徐艷國(guó)

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210013)

機(jī)載火控雷達(dá)技術(shù)發(fā)展及對(duì)導(dǎo)引頭的啟示

徐艷國(guó)

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210013)

機(jī)載火控雷達(dá)和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭具有相似的功能定位，均面臨著來(lái)自于隱身目標(biāo)、高機(jī)動(dòng)目標(biāo)、慢速目標(biāo)、復(fù)雜電磁環(huán)境和地理環(huán)境的挑戰(zhàn)。兩者基于相似的技術(shù)途徑應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，主要包括相控陣、載荷與平臺(tái)一體、智能化架構(gòu)、體系化作戰(zhàn)等。但與機(jī)載火控雷達(dá)相比，考慮到導(dǎo)引頭的獨(dú)特之處，在低成本相控陣天線、高精度波束指向、高效散熱、高效算法等方面提出了更高需求。

機(jī)載火控雷達(dá)； 導(dǎo)引頭； 相控陣； 低成本相控陣天線

0 引 言

機(jī)載火控雷達(dá)主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)空、地/海目標(biāo)探測(cè)及跟蹤，配合武器系統(tǒng)實(shí)施攔截與打擊。導(dǎo)引頭用于快速探測(cè)和截獲目標(biāo)，穩(wěn)定精確跟蹤，引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)?？傮w而言，兩者具有相似的功能定位。此外，在作戰(zhàn)應(yīng)用中，機(jī)載火控雷達(dá)與導(dǎo)引頭均面臨著隱身目標(biāo)、高速高機(jī)動(dòng)目標(biāo)、復(fù)雜電磁環(huán)境和雜波環(huán)境的挑戰(zhàn)。

相似的功能定位及挑戰(zhàn)，意味著機(jī)載火控雷達(dá)和導(dǎo)引頭在體制和硬件實(shí)現(xiàn)上并無(wú)不可逾越的鴻溝。導(dǎo)引頭可視為一部功能精簡(jiǎn)、硬件濃縮的小型火控雷達(dá)。因而，將在機(jī)載火控雷達(dá)中已經(jīng)逐漸開(kāi)始應(yīng)用的相關(guān)理念和技術(shù)移植到導(dǎo)引頭上，是一個(gè)可行的做法。

但在具體實(shí)現(xiàn)上，機(jī)載火控雷達(dá)的重量、供電和環(huán)控條件與導(dǎo)引頭相比更為理想，火控雷達(dá)在技術(shù)體制的應(yīng)用上比導(dǎo)引頭更為冒進(jìn)一些。目前，機(jī)載火控雷達(dá)正處于從機(jī)械掃描體制轉(zhuǎn)換為全面有源相控陣的階段，導(dǎo)引頭則依然以機(jī)械掃描體制為主。

未來(lái)，兩者在技術(shù)途徑選擇上必然殊途同歸，主要采用有源相控陣、一體化設(shè)計(jì)、智能化架構(gòu)、體系化應(yīng)用等技術(shù)。然而，具體到細(xì)節(jié)之處，相控陣導(dǎo)引頭有其需要重點(diǎn)研究的獨(dú)特之處，主要包括更低的天線成本約束、更高的波束指向精度要求、更高效散熱設(shè)計(jì)、更智能算法選擇。

1 面臨的主要挑戰(zhàn)

1.1 愈發(fā)難以應(yīng)對(duì)的目標(biāo)

與常規(guī)目標(biāo)相比，隱身目標(biāo)的微波波段RCS值降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，從5～10 m2降低到不足0.1m2量級(jí)。對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)樣式構(gòu)成巨大沖擊[1]。

(1) 壓縮防御方的探測(cè)距離，提高突防效率?，F(xiàn)役預(yù)警機(jī)主要是針對(duì)常規(guī)非隱身空中目標(biāo)，探測(cè)隱身目標(biāo)時(shí)性能下降嚴(yán)重。地基情報(bào)雷達(dá)面臨的情況與預(yù)警機(jī)類(lèi)似。隱身飛機(jī)的出現(xiàn)使得雷達(dá)威力大幅下降，因而覆蓋網(wǎng)出現(xiàn)了很多“漏洞”。傳統(tǒng)飛行器突破對(duì)方嚴(yán)密的防御系統(tǒng)需要冒著槍林彈雨，風(fēng)險(xiǎn)極大。隱身飛行器則可以尋找預(yù)警探測(cè)網(wǎng)的“漏洞”，沿著這些安全通道突防，如圖1所示。

