戴征堅　嚴(yán)科偉　譚　昕

(海軍裝備研究院　北京　100161)

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國外航母雷達(dá)的現(xiàn)狀與發(fā)展*

戴征堅嚴(yán)科偉譚昕

(海軍裝備研究院北京100161)

摘要航母雷達(dá)通常需要同時擔(dān)負(fù)多種任務(wù)，受航母島式上層建筑上安裝空間等因素的限制，要求航母雷達(dá)盡量實現(xiàn)多功能一體化。論文在系統(tǒng)地分析國外現(xiàn)役航母雷達(dá)配置情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外艦載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢，對國外航母雷達(dá)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞航母; 相控陣?yán)走_(dá); 數(shù)字陣列雷達(dá)

Class NumberTN959.1

1引言

根據(jù)國外航母作戰(zhàn)使用特點，國外航母雷達(dá)通常需要擔(dān)負(fù)遠(yuǎn)程對空警戒探測、為艦載機(jī)飛行監(jiān)視和氣象保障提供探測信息、為艦載機(jī)指揮引導(dǎo)提供空中目標(biāo)三坐標(biāo)信息、為航空管制提供空中目標(biāo)信息、為引導(dǎo)和控制艦載機(jī)全天候安全著艦提供著艦信息、對來襲反艦導(dǎo)彈和飛機(jī)進(jìn)行搜索跟蹤與目標(biāo)指示、對海搜索和為航母安全航行提供航海信息、敵我識別/飛行目標(biāo)詢問等多種任務(wù)[1]。在遠(yuǎn)程對空警戒探測方面，艦載固定翼預(yù)警機(jī)(或預(yù)警直升機(jī))一般前突一定距離擔(dān)負(fù)編隊空中早期預(yù)警與指揮引導(dǎo)等任務(wù)，但由于艦載固定翼預(yù)警機(jī)(或預(yù)警直升機(jī))數(shù)量少、滯空時間有限、使用和維護(hù)費用高等因素，不可能全天候和長時間、連續(xù)保障編隊?wèi)?zhàn)時全方位預(yù)警和平時空中巡邏警戒的需要，因此航母本身必須具備較強(qiáng)的遠(yuǎn)程對空警戒探測能力，在目前技術(shù)水平下，國外航母遠(yuǎn)程對空警戒探測任務(wù)主要由大功率雷達(dá)擔(dān)負(fù)；在艦載戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)方面，國外航母艦載戰(zhàn)斗機(jī)一般以制空為主、兼顧對海/陸作戰(zhàn)任務(wù)，因此要求航母雷達(dá)為艦載戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)指揮引導(dǎo)提供信息保障；在航空管制信息保障方面，為充分保障艦載機(jī)的飛行安全和在航母上起降的安全，要求航母雷達(dá)在艦載機(jī)主要活動空域內(nèi)具備對空中目標(biāo)保持連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的探測和跟蹤能力；在對來襲反艦導(dǎo)彈和飛機(jī)搜索與跟蹤方面，為充分發(fā)揮航母近程和末端防空武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，航母雷達(dá)應(yīng)具備對本艦視距范圍內(nèi)中低空目標(biāo)的快速搜索和跟蹤能力，應(yīng)能及時提供滿足對空自防御武器系統(tǒng)使用要求的高精度三維(距離、方位、仰角)目標(biāo)指示信息；在航空氣象探測保障方面，為確保艦載機(jī)飛行安全，航母雷達(dá)應(yīng)能對艦載機(jī)飛行空域內(nèi)的流云、雷暴、海霧、飛機(jī)顛簸、飛機(jī)積冰等航空危險天氣進(jìn)行監(jiān)視，航空氣象探測距離應(yīng)能覆蓋艦載機(jī)的主要飛行活動空域；另外，為保障航母進(jìn)出港和海上航行安全，航母雷達(dá)需要具備近程對海的連續(xù)搜索能力?？梢?，國外航母雷達(dá)同時擔(dān)負(fù)著諸多重要任務(wù)，本文在系統(tǒng)分析國外現(xiàn)役航母雷達(dá)配置情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外艦載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢，對國外航母雷達(dá)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

