相控陣雷達導引頭技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳 潛，陸滿君，宋 柯，于祥禎，杜 科

（上海無線電設備研究所，上海 201109）

0 引言

歷史上每一次重大技術變革和先進工程應用，都會推動高性能武器裝備的快速發(fā)展和進步，從而不斷地改變著戰(zhàn)場“游戲規(guī)則”［1-3］。雷達作為武器裝備的“千里眼、順風耳”，成為精確制導武器系統(tǒng)的重要組成部分，它使導彈武器系統(tǒng)探測識別性能得到了大幅度提升。相控陣雷達技術的成功應用是對傳統(tǒng)雷達的一次技術革命，相控陣雷達能同時針對多個目標，極大地拓展了雷達使用功能，有效地提高了抗干擾能力，重新定義了隱身時代的戰(zhàn)場“游戲規(guī)則”，確保了導彈武器系統(tǒng)己方優(yōu)勢的有效發(fā)揮［4-5］。

自第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)了雷達尋的制導系統(tǒng)以來，雷達導引頭已經(jīng)歷了70 多年的發(fā)展過程，有了很大的發(fā)展和廣泛的應用。1944 年，美國雷神公司的路易·山德斯首先提出了使用連續(xù)波主動雷達導引頭制導的設想，但是由于當時無法解決收發(fā)通道之間的隔離問題，這一設想被迫擱置。后來在此基礎上誕生了半主動雷達尋的連續(xù)波制導方案，并于1950 年11 月在“云雀”導彈上試驗成功。20 世紀70 年代，隨著電子技術和電子器件的發(fā)展，尤其是基于固態(tài)發(fā)射功率器件的成果，主動雷達導引頭研制成功，使得導彈可主動追擊目標，不受發(fā)射平臺制導雷達的約束，獲得了“發(fā)射后不管”的能力，提高了發(fā)射平臺的機動性和戰(zhàn)場生存能力。90 年代，隨著相控陣技術的發(fā)展，開始探索在雷達導引頭技術的應用。2004 年，雷神公司研制出了第一個相控陣雷達導引頭樣機。近年來，相控陣雷達導引頭相繼在一些導彈型號中得到應用。

相控陣雷達導引頭的出現(xiàn)，是制衡隱身技術的主要技術途徑，也是對傳統(tǒng)雷達導引頭的一次技術革命，重新定義了隱身時代的戰(zhàn)場“游戲規(guī)則”。當前國際上主要軍事強國相繼突破了相控陣雷達導引頭的關鍵技術，爭先應用在精確制導武器上，相控陣雷達導引頭正處于快速發(fā)展階段，后續(xù)發(fā)展方向擁有巨大的提升潛力和廣闊的應用前景。

1 技術特點

與機械掃描雷達不同，相控陣雷達取消了傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，通過控制陣列各個單元的饋電相位來改變波束指向的雷達，通過大量的收發(fā)組件即T/R組件（Transmitter and Receiver，T/R），實現(xiàn)高功率放大和高靈敏度接收，這是相控陣雷達技術發(fā)展的核心。相控陣雷達導引頭的系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包括有源相控陣天線、波束控制器、頻率綜合器、接收機、信號處理機和電源等。

圖1 不同體制的雷達導引頭Fig.1 Different radar seekers

與機械掃描雷達導引頭相比，相控陣雷達導引頭的優(yōu)勢有以下幾點：

1）探測距離遠。相控陣導引頭具有更大的輻射功率、更大的口徑利用率、更低的系統(tǒng)損耗，因而具有遠距離探測能力。相控陣天線每一個輻射單元可以看成為一個小功率的發(fā)射機，隨著單元數(shù)量的增加，可以在空間合成較大的合成功率，相比傳統(tǒng)導引頭，平均發(fā)射功率可提高一個數(shù)量級以上。相控陣導引頭天線波束電掃描，取消了機械轉動裝置，因此，天線與天線罩之間不需要留較大的轉動空間，可以與彈徑垂直進行圓形設計，也可以傾斜放置進行橢圓形設計，還可以與天線罩或彈體進行共形設計，提高了口徑利用率。