圖1 常規(guī)飛行器和隱身飛行器突防效能對(duì)比

(2) 增強(qiáng)空戰(zhàn)中的對(duì)抗優(yōu)勢(shì)。對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)而言，隱身意味著被對(duì)方探測(cè)的距離大幅縮減，進(jìn)而提升在空戰(zhàn)中的優(yōu)勢(shì)，確保本方“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊”的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于導(dǎo)引頭而言，由于對(duì)隱身飛機(jī)的截獲距離大幅下降，同樣導(dǎo)致導(dǎo)彈的攻擊效能下降。

除增強(qiáng)隱身能力外，目標(biāo)的機(jī)動(dòng)性能進(jìn)一步提升，飛行包線逐漸向兩個(gè)極端拓展。一方面，美、俄等國(guó)都在加緊研制飛行馬赫速度可達(dá)5以上的高超音速飛行器，以提高對(duì)目標(biāo)的打擊效率，典型項(xiàng)目包括美HTV-2，X-51、俄羅斯Yu-74等。另一方面，全球范圍內(nèi)，各種“低小慢”目標(biāo)的應(yīng)用越發(fā)普遍，主要包括大量應(yīng)用的低空慢速無(wú)人機(jī)，這類(lèi)無(wú)人機(jī)可單獨(dú)作戰(zhàn)，也可蜂群協(xié)同作戰(zhàn)。無(wú)論是高超音速目標(biāo)還是“低小慢”目標(biāo)，均對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)或?qū)б^構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。目標(biāo)太快，容易出現(xiàn)跨波束、跨距離單元、跨多普勒單元的“三跨”現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法有效積累； 目標(biāo)太慢，則從多普勒域上和雜波難以分離。

1.2 愈發(fā)紛繁復(fù)雜的環(huán)境

電子對(duì)抗能力直接決定戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)，受到軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視。僅美軍就生產(chǎn)和裝備有600多種電子戰(zhàn)設(shè)備或系統(tǒng)，擁有上千架專(zhuān)用電子戰(zhàn)飛機(jī)?？扑魑謶?zhàn)爭(zhēng)中, 從飛機(jī)出動(dòng)的架次看, 基本上約1/3用于轟炸, 1/3用于電子戰(zhàn), 1/3用于支援保障。由此可見(jiàn), 電磁干擾已成為空襲和防空作戰(zhàn)的重要手段?，F(xiàn)代電磁干擾呈現(xiàn)四大特點(diǎn)：密度越來(lái)越高，來(lái)自立體空間、多個(gè)平臺(tái)； 功率越來(lái)越大，ERP最大可到兆瓦量級(jí)； 反應(yīng)越來(lái)越快，采用信道化偵收和數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)，速度可達(dá)微秒量級(jí)； 樣式越來(lái)越多，壓制干擾、密集脈沖干擾、欺騙干擾、靈巧干擾等。

與機(jī)載火控雷達(dá)相比，導(dǎo)引頭還面臨著拖曳式干擾的巨大挑戰(zhàn)。特別是拖曳式干擾機(jī)與靈巧干擾技術(shù)的組合，要求導(dǎo)引頭能夠辨識(shí)干擾，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)跟蹤，這對(duì)當(dāng)前的機(jī)械掃描體制導(dǎo)引頭而言幾乎難以實(shí)現(xiàn)。

除電子干擾外，非均勻地形地貌(如山區(qū)、陸海交界等)、高海情海雜波、地海多徑干擾、大型人造建筑物等復(fù)雜地理環(huán)境的影響也非常明顯。復(fù)雜地理環(huán)境對(duì)機(jī)載雷達(dá)和導(dǎo)引頭探測(cè)的影響包括：雜波回波增強(qiáng)導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)能力下降、雜波邊界區(qū)域虛警率增加、非均勻回波導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)統(tǒng)計(jì)樣本減少、多徑干擾導(dǎo)致檢測(cè)不穩(wěn)定等。