2國外現(xiàn)役航母雷達(dá)的主要配置情況

由于航母及其編隊在海上往往處于相對獨立的作戰(zhàn)狀態(tài)，國外航母編隊的對空、對海警戒探測任務(wù)主要是由艦載預(yù)警機(jī)和航母編隊內(nèi)護(hù)航艦上配置的功能各類的雷達(dá)、光電、紅外等設(shè)備擔(dān)負(fù)，其中航母雷達(dá)主要是在復(fù)雜電磁環(huán)境和海洋環(huán)境下完成全天候、大范圍的搜索、跟蹤和識別海、空目標(biāo)等任務(wù)。為滿足同時擔(dān)負(fù)多種任務(wù)的需要，國外現(xiàn)役航母一般都配置了多種不同功能的雷達(dá)。為保證雷達(dá)天線具有較好的視角，航母雷達(dá)一般都布置在島式上層建筑上；同時，為提高飛行甲板的可用面積，以便停放更多的艦載機(jī)，國外航母一般都采取盡量優(yōu)化上層建筑的設(shè)計原則，這給雷達(dá)等射頻設(shè)備的安裝帶來一定的限制，即在有限的島式上層建筑上不可能布置太多單一功能的雷達(dá)，這就要求航母雷達(dá)除了要具有基本的功能和使用性能外，還要具有較高的集成度和較高的任務(wù)可靠性。另外，由于航母雷達(dá)一般都具有較強(qiáng)的電磁輻射功率，不可避免地對其它艦載射頻設(shè)備帶來一定的電磁干擾，同時，也不可避免地對布列在飛行甲板上的艦載機(jī)、航空彈藥和作業(yè)人員帶來一定的電磁輻射危害，因此一方面需要進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計以盡量減少對其它艦載射頻設(shè)備的電磁干擾，另一方面需要采取一定的防護(hù)措施來消除電磁輻射對飛行甲板上的艦載機(jī)、航空彈藥和作業(yè)人員等的危害。

目前國外有近20艘航母，如美國的尼米茲級核動力航母、俄羅斯的“庫茲涅佐夫”號航母、法國的“戴高樂”號核動力航母，以及英國、意大利、巴西、印度、泰國等國的航母。上述航母雷達(dá)的配置各具特色，美國現(xiàn)役尼米茲級核動力航母上配置了AN/SPS-48E三坐標(biāo)雷達(dá)、AN/SPS-49(V)5二坐標(biāo)對空搜索雷達(dá)、MK-23 TAS目標(biāo)捕獲雷達(dá)、AN/SPS-67(V)1對海搜索雷達(dá)、AN/SPN-41飛機(jī)進(jìn)場控制雷達(dá)、AN/SPN-43C空中交通管制雷達(dá)、AN/SPN-44飛機(jī)著艦測速雷達(dá)、AN/SPN-46飛機(jī)著艦控制雷達(dá)、AN/SPS-64(V)9導(dǎo)航雷達(dá)、MK 95火控雷達(dá)等；法國“戴高樂”號核動力航母配置了DRBJ 11B三坐標(biāo)雷達(dá)、DRBV 26D二坐標(biāo)對空搜索雷達(dá)、DRBV 15C二坐標(biāo)對空/對海搜索雷達(dá)、DRBJ13飛機(jī)著艦引導(dǎo)雷達(dá)、1229導(dǎo)航雷達(dá)、Arabel火控雷達(dá)等；英國“無敵”號航母配置了Type 1022型二坐標(biāo)對空搜索雷達(dá)、Type 996(I)型三坐標(biāo)雷達(dá)、Type 1007導(dǎo)航雷達(dá)、Decca 1008對海搜索雷達(dá)、SPN 720(V)5著艦控制雷達(dá)等；意大利的“加富爾”號航母配置了EMPAR多功能相控陣?yán)走_(dá)、RAN-40L對空搜索雷達(dá)、MM/SPN-753G(V)導(dǎo)航雷達(dá)、MM/SPN-753導(dǎo)航雷達(dá)、MM/SPN-41著艦控制雷達(dá)等；俄羅斯“庫茲涅佐夫”號航母配置了Sky Watch相控陣?yán)走_(dá)、Tool Plate B三坐標(biāo)雷達(dá)、Strut Pair對海搜索雷達(dá)、Fly Trap B空中交通管制雷達(dá)、Cross Sword火控雷達(dá)、Hot Flash火控雷達(dá)、Palm Front導(dǎo)航雷達(dá)等?？梢钥闯?，國外現(xiàn)役航母通過配置不同功能的雷達(dá)以實現(xiàn)遠(yuǎn)、中、近和高、中、低空域及海面的全覆蓋。下面重點以美國現(xiàn)役尼米茲級航母為例，對其雷達(dá)的主要配置情況和使用特點進(jìn)行分析。

2.1對空雷達(dá)