2）波束控制靈活。相控陣雷達導引頭的另一個突出特點是波束控制的靈活性，包括波束指向調轉的快速性、搜索方式靈活性和波束形狀靈活可控等。相控陣天線通過控制陣面相位分布實現(xiàn)波束指向的調轉。由于波束掃描通過電控實現(xiàn)，沒有機械掃描的慣性限制，它可以在微秒量級的時間內將波束指向調轉到其掃描空域的任意角度位置，可以實現(xiàn)超過100（°）/s 的角跟蹤速度，具有波束指向切換的快速性，可以在預裝空域搜索范圍采用行掃描、列掃描、圓掃描以及與目標空域分布相匹配的任意方式掃描等搜索方式，提高導引頭中末制導交班能力。

3）抗干擾能力強。相控陣雷達導引頭與陣列信號處理技術相結合，可基于回波信息自主地調整波束形狀，使波束形狀與戰(zhàn)場環(huán)境匹配，提高導引頭的抗雜波、干擾性能，這使相控陣導引頭在抗干擾方面具有獨特的優(yōu)勢。在多目標跟蹤方面，相控陣導引頭可以采用波束快速調轉實現(xiàn)分時多目標跟蹤；也可以采用數(shù)字多波束形成技術，同時產(chǎn)生多個接收波束分別跟蹤空間中的多個目標。多目標跟蹤能力為導引頭真假目標辨別、群目標中特種目標的識別奠定了基礎。

4）工程應用高可靠。相控陣雷達導引頭各分系統(tǒng)固連安裝，以“電掃”代替“機掃”，不需要萬向伺服機構，因而具有更強的抗震性能。此外，相控陣雷達導引頭特別是有源相控陣雷達導引頭采用多個T/R 組件構成發(fā)射系統(tǒng)，通過空間功率合成的方法實現(xiàn)大輻射功率，整個相控陣天線T/R 組件隨機損壞5%不影響相控陣導引頭的性能，隨機損壞10%不影響導引頭主要功能，具有很高的任務可靠性。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 相控陣導引頭產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 美國

20 世紀90 年代，美國依托“大氣層攔截彈”（LEAP）項目開展了相控陣導引頭前期技術探索，形成了Ka 和W 波段的相控陣導引頭技術方案；21 世紀初，通過“低成本巡航導彈防御”（LCCMD）項目完成了Ka 波段相控陣導引頭原理樣機（672 個單元），實現(xiàn)了有源相控陣導引頭的階段性突破，如圖2 所示；21 世紀初至今，美國通過聯(lián)合雙任務導彈（JDRADM）、下一代空空導彈（NGM）、三類目標終結者（T3）等開展了基于相控陣的多模導引頭研究，完成了樣機研制和演示驗證試驗，其中，T3 采用C+Ka 雙波段相控陣導引頭，據(jù)稱其C 波段導引頭對雷達散射截面（RCS）為0.1 m2空中目標的探測距離可達到40 km。

圖2 LCCMD 項目相控陣導引頭樣機Fig.2 Phased array radar seeker prototype for LCCMD project

目前美國現(xiàn)役導彈型號尚無真正裝備相控陣體制導引頭，但相關技術成熟度已達到型號應用要求。美國正在開展AIM-260 空空導彈用于替換現(xiàn)役AIM-120，有可能采用有源相控陣導引頭替換平板縫隙陣機掃雷達導引頭，提升反隱身探測能力。

2.1.2 俄羅斯

俄羅斯明確將相控陣主動導引頭列入國家武器發(fā)展計劃中的一項重要技術內容，以保證其今后10 年內的武器先進性。2013 年，俄羅斯在莫斯科航展展出了X 波段彈載有源相控陣天線，采用了砷化鎵器件，單通道輸出功率10～15 W，天線總輻射功率超過1 000 W，如圖3（a）所示。2015 年，俄羅斯披露了第五代戰(zhàn)機T50 配備的新型空空導彈K-77M，其導引頭在機掃天線驅動平臺基礎上，用64 個單元相控陣天線替代平板縫隙天線，可解決大角度掃描時相控陣增益損失的問題，如圖3（b）所示。