2 依托的主要途徑

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的目標(biāo)及干擾環(huán)境，需要從單平臺(tái)和多平臺(tái)兩個(gè)層面推進(jìn)。單平臺(tái)層面可行的技術(shù)途徑包括：掃描體制從機(jī)械掃描到相控陣、物理形態(tài)從雷達(dá)與平臺(tái)分離到雷達(dá)與平臺(tái)一體化、系統(tǒng)架構(gòu)從常規(guī)架構(gòu)到智能化。多平臺(tái)層面通過(guò)多平臺(tái)協(xié)同提升探測(cè)能力。

2.1 采用相控陣，應(yīng)對(duì)高機(jī)動(dòng)隱身目標(biāo)

機(jī)械掃描雷達(dá)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)波束掃描，相控陣?yán)走_(dá)則通過(guò)調(diào)整每個(gè)陣元相位實(shí)現(xiàn)波束掃描。通過(guò)采用相控陣技術(shù)，機(jī)載火控雷達(dá)獲得了性能上的巨大飛躍。

(1) 波束快速掃描+波束捷變，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)自身性能的變革。具體體現(xiàn)為：具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更遠(yuǎn)的探測(cè)威力、可實(shí)現(xiàn)空空/空面綜合優(yōu)化、可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)/多任務(wù)資源綜合調(diào)度。

(2) 利于載機(jī)隱身設(shè)計(jì)，便于載荷平臺(tái)一體化。新一代戰(zhàn)斗機(jī)普遍采用隱身設(shè)計(jì)，雷達(dá)天線對(duì)于平臺(tái)RCS的貢獻(xiàn)不可忽略。相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)陣面偏置、負(fù)載匹配等措施，RCS比機(jī)械掃描天線降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

(3) 利于高增益無(wú)源偵收(HGESM)、高功率電子干擾(HPECM)等功能實(shí)現(xiàn)，便于射頻多功能一體化。相控陣天線具有大帶寬、大增益、大功率特性，與ESM和ECM設(shè)備共享，可實(shí)現(xiàn)HGESM和兆瓦級(jí)HPECM； 與通信設(shè)備共享，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距高速數(shù)據(jù)傳輸。

正是由于相控陣的巨大優(yōu)勢(shì)，有源相控陣?yán)走_(dá)已成為新研機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)配置，而在現(xiàn)有機(jī)型升級(jí)中，換裝有源相控陣?yán)走_(dá)幾乎是必然選項(xiàng)。國(guó)外典型機(jī)載相控陣火控雷達(dá)現(xiàn)狀如表1所示。

表1 國(guó)外典型機(jī)載相控陣火控雷達(dá)現(xiàn)狀

在相控陣導(dǎo)引頭方面，國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始探索相控陣在導(dǎo)引頭領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。近年來(lái)，開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際裝備，如日本AAM-4B導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、俄羅斯伊斯托克的X波段導(dǎo)引頭、美國(guó)“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈導(dǎo)引頭改進(jìn)型等。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，相控陣在導(dǎo)引頭領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)愈發(fā)普遍。

2.2 推進(jìn)一體化，增大天線孔徑，提高平臺(tái)適裝性

有源相控陣體制的應(yīng)用大大提高了發(fā)射功率和陣面效率，然而發(fā)射功率的提高受到平臺(tái)供電資源的諸多限制，為進(jìn)一步提高功率孔徑積，通過(guò)與平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)拓展天線孔徑是較理想的技術(shù)途徑。