AN/SPS-49(V)5是二坐標(biāo)遠(yuǎn)程對空搜索雷達(dá)，采用高平均功率和自動目標(biāo)監(jiān)測技術(shù)，具有良好的抗有源干擾和無源干擾能力，主要用于遠(yuǎn)程對空監(jiān)視和跟蹤，最大作用距離約463km，并且對弱小目標(biāo)具有較好的發(fā)現(xiàn)能力。

AN/SPS-48E是三坐標(biāo)遠(yuǎn)程搜索雷達(dá)，采用平面相控陣天線和多波束工作方式，通過頻掃實現(xiàn)仰角掃描；其主要功能是提供空中目標(biāo)的三坐標(biāo)信息，最大作用距離約407km；且能在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下對來襲的反艦導(dǎo)彈類目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，并完成自動搜索與跟蹤。

MK23 TAS目標(biāo)捕獲系統(tǒng)由二坐標(biāo)脈沖多普勒雷達(dá)、敵我識別器和計算機(jī)子系統(tǒng)組成，可在復(fù)雜氣象雜波干擾和電磁干擾環(huán)境中搜索、跟蹤低空和垂直俯沖的飛機(jī)或?qū)?，并按輕重緩急次序向北約“海麻雀”導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)提供目標(biāo)指示信息。

2.2對海搜索雷達(dá)

主要的對海搜索雷達(dá)為AN/SPS-67，備用水面監(jiān)視功能可由AN/SPS-48E、MK23 TAS、AN/SPN-43C、AN/SPS-64(V) 9或 AN/SPS-73(V)12或17雷達(dá)提供。

2.3敵我識別設(shè)備

敵我識別設(shè)備的主要功能是與一次雷達(dá)配合使用，可詢問、識別水面平臺和裝備了選擇性識別特性(SIF)模式1、2、3A/C、4應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)。用于對己方或友方目標(biāo)的身份、位置、高度等信息進(jìn)行快速辨識，能夠為航母指揮官實施流暢的戰(zhàn)術(shù)作業(yè)和高效的作戰(zhàn)管理提供重要幫助。

2.4航母艦載機(jī)自動進(jìn)近系統(tǒng)

美國航母對艦載機(jī)的控制范圍大體劃分為三層:最外層，即370km～93km之間由航母作戰(zhàn)指揮中心(CDC)控制；中間層(或稱空中交通管制區(qū))，即93km～約10km處(著艦引導(dǎo)雷達(dá)捕獲艦載機(jī)的距離)由航母空中交通管制中心通過塔康戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)和航母空中交通管制雷達(dá)(或稱進(jìn)場雷達(dá))管制；最后一層(或稱著艦控制區(qū))，即約10km以內(nèi)則交由著艦指令官通過精確進(jìn)近系統(tǒng)(PALS)和儀表航母著艦系統(tǒng)(ICLS)控制。其中艦載機(jī)從空中交通管制區(qū)的集合點飛至雷達(dá)捕獲窗的過程被稱為飛機(jī)的進(jìn)場階段，從雷達(dá)捕獲窗到觸艦點的飛行是著艦階段。艦載機(jī)進(jìn)入著艦階段后，精確進(jìn)近系統(tǒng)是飛機(jī)著艦的主要手段，可有效地幫助飛行員完成穩(wěn)定、可靠、精確的著艦任務(wù)；精確進(jìn)近系統(tǒng)的核心為AN/SPN-46雷達(dá)，AN/SPN-46雷達(dá)是Ka波段脈沖跟蹤雷達(dá)，采用圓錐掃描天線，用于對飛機(jī)最后進(jìn)場和著艦過程進(jìn)行控制，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入雷達(dá)捕獲窗口時(通常在距航母7km處)，該雷達(dá)就鎖定飛機(jī)，然后一直在距離、方位和俯仰三維上對飛機(jī)進(jìn)行跟蹤，直到觸艦，或禁降為止。儀表航母著艦系統(tǒng)主要為飛機(jī)駕駛員提供獨立的下滑路線和中線對準(zhǔn)核對手段，屬于精確進(jìn)近系統(tǒng)的輔助手段，通常在飛機(jī)距艦400m以內(nèi)時由于精度不足而不再采用其數(shù)據(jù)。

AN/SPN-43C是一種二坐標(biāo)空中交通管制雷達(dá)，作用距離從274m～93km，它作為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備安裝在美國海軍航母上，主要與敵我識別器、飛機(jī)進(jìn)場控制雷達(dá)等協(xié)同工作，這些設(shè)備的探測信息主要提供給航母空中管制中心(CATCC)的操作人員使用。