圖3 俄羅斯研制的相關相控陣導引頭Fig.3 Phased array radar seekers developed by Russia company

2.1.3 歐洲、日本

2003 年，英國奎耐特公司完成了X 波段有源相控陣導引頭原理樣機，在世界上首次完成了相控陣雷達導引頭天線的閉環(huán)試驗，后來還完成了Ka 波段彈體共形相控陣導引頭樣機研制和試驗。2005 年，歐洲航空防務及航天公司（EADS）研制了Ka 波段相控陣雷達導引頭，與紅外導引頭進行復合，用于提升導彈復雜戰(zhàn)場適應能力。

日本新一代空空導彈AAM-4B 采用了Ka 波段有源相控陣導引頭（如圖4 所示），2009 年完成設計定型，2012 年正式裝備部隊，是公開資料中第一個采用相控陣導引頭的導彈型號，相比AAM-4 機掃頭探測威力提升40%。另外，日本正在開發(fā)采用氮化鎵（GaN）T/R 組件的相控陣雷達導引頭，有望進一步增加發(fā)射功率。2014 年，英國與日本開展合作，計劃將AAM-4B 的相控陣雷達導引頭集成到“流星”超視距空空導彈中，該改進型號稱為聯(lián)合新型空空導彈（JNAAM），2016 年完成可行性論證，目前該項目已轉入研發(fā)階段。

圖4 日本AAM-4B 空空導彈Fig.4 AAM-4B air-to-air missile of Japan

從國外相關產(chǎn)品發(fā)展來看，美、俄、歐、日等國家均開展了相控陣導引頭技術布局，并計劃或者已經(jīng)應用到下一代空空/防空等導彈武器型號中，以應對低可觀測目標中遠距離探測和未來復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境需求。

我國在相控陣導引頭技術上雖然起步較晚，但充分利用了后發(fā)優(yōu)勢，技術發(fā)展勢頭強勁。在國家精確制導技術預研支持下，上海航天技術研究院在“十五”期間通過自主研發(fā)，突破了多項關鍵技術，應用于多個型號中，在大功率反隱身和多維度抗干擾技術方面處于國內領先、國際先進水平。同時，國內多個研究院所與高校也相繼開展了相控陣雷達導引頭技術，開展關鍵技術攻關，取得了一系列的研究成果，并且也在多個型號中得到應用。

2.2 相控陣T/R 組件技術的發(fā)展

T/R 組件作為有源相控陣雷達的核心組成部分，其發(fā)展受有源相控陣雷達需求牽引，技術突破又推動有源相控陣雷達持續(xù)進步。今年來T/R 組件朝著更大功率、更高頻段發(fā)展。

在大功率方面，T/R 組件材料從砷化鎵（GaAs）向氮化鎵（GaN）發(fā)展，隨著大功率GaN 芯片的成熟，推動相控陣雷達對低可觀測目標的遠距離探測能力提升。與GaAs芯片相比，基于GaN 芯片的T/R組件單通道輸出功率提升了5～10 倍。

在工作頻段上，美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“下一代氮化物電子技術”［6］項目致力于縮小器件尺寸，并將器件的工作頻率提升至太赫茲范圍，目前，工作頻率已可實現(xiàn)至W 波段（75～110 GHz）。

隨著半導體技術的發(fā)展，T/R 組件的實現(xiàn)已由微波分立器件、單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）、多芯片組件（Multi-Chip Module，MCM），發(fā)展到多功能芯片（System on Pakage，SOP）和單芯片（System on Chip，SOC），通過減少了芯片數(shù)量和尺寸，降低T/R組件體積和成本［7］。T/R 組件的小型化也使得結構形式由磚塊式向瓦片式發(fā)展（如圖5 所示），促進了共形有源相控陣技術的發(fā)展。

圖5 三維瓦片式T/R 組件Fig.5 3D tiled T/R modules

2.3 射頻前端高密度集成與散熱技術的發(fā)展

寬帶信號、多通道數(shù)字陣列、多功能一體化和智能處理等技術的應用，提升了相控陣雷達導引頭的作戰(zhàn)性能。但是系統(tǒng)復雜度的提升，給導引頭的集成化程度和散熱提出了更高的要求。