在雷達(dá)領(lǐng)域，一體化設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)歷時(shí)30多年。20世紀(jì)80～90年代，美國(guó)就啟動(dòng)“鉆石眼”共形陣預(yù)警機(jī)研究如圖2所示，采用“聯(lián)合翼”機(jī)翼共形有源相控陣?yán)走_(dá)，天線孔徑達(dá)到約600平方英尺。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)“傳感器飛機(jī)”預(yù)先研究工作，最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種高空巡航、長(zhǎng)航時(shí)、裝備大功率孔徑積的飛行器，一種更為形象的說(shuō)法是“飛行的雷達(dá)天線”[2]。

圖2 雷達(dá)與平臺(tái)一體化

與預(yù)警雷達(dá)相比，機(jī)載火控雷達(dá)體積和重量較小，因而與平臺(tái)一體化的研究迫切性相對(duì)低一些。然而，隨著新一代作戰(zhàn)平臺(tái)采用扁平化外形以及對(duì)全空域探測(cè)的高需求，一體化設(shè)計(jì)必然會(huì)提上日程。為推動(dòng)高頻段火控雷達(dá)與平臺(tái)的一體化技術(shù)進(jìn)步，美國(guó)波音公司與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)從2003年開(kāi)始至2007年聯(lián)合開(kāi)展了“結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列”(SIXA) 項(xiàng)目，如圖3所示。該項(xiàng)目在2006年進(jìn)行的部件測(cè)試中，子陣被集成到一個(gè)0.75 m×3 m盒狀蒙皮中。與常規(guī)的可承載天線不同，SIXA的輻射單元指向不是平行于飛機(jī)表皮，而是垂直于飛機(jī)表皮放置，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，如傳統(tǒng)的葉形偶極子天線。據(jù)稱(chēng)，天線厚度不超過(guò)1英尺，重量密度達(dá)到每平方英尺8磅。

圖3 結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列

與雷達(dá)相似，相控陣導(dǎo)引頭意味著天線的外形設(shè)計(jì)及安裝集成更為靈活，必要時(shí)甚至可與彈體表面共形集成，實(shí)現(xiàn)“彈體即天線”。通過(guò)采用共形相控陣技術(shù)，還可拓展波束掃描空域范圍，進(jìn)一步提升導(dǎo)彈應(yīng)用效能。國(guó)外在這個(gè)領(lǐng)域也開(kāi)展了先期研究工作，并提出了幾種可能的共形形態(tài)，如圖4所示。

圖4 四種可能的共形導(dǎo)引頭形態(tài)

2.3 深化智能化，提高復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

傳統(tǒng)雷達(dá)體制下，無(wú)論采用PD常規(guī)處理還是自適應(yīng)處理，其發(fā)射波形、處理參數(shù)、處理方法通常是固定不變的，缺乏對(duì)外界環(huán)境的感知能力，無(wú)法有效利用電磁環(huán)境和地理環(huán)境信息，而雷達(dá)實(shí)際的工作環(huán)境則是多變的、非平穩(wěn)、非均勻的，導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下很難獲得理想的探測(cè)性能。采用基于電磁環(huán)境感知的智能發(fā)射技術(shù)與智能信號(hào)處理技術(shù)是新一代機(jī)載雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

通過(guò)智能化體系架構(gòu)對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知和分析、提高自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)能力，可使雷達(dá)更好地適應(yīng)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)智能決策和知識(shí)輔助處理，改進(jìn)信號(hào)處理算法，智能調(diào)整雷達(dá)視場(chǎng)、發(fā)射波形、發(fā)射能量和處理方法，可提高雷達(dá)在復(fù)雜電磁和雜波環(huán)境中對(duì)各類(lèi)目標(biāo)的探測(cè)能力，有效應(yīng)對(duì)隱身目標(biāo)、超高速目標(biāo)和“低小慢”目標(biāo)的威脅。