3國外航母雷達(dá)的發(fā)展趨勢

3.1國外艦載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代艦載雷達(dá)面臨的威脅和環(huán)境日趨復(fù)雜，各種有源和無源干擾、反輻射武器、低空和超低空突防、低雷達(dá)反射截面積的隱身目標(biāo)等都對傳統(tǒng)艦載雷達(dá)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，艦載雷達(dá)需要具備大動態(tài)、低副瓣、同時多波束、可重構(gòu)、智能化等能力以應(yīng)對上述威脅。從國外艦載雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展來看，一是艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)日益成為主流，二是由單平臺多傳感器向多功能綜合一體化發(fā)展，三是模塊化和開放式體系架構(gòu)(MOSA)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用[2～5]。近年來，艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已經(jīng)從有源相控陣逐步發(fā)展到數(shù)字陣列階段，圖1所示的美國海軍多功能雷達(dá)技術(shù)演進(jìn)歷程是典型代表[6～7]。

圖1　美國海軍多功能雷達(dá)技術(shù)演進(jìn)歷程

傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)采用模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)、移相器、波控單元，而數(shù)字陣列雷達(dá)只采用多路直接數(shù)字合成器(DDS)。采用數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)，具有以下主要優(yōu)點[8～10]:

1)數(shù)字陣列與傳統(tǒng)相控陣最本質(zhì)的區(qū)別是發(fā)射與接收波束形成方式不同，傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)依靠移相器、衰減器和微波合成網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)波束在空間掃描；數(shù)字陣列雷達(dá)用直接數(shù)字頻率綜合芯片代替移相器并省去波控網(wǎng)絡(luò)、用光纖代替大量金屬電纜，實現(xiàn)了發(fā)射波形產(chǎn)生與接收信號處理的全數(shù)字化處理，由此帶來的優(yōu)勢包括:幅相控制精度高，易于實現(xiàn)超低副瓣，提升抗干擾和反雜波能力；通過波束控制可降低對艦甲板上人員與設(shè)備的電磁輻射強(qiáng)度；系統(tǒng)動態(tài)范圍大，探測小目標(biāo)能力強(qiáng)；空間自由度高，收發(fā)均可同時對多個方向形成自適應(yīng)零點，可提高抗干擾能力；同時多波束接收，可針對不同作戰(zhàn)任務(wù)靈活設(shè)置波束指向，以提升特定方向的空域覆蓋能力。

2)傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)的特性在設(shè)計階段就已固定，而數(shù)字陣列雷達(dá)是由若干獨立的數(shù)字陣列模塊構(gòu)成的系統(tǒng)，具有重量輕、體積小、可擴(kuò)充、易升級等特點，可以在相同的硬件平臺上，通過軟件升級適應(yīng)多樣化使用需求。

表1　數(shù)字陣列雷達(dá)與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)的主要性能比較

3.2國外航母雷達(dá)的發(fā)展趨勢

目前，國外在研和新近下水的航母主要有英國的“伊麗莎白女皇”號和美國的“福特”號等，這些航母的雷達(dá)配置體現(xiàn)了當(dāng)前國外航母雷達(dá)的發(fā)展趨勢。與大多數(shù)航母的獨島型上層建筑不同，“伊麗莎白女皇”號航母上層建筑將采用“雙島型”設(shè)計,即分別設(shè)計成前、后兩個總體尺寸較小的“島”,也就是甲板艏樓和甲板艉樓,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的獨島型上層建筑；艦上所配備的雷達(dá)系統(tǒng)包括安裝于艏樓上的英國BAE系統(tǒng)公司基于Sampson雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)的先進(jìn)目標(biāo)指示、態(tài)勢感知與導(dǎo)航(ARTISAN)雷達(dá)和安裝在艉樓上的Type 1046(S1850M)對空監(jiān)視雷達(dá)、SPN 720(V)5著艦控制雷達(dá)等；ARTISAN雷達(dá)采用數(shù)字自適應(yīng)波束形成技術(shù)，工作于S波段，最大作用距離約200km，最大可跟蹤目標(biāo)大于800批(海面和空中)；S1850M對空搜索雷達(dá)的工作頻率在1GHz到2GHz之間,多波束掃描的仰角可從0°到70°,可對半徑400km范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行自動搜索和跟蹤。美國“福特”號航母配置了雙波段雷達(dá)(AN/SPY-3、AN/SPY-4)、AN/SPS-73(V)對海搜索與導(dǎo)航雷達(dá)、MK95火控雷達(dá)等，雙波段雷達(dá)采用開放式體系構(gòu)架和智能化、網(wǎng)絡(luò)化等設(shè)計理念，后端處理采用統(tǒng)一平臺，具備極強(qiáng)的多功能性和可靠性，可同時完成目標(biāo)搜索、跟蹤、識別，以及飛機(jī)引導(dǎo)、武器制導(dǎo)等多種任務(wù)，集成了美國現(xiàn)役航母上配置的AN/SPS-48E、AN/SPS-49、AN/SPS-67、Mk23 TAS和SPN-41/46、SPN-43等多部獨立雷達(dá)的功能；其中，AN/SPY-3是固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)，將替代SPS-67、Mk23 TAS和AN/SPN-41、AN/SPN-46等雷達(dá)的功能，并與精確進(jìn)近系統(tǒng)協(xié)同工作；AN/SPY-4可能采用了數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)，能在受到嚴(yán)重干擾的海岸環(huán)境下工作，擔(dān)負(fù)遠(yuǎn)程對空搜索、跟蹤和識別等任務(wù)，最大作用距離約463km。