新型的硅基低剖面的三維異構集成技術可提高射頻前端的集成化程度（如圖6 所示），可在微小空間內將傳統(tǒng)T/R 組件、變頻通道、數(shù)模轉換包含的所有功能模塊集成于兩層硅基片式封裝內，中間配以散熱層承擔兩層硅基片的均溫與導熱。

圖6 硅基低剖面射頻前端Fig.6 Silicon-based low-profile RF front-end

隨著發(fā)射功率的提高，除了射頻前端以外，導引頭電源同樣面臨集成小型化和散熱問題?？刹捎闷矫娲偶杉夹g，利用多層印制板布線作為磁性器件的繞組，實現(xiàn)電源的扁平化。由于扁平的外形具有最大的表面積，使得電源的散熱條件也大大優(yōu)化。

2.4 陣列信號處理與智能算法的發(fā)展

隨著相控陣雷達導引頭向多通道陣列方向發(fā)展，彈載陣列信號處理的需求逐漸增強，針對彈載高速條件下，相控陣平臺抗干擾處理存在穩(wěn)健性及實時性問題。國內外學者提出了零陷展寬、對角加載等算法，提升陣列信號處理的穩(wěn)健性；通過降秩、并行處理技術，減少運算量，提高處理實時性；同時，在工程實現(xiàn)上采用高速串行互聯(lián)技術、多片多核DSP 并行信號處理架構，突破海量數(shù)據(jù)傳輸及大運算量快速實時處理技術。

隨著深度學習的發(fā)展，國內已經(jīng)開展目標檢測概率與波位、搜索時間的解析關系研究，在獎勵機制基礎上，提出了一些基于強化學習的最優(yōu)波位搜索策略。在穩(wěn)定檢測的基礎上，開展面向目標特征重構的高機動跟蹤技術研究，比如通過構造“距離-速度-方位角-俯仰角-散射特性”多維行為特征向量，結合循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)目標行為高精度預測等，針對陣列信號的智能算法的應用，將大大提高相控陣導引頭在探測、跟蹤領域的智能化水平。

3 發(fā)展趨勢

3.1 多頻段/寬帶

為提升相控陣導引頭抗時頻域干擾能力，如窄帶瞄準、密集假目標、密集拖引等干擾類型，采用多頻段/寬帶相控陣雷達導引頭，可實現(xiàn)雙波段信息融合、寬帶頻率捷變、自適應變頻等靈活的時頻域信號處理［8］。寬帶相控陣雷達導引頭存在孔徑渡越，會產(chǎn)生大的波束傾斜，波瓣形狀變得不對稱，副瓣電平也會增加，從而嚴重影響導彈制導精度。隨著集成光電子技術的發(fā)展，光學真延時部件已經(jīng)集成在像砷化鎵、氮化硅這類半導體材料上構成光子集成延時芯片。集成光波導芯片延時步進、延時精度可以達到0.1 ps 量級，具有體積小、重量輕、集成度高、精度高等微波延遲線不可比擬的優(yōu)勢。當前，光控延時網(wǎng)絡已經(jīng)具備了用于彈載相控陣雷達導引頭上的工程條件。

需要突破雙頻段共口徑緊湊布陣設計、彈載條件下高集成度的光控相控陣、寬帶波形產(chǎn)生與寬帶捷變相參信號處理問題。

3.2 共形陣列

傳統(tǒng)平面相控陣天線掃描范圍僅能覆蓋頭部±60°范圍，且在掃描角度超過±45°時性能急劇惡化。共形相控陣天線因與彈體共形，可實現(xiàn)彈周向360°大范圍角度覆蓋，同時，在大范圍掃描過程中保持較好的方向圖性能，極大提高導引頭對目標的探測、跟蹤范圍，支持導彈實現(xiàn)大離軸角發(fā)射攻擊目標，有利于實現(xiàn)雷達/光學等多模復合［9］。