國(guó)外對(duì)知識(shí)輔助空時(shí)自適應(yīng)處理(KA-STAP)、認(rèn)知雷達(dá)[3-5]等智能化處理技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了近20年的研究。STAP原理示意圖如圖5所示。Simon Haykin在2006年歸納出認(rèn)知雷達(dá)的三個(gè)特征：(1) 雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的連續(xù)感知； (2) 根據(jù)目標(biāo)情況實(shí)時(shí)智能化調(diào)節(jié)發(fā)射波形； (3) 整個(gè)雷達(dá)在發(fā)射、環(huán)境和接收之間形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。Michael Wicks在2009年的一篇文章中提出：認(rèn)知的主要特點(diǎn)是感知、記憶和推理，其范疇比自適應(yīng)和智能化更高一個(gè)層面，自適應(yīng)和智能化主要針對(duì)于雷達(dá)中的具體環(huán)節(jié)，而認(rèn)知處理則通過(guò)對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行交互串成一個(gè)有機(jī)的整體。Guerci在2011年中提出：認(rèn)知雷達(dá)具有無(wú)與倫比的收發(fā)自適應(yīng)性和多樣性，以及高度“智能化”的高性能嵌入式計(jì)算，可以基于知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境的“智能化”自適應(yīng)。在2014和2015年的IEEE雷達(dá)年會(huì)上，認(rèn)知雷達(dá)仍是一種重要的關(guān)注熱點(diǎn)[6-7]。

圖5 STAP原理示意圖

在學(xué)術(shù)界開(kāi)展深化研究的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證工作也同步開(kāi)展。2002年，美國(guó)“國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局”(DARPA)支持林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了“知識(shí)輔助傳感器信號(hào)處理及專(zhuān)家推理”(KASSPER)[8]項(xiàng)目研究工作。目的是檢驗(yàn)知識(shí)輔助型數(shù)據(jù)庫(kù)及專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)STAP處理性能的改善，采用數(shù)字地形高度數(shù)據(jù)、地面雜波信息、合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)、多層譜圖像數(shù)據(jù)等信息，以減少非均勻雜波的影響。

為實(shí)現(xiàn)智能化處理，需要雷達(dá)采用閉環(huán)架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)感知，采用同時(shí)多通道處理實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波和干擾的自適應(yīng)抑制。而目前的導(dǎo)引頭受限于體積和技術(shù)水平的約束，主要還是采用和差的通道設(shè)置。隨著天線集成度的提高及相控陣天線成本的下降，未來(lái)的導(dǎo)引頭采用數(shù)字陣列技術(shù)是大勢(shì)所趨。仿真分析表明，若采用12個(gè)子陣，對(duì)于同時(shí)存在一個(gè)近主瓣和兩個(gè)副瓣干擾的情況，可達(dá)到45～60 dB的抑制。強(qiáng)近主瓣干擾抑制效能為導(dǎo)引頭抗拖曳式干擾提供了一種比較好的選擇如表2所示。

2.4 融入大體系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)能力

從雷達(dá)角度，通過(guò)雙/多基地、多站協(xié)同等措施，可提高雷達(dá)隱身目標(biāo)探測(cè)能力、探測(cè)精度、抗干擾能力。受硬件條件的限制，早期的研究主要針對(duì)地基或?；走_(dá)系統(tǒng)，典型代表如美國(guó)海軍的“協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)”(CRN)、“協(xié)同交戰(zhàn)能力”(CEC)計(jì)劃等，如圖6所示。

表2 對(duì)不同位置處干擾的抑制效果

圖6 CEC典型應(yīng)用模式

隨著網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)概念的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)鏈的廣泛應(yīng)用，戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)逐漸成為一種新的作戰(zhàn)模式。編隊(duì)內(nèi)各單元的協(xié)同探測(cè)和信息共享，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，分工協(xié)作，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的協(xié)同感知。同時(shí)，各平臺(tái)之間彼此分散獨(dú)立，即使單平臺(tái)損毀，對(duì)整個(gè)“系統(tǒng)之系統(tǒng)”的作戰(zhàn)性能的影響較小。

美空軍提出“作戰(zhàn)云”(Combat Cloud)概念如圖7所示，強(qiáng)調(diào)海、空、天、網(wǎng)絡(luò)層的跨域協(xié)同，海上、空中、太空各平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和跨域協(xié)同，每個(gè)平臺(tái)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可向云端提供信息或從云端下載所需信息。各平臺(tái)自組織入“云”出“云”，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀交互。

