類型進(jìn)行靈活配置和重構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)資源對作戰(zhàn)使命的最佳匹配和對探測任務(wù)的使用效率最大化；

（4）分布式體制雷達(dá)降低了對雷達(dá)平臺的裝配要求，可以根據(jù)平臺的裝配條件和性能需求，將整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)資源采用分布式裝配方式分別安裝在平臺結(jié)構(gòu)的不同位置；

（5）分布式陣列雷達(dá)可以獲得大天線孔徑，又能同時(shí)避免采用大型天線結(jié)構(gòu)，并且得益于結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立及分散性，其相位中心并非對應(yīng)于某一個(gè)子陣，因此生存能力將顯著提高。

3 結(jié)論

艦載雷達(dá)作為可以主動(dòng)、全天候、遠(yuǎn)距離獲取信息的主要手段，在海洋情報(bào)獲取、防御系統(tǒng)中起著十分重要的作用。本文探討了一種艦載分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)合P~L波段超寬帶天線和數(shù)字陣列的優(yōu)點(diǎn)，并采用天線與艦體共形，能夠有效提高雷達(dá)的功率—孔徑積，提升水面艦艇集成一體化設(shè)計(jì)、綜合隱身/反隱身能力。分布式數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)屬于新體制、新技術(shù)，對于艦載雷達(dá)系統(tǒng)的研制具有積極的借鑒意義。

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Research On Shipboard Distributed Digital Array Radar System

WANG Lu, AN Zhengshuai, SONG Jiaqi

The distributed array radar consists of several distributed small aperture sub-arrays processed coherently, which can expand the antenna aperture, improve the angular measurement accuracy and resolution, and enhance the detection ability, which can also provide higher degrees of freedom for large physical aperture array designation. A shipboard distributed digital array radar system combining with P~L ultra wide band antenna and the advantages of digital array is demonstrated. The new radar adopts the distributed array system and digital array signal processing technology, can effectively increase the antenna aperture size and information acquisition capability, improve the detection performance. It adopts a hull conformal antenna design, realizes the hull and electromagnetic stealth, improve platform surface integration ability. The proposed radar system can reconstruct aperture and optimize array according to different ship platform structures, and has the advantages of multi-function, multi-mode and universality.

Distributed Array; Hull Conformal; Aperture Reconstruction; Optimize Array

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-454-05

2021-08-26。

王露（1986.12—），陜西西安人，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)、多功能綜合射頻技術(shù)研究。