需突破超薄瓦片式T/R 組件技術、天線陣列位于系統(tǒng)主板（Antenna on Board，AOB）架構天線垂直互聯(lián)技術［10］，以及異形共形天線方向圖精確控制、高速飛行氣動熱隔離及控制等關鍵技術。

3.3 多通道陣列

為適應日益復雜的電磁環(huán)境，提升導彈抗干擾能力，采用多通道陣列雷達導引頭技術，通過多通道陣列、多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、數(shù)字陣列、頻控陣等高新技術的應用，實現(xiàn)了自適應數(shù)字波束形成、空時自適應處理、角度高分辨技術等陣列信號處理。同時，綜合利用陣列靈活、波形復雜、信息維度多等優(yōu)勢，實現(xiàn)對拖曳式、交叉眼等新型主瓣干擾、大功率旁瓣干擾及復雜組合干擾、超低空強雜波干擾的有效對抗。

需突破穩(wěn)健多通道陣列信號處理技術，利用對角加載、自適應鑒角曲線修正等方法，解決高速彈載平臺下小快拍數(shù)、幅相誤差等帶來的干擾抑制性能下降及目標測角精度差等問題；突破多通道陣列信號快速實時處理技術，通過降秩、并行處理及多片多核DSP 并行信號處理等方法，解決多通道海量數(shù)據(jù)傳輸和大運算量問題。

3.4 多功能一體化

傳統(tǒng)導彈的制導系統(tǒng)、引信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)，都是獨立工作的，相控陣雷達技術為彈上多功能一體化集成提供了可能，結合寬帶相控陣、多通道相控陣、可重構天線和多功能射頻前端等技術，在不額外增加質量和占用空間的情況下，為導彈增加雷達告警、電子偵察、電子干擾等電子戰(zhàn)能力。

需要突破導引頭、引信、數(shù)據(jù)鏈和電子戰(zhàn)的兼容設計，多功能動態(tài)重構，雷達通信干擾一體化波形設計，資源管理與調度和多源信息融合等關鍵技術。

3.5 智能化

為提升高空高機動、低空慢速、極低隱身、編隊目標等目標探測識別能力，及復雜電磁環(huán)境強干擾對抗能力，基于多頻段/寬帶、共形陣列、多通道陣列和多功能一體化等技術基礎，充分利用系統(tǒng)資源多、信息維度廣等優(yōu)勢，將以機器學習為代表的智能算法與相控陣導引頭技術結合，形成智能相控陣雷達導引頭技術［11］，通過感知獲取多域多維信息，進行比較分析、推理決策［12］，以快速適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境，實現(xiàn)智能作戰(zhàn)［13］。

需要突破基于高分辨一維距離向［14］和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（Convolutional Neural Networks，CNN）的目標檢測技術［15］、基于目標時頻序列和區(qū)域建議網(wǎng)絡（Region Proposal Network，RPN）［16］的弱暗目標檢測技術，解決“弱暗”及“高機動”目標的精準定位問題；突破基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡［17］（Recurrent Neural Network，RNN）與CNN 算法的干擾識別技術［18］，解決有源復合干擾高精度識別問題；突破基于強化學習的智能決策技術［19］，對復雜態(tài)勢信息判讀、理解、分析、預測及推理，解決自主對抗作戰(zhàn)方案問題。

4 結束語

相控陣雷達導引頭具有探測距離遠、波束控制靈活等優(yōu)點，是近年來精確制導領域研究的重點和熱點。本文分析了相控陣T/R 組件技術發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了美國、俄羅斯、歐洲等國家的典型相控陣雷達導引頭產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，表明各國已經(jīng)實現(xiàn)了相控陣雷達導引頭工程化應用。為進一步發(fā)揮相控陣雷達導引頭的技術優(yōu)勢，圍繞相控陣導引頭反隱身、抗干擾等作戰(zhàn)需求，需要加強相控陣雷達導引頭在多頻段/寬帶、共形陣列、多通道陣列、多功能一體化、智能化等方向的研究，加強和鞏固相控陣雷達導引頭的技術優(yōu)勢，推動精確制導武器性能的持續(xù)提升。