圖7 “作戰(zhàn)云”概念

協(xié)同探測(cè)需要解決空時(shí)頻三同步技術(shù)、編隊(duì)布站優(yōu)化技術(shù)、多源信息融合技術(shù)等，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)目前已經(jīng)逐漸取得突破。

由于導(dǎo)彈目前同樣面臨隱身目標(biāo)、主瓣干擾等挑戰(zhàn)，采用多彈協(xié)同模式攻擊目標(biāo)是一種可考慮的選擇。一方面，通過(guò)一發(fā)一收或一發(fā)多收的雙/多基地探測(cè)，可增大隱身目標(biāo)RCS值； 另一方面，通過(guò)不同視角探測(cè)，可更有效剔除來(lái)自主瓣的干擾，是一種潛在的應(yīng)對(duì)拖曳式干擾的手段。

3 關(guān)注的主要問(wèn)題

雖然導(dǎo)引頭可與機(jī)載火控雷達(dá)采用相似的技術(shù)途徑，然而具體到細(xì)節(jié)，兩者之間的差異也不可忽視，包括波束指向精度、天線成本、散熱設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等。

3.1 更高天線指向精度，滿(mǎn)足捷聯(lián)去耦的需要

機(jī)載火控雷達(dá)與平臺(tái)之間是一種開(kāi)環(huán)關(guān)系，雷達(dá)接收平臺(tái)提供的慣導(dǎo)信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效探測(cè)及對(duì)機(jī)載武器系統(tǒng)的引導(dǎo)。機(jī)載雷達(dá)與飛行控制系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即機(jī)載雷達(dá)與飛行控制系統(tǒng)之間是隔離的，機(jī)載雷達(dá)只需閉合自身的角跟蹤回路和隔離機(jī)體姿態(tài)擾動(dòng)即可，但雷達(dá)并不直接參與飛機(jī)的飛行控制，不存在影響飛機(jī)飛行品質(zhì)的寄生回路振蕩問(wèn)題，因而不會(huì)危及飛行安全。

相比之下，導(dǎo)引頭屬于制導(dǎo)控制回路的一部分如圖8所示，導(dǎo)引頭的測(cè)量精度或參數(shù)精度直接影響飛行控制性能，導(dǎo)引頭與平臺(tái)屬于緊耦合關(guān)系。

圖8 典型相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)回路原理框圖

近年來(lái)，業(yè)界通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試對(duì)捷聯(lián)去耦技術(shù)開(kāi)展了深入研究?；窘Y(jié)論是，在波束指向角精度和數(shù)據(jù)率足夠高的情況下，相控陣導(dǎo)引頭去耦系數(shù)是滿(mǎn)足要求的，特別是在高頻端甚至要優(yōu)于機(jī)械掃描導(dǎo)引頭[9]。然而，為了滿(mǎn)足更高波束指向精度的要求，對(duì)相控陣天線的誤差控制、標(biāo)校、長(zhǎng)期存放后的性能變化等提出了新的課題。

3.2 更低天線成本，滿(mǎn)足一次性使用的需要

機(jī)載火控雷達(dá)是長(zhǎng)期使用的裝備，壽命可達(dá)20年以上。相控陣?yán)走_(dá)雖然比機(jī)械掃描雷達(dá)成本高，但由于可靠性高，因而全壽命周期成本有可能反而更低。相比之下，導(dǎo)彈是一次性使用的設(shè)備，對(duì)于導(dǎo)引頭的采購(gòu)成本要求必然更為嚴(yán)苛。如何降低相控陣導(dǎo)引頭的采購(gòu)成本成為一個(gè)需要認(rèn)真研究的課題。

具體的思路包括兩個(gè)層面：

(1) 從總體架構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)。以美國(guó)1999年啟動(dòng)的Ka波段“低成本巡航導(dǎo)彈防御”(LCCMD)[10-11]研究計(jì)劃為例，如圖9所示。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了一個(gè)T/R組件拖多個(gè)低成本MEMS移相器的方案。由于MEMS移相器不成熟，后采用基于單片T/R組件的方案，雖然單個(gè)組件的功率相對(duì)較低(40 mW)，但仍然確保了整部導(dǎo)引頭天線成本得到有效控制。