從國外航母雷達(dá)的配置情況可以看出，隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是艦載相控陣技術(shù)的發(fā)展和普及，國外航母雷達(dá)的主要發(fā)展方向是采用多功能雷達(dá)技術(shù)，在提升能力的同時并減少雷達(dá)配置數(shù)量。但是，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等因素的限制，各國航母在多功能雷達(dá)的體制選擇和技術(shù)實現(xiàn)上有一定的差異，例如美國因其技術(shù)優(yōu)勢和較充足的經(jīng)費投入，故選擇了固定陣列的有源相控陣?yán)走_(dá)(或數(shù)字陣列雷達(dá))；英國由于受限于成本等因素，選擇了比美國“簡單”的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式雙面陣有源相控陣?yán)走_(dá)。

4結(jié)語

國外航母雷達(dá)通常需要同時擔(dān)負(fù)諸多任務(wù)，因此航母上一般需要配置多種不同功能的雷達(dá)；但在航母有限的島式上層建筑上可安裝雷達(dá)的位置有限，這就要求雷達(dá)功能盡量集成和一體化；同時，從提高航母的隱身性、減少航母電磁兼容設(shè)計的難度、提高適裝性等因素考慮，也要求航母雷達(dá)應(yīng)盡量多功能一體化，在實現(xiàn)能力提升的同時并減少雷達(dá)配置數(shù)量。近年來，國外艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已經(jīng)從有源相控陣發(fā)展到數(shù)字陣列階段，數(shù)字陣列雷達(dá)具有對目標(biāo)探測與抗干擾能力強(qiáng)、重量輕、體積小、易于適應(yīng)多樣化使用需求等諸多優(yōu)點，代表了國外先進(jìn)航母雷達(dá)的發(fā)展方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Skolnik,M.I.Radar Handbook[M].New York: McGraw-Hill Book Company,1990.

[2] Li J, Stoica P, et al.On Parameter Identifiability of MIMO Radar[J].IEEE Signal Processing Letters,2007,14(12):968-971.

[3] Haimovich A M,Blum R S,et al.MIMO Radar with Widely Separated Antennas[J].IEEE Signal Processing Magazine,2008:116-129.

[4] 代澤洋，王賀.認(rèn)知雷達(dá)中協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2015，13(1):17-20.

[5] HAYKIN S.Cognitive Radio:Brain-Empowered Wireless Communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2005,23(2):201-220.

[6] 吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008，6(6):401-405.

[7] 方立軍，李佩.基于微波光電技術(shù)的未來數(shù)字陣列構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2013，6(6):583-586.

[8] Yao Jianping.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2009, 27(3):314-335.

[9] Seeds A J,Williams K J.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2006, 24(12):4628-4641.

[10] Self A G,Smith B G.Intercept Time and Its Prediction[J].IEE Proceedings of Communication,Radar and Signal Processing,1985,132(4):215-220.

Development and Status of Foreign Carrier Radar

DAI ZhengjianYAN KeweiTAN Xin

(Naval Academy of Armament, Beijing100161)

AbstractThe carrier radar usually takes on multitask.Multifunctional radar is the important choice for the limited superstructure of the carrier.The foreign active carriers’ radars are discussed, and their developing trend is given based on the radar technology of foreign naval vessel.

Key Wordscarrier, phased-array radar, digital array radar

* 收稿日期：2015年11月7日,修回日期：2015年12月30日

作者簡介：戴征堅，男，博士，高級工程師，研究方向：雷達(dá)工程、電子信息系統(tǒng)。嚴(yán)科偉，男，碩士，工程師，研究方向：電子信息系統(tǒng)。譚昕，女，高級工程師，研究方向：電子科技情報信息。

中圖分類號TN959.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.002