圖9 LCCMD相控陣天線

(2) 需要進(jìn)一步研究封裝工藝。結(jié)合機(jī)載火控雷達(dá)和導(dǎo)引頭對(duì)可靠性的不同要求，從工藝材料選取和工藝優(yōu)化方面，進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)。

3.3 更高效散熱能力，滿(mǎn)足嚴(yán)苛的裝彈條件

無(wú)論對(duì)于雷達(dá)還是導(dǎo)引頭，推遠(yuǎn)威力的根本還是功率孔徑積。采用相控陣天線實(shí)現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)距探測(cè)，主要是依靠相控陣天線分布式發(fā)射可實(shí)現(xiàn)更大的總輻射功率。然而，大輻射功率的代價(jià)是在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大的熱量。

以一個(gè)具有200個(gè)通道的有源相控陣導(dǎo)引頭為例，假定每個(gè)組件產(chǎn)生的脈沖功率為10 W，工作比為30%，平均功率為3 W，組件效率為25%，則有9 W的功率要變?yōu)闊崃?。整部天線有1 800 W 的功率變?yōu)闊崃俊Ｒ谔炀€陣面有限的空間內(nèi)散發(fā)如此大的熱量，熱流密度非常大。

機(jī)載火控雷達(dá)可采用液冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)高效散熱，然而導(dǎo)引頭并不具備這樣的條件。當(dāng)然導(dǎo)引頭也有相對(duì)于雷達(dá)的有利條件，即工作時(shí)間只有幾十秒。目前主要研究方向包括采用高熱容材料、相變材料、微細(xì)液體管路循環(huán)加冷板技術(shù)。然而，不可能有一種技術(shù)能夠針對(duì)所有導(dǎo)彈、解決所有問(wèn)題，必須針對(duì)具體裝彈條件開(kāi)展方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 更高效算法設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足高機(jī)動(dòng)條件下目標(biāo)的探測(cè)需求

與機(jī)載火控雷達(dá)一樣，反隱身、反干擾、反雜波是導(dǎo)引頭永恒的追求。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)，除在硬件平臺(tái)上提高功率孔徑積外，長(zhǎng)時(shí)間積累也是可行的技術(shù)途徑。從某種意義上，導(dǎo)引頭比機(jī)載火控雷達(dá)更適合采用該技術(shù)，因?yàn)閷?dǎo)引頭開(kāi)機(jī)前通常有雷達(dá)提供的先驗(yàn)信息，而且導(dǎo)引頭通常僅需要應(yīng)對(duì)單個(gè)目標(biāo)，可以將資源集中。但從另外一個(gè)角度，導(dǎo)引頭面臨的均為高機(jī)動(dòng)目標(biāo)，長(zhǎng)時(shí)間積累對(duì)此類(lèi)目標(biāo)的效能下降明顯，而且長(zhǎng)時(shí)間積累如何確保去耦所需的高數(shù)據(jù)率，都是需要深化研究的課題。

為提高反雜波和反干擾能力，除采用低副瓣、干擾辨識(shí)等常規(guī)技術(shù)外，采用STAP處理也是一個(gè)非常有效的手段。然而，該技術(shù)在導(dǎo)引頭上的應(yīng)用效能不如機(jī)載火控雷達(dá)，主要原因有：(1)導(dǎo)彈和目標(biāo)均處于高速高機(jī)動(dòng)狀態(tài)，雜波和干擾的抑制凹口深度會(huì)比靜態(tài)條件下明顯惡化。(2)導(dǎo)彈飛行速度快，導(dǎo)引頭需選擇較高的重頻，距離維折疊次數(shù)多，STAP參考單元數(shù)少，這些都意味著在機(jī)載火控和預(yù)警雷達(dá)上的STAP處理算法無(wú)法在導(dǎo)引頭上直接借用。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

隨著隱身飛機(jī)、高超音速飛機(jī)、智能化干擾的威脅愈發(fā)嚴(yán)重，無(wú)論是機(jī)載火控雷達(dá)還是導(dǎo)引頭都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文從火控雷達(dá)和導(dǎo)引頭的相似性入手，提煉出了未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向。與此同時(shí)，針對(duì)導(dǎo)引頭在平臺(tái)約束、使用環(huán)境等方面的特殊性，梳理出需重點(diǎn)深化研究的四大問(wèn)題。

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·簡(jiǎn)訊·

雷神公司的相控陣技術(shù)——波束合成和信號(hào)/數(shù)據(jù)處理

早期AESA的波束形成是在較低的頻率(例如UHF)，最初使用同軸電纜和商用現(xiàn)成的連接器組合。在更高的頻段，一般采用波導(dǎo)管、印刷電路或微帶合成器，主要是考慮到模擬波束形成的成本、重量和尺寸等方面的優(yōu)勢(shì)。

如今，仍使用上述核心科技的變種，但制造能力和材料的選擇更加多樣化。未來(lái)無(wú)源模擬RF波束合成器件會(huì)持續(xù)利用新材料，在它們變得可用的時(shí)候，進(jìn)一步改進(jìn)封裝、互聯(lián)和減少成本。

數(shù)字波束合成和信號(hào)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代早期，當(dāng)時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)技術(shù)開(kāi)始在無(wú)線RF領(lǐng)域商用。主要的改進(jìn)是更低的抖動(dòng)和功耗開(kāi)啟了新的應(yīng)用。很多軍用AESA雷達(dá)系統(tǒng)也從這項(xiàng)改進(jìn)中受益。多數(shù)商用行業(yè)研究聚焦于Si，然而更高端的軍事系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)向關(guān)注InP電子技術(shù)，以追求更高的采樣率和動(dòng)態(tài)范圍。

今天大多數(shù)AESA雷達(dá)系統(tǒng)只含有少量的數(shù)字接收通道，因此總的動(dòng)態(tài)范圍分配在1個(gè)或極少數(shù)轉(zhuǎn)換器上。下一代AESA系統(tǒng)將擁有子陣級(jí)上的數(shù)字化，并且有的將擴(kuò)展到元器件級(jí)。因此，可以在先進(jìn)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理中使用成百上千的數(shù)字化通道和自由度。這將為雷達(dá)、通信和EW任務(wù)提供前所未有的性能和功能，包括創(chuàng)建和處理多個(gè)瞬時(shí)波束、增加極化多樣性和改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍。器件級(jí)別的AESA數(shù)字化同時(shí)還簡(jiǎn)化發(fā)射/接收模塊(TRM)功能，因?yàn)椴辉傩枰狹MIC來(lái)進(jìn)行幅度和相位控制。

AESA的數(shù)字化不僅限于改進(jìn)ADC技術(shù)，數(shù)字域的移動(dòng)和處理所接收數(shù)據(jù)的能力也持續(xù)快速得到改進(jìn)。信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器受益于摩爾定律，變得更大處理容量、更低功率/體積、經(jīng)濟(jì)上更可承受，使得接收數(shù)據(jù)的更新和更復(fù)雜的處理得以實(shí)現(xiàn)。

(趙毅寰 天 光)

Development of Airborne Fire Control Radar Technology and Its Inspiration to Seeker

Xu Yanguo

(Nanjing Research Institute of Electronic Technology，Nanjing 210013, China)

Because of similar function orientation, airborne fire control radar and missile seeker both need to face the challenges from stealthy target, high maneuverable target, slow moving target, complex electromagnetic and geographical environment. Airborne fire control radar and missile seeker have to depend on several methods, such as phased array, integration of payload and platform, intelligence system architecture, system combat to deal with the challenges. Take consideration of the peculiarities, compared to airborne fire control radar, seeker needs to adopt cheaper phased array antenna, higher accuracy beam pointing capability, higher efficiency heat dissipation technology and higher efficiency algorithm.

airborne fire control radar； missile seeker； phased array； cheaper phased array antenna

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.008

2016-08-30

徐艷國(guó)(1980-)，男，山東濟(jì)寧人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

TH133; TP183

A

1673-5048(2016)06-0033-07