戴征堅

(海軍研究院，北京 100161)

根據(jù)水面艦艇作戰(zhàn)使命任務,其射頻設備通常應具備遠程對空警戒、中近程對空對海搜索與跟蹤、氣象探測、目標識別、飛機指揮引導、導彈制導、火控跟蹤、導航、電子偵察、有源干擾、無線通信等諸多功能。早期的艦載射頻設備功能相對單一,雷達、通信、電子戰(zhàn)等射頻設備都是獨立研制和裝艦,設備種類和數(shù)量的增加需要占用大量安裝空間和頻率資源,設備間的電磁兼容問題日益突出,由此可能導致全艦綜合作戰(zhàn)效能難以達到預期目標。艦載射頻設備集成就是通過集成優(yōu)化技術,把不同類型、不同用途的射頻設備進行集成設計,實現(xiàn)艦載射頻設備的集成,通過統(tǒng)一調(diào)度時域、空域、頻域和信號處理、數(shù)據(jù)處理等資源實現(xiàn)多功能的綜合一體化,大幅度提高艦艇作戰(zhàn)能力,主要包括：1)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率和工作方式、多傳感器協(xié)同探測等都可以根據(jù)目標的運動特性實現(xiàn)自適應調(diào)整,將顯著地提高對各類目標,尤其是高速高機動目標的探測和跟蹤能力;通過合理調(diào)度射頻資源,可實現(xiàn)干擾對象的擴展,提升對多目標的干擾能力;2)多功能多任務的綜合一體化,不僅可以通過本艦多傳感器的協(xié)同探測為武器系統(tǒng)提供高精度的目標指示,而且能根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境的特點實現(xiàn)時域、空域和頻域資源的自適應調(diào)度,縮短系統(tǒng)的反應時間,為武器系統(tǒng)的快速反應提供信息支持;3)可以減少艦載天線數(shù)量、有效改善艦艇的電磁兼容性能,而且多孔徑天線的平面化為艦船上層建筑和桅桿的結(jié)構(gòu)簡潔化、尺度小型化、外形隱身化設計提供了有利條件。本文系統(tǒng)地分析了國外艦載射頻設備集成技術的發(fā)展現(xiàn)狀,研究了艦載射頻設備集成的主要關鍵技術。

1 國外艦載射頻設備集成技術發(fā)展現(xiàn)狀

先進國家海軍日益關注艦艇射頻設備集成技術的發(fā)展,國外艦載射頻設備集成主要有三種實現(xiàn)途徑[1-3],即綜合桅桿、共享天線孔徑、多功能射頻。綜合桅桿將眾多天線集成到有限空間,可使上層建筑結(jié)構(gòu)設計更加簡潔,但沒有從頂層對各個射頻設備的功能進行集成;共享天線孔徑對射頻設備功能進行統(tǒng)一設計,采用平面陣列減少了天線數(shù)量,將數(shù)量眾多的對空對海搜索雷達、導航雷達、目標識別、無線通信、電子戰(zhàn)等射頻設備綜合于一體,動態(tài)分配時間、功率、頻率、天線波束和信號處理、數(shù)據(jù)處理等資源,實現(xiàn)射頻設備多功能一體化;多功能射頻采用寬帶孔徑,通過靈活調(diào)度時間、能量等資源和基于單一孔徑同時實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信等多功能,可有效提高作戰(zhàn)效能。

1.1 美國

美國是最早開展艦載射頻集成技術研究的國家,開發(fā)的典型系統(tǒng)包括先進封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)(AEM/S)、先進多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)等,建立的AMRFC演示試驗床采用收發(fā)分離的體制,分為兩個波段,低波段頻率覆蓋1～5 GHz,高波段頻率覆蓋3.5～18 GHz,可以綜合雷達、電子戰(zhàn)、通信、敵我識別等功能。AMRFC演示的主要功能有:Ku Satcom下行、國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DSCS)鏈路和相關雷達功能;采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)波形的導航雷達功能;有源干擾(EA)功能等。AMRFC中的電子偵察、通用數(shù)據(jù)鏈等部分技術已經(jīng)應用于2016年10月正式服役的DDG-1000驅(qū)逐艦中,由于采用高度集成的作戰(zhàn)系統(tǒng)和最新的設計技術,DDG-1000驅(qū)逐艦的射頻天線總數(shù)較常規(guī)艦艇大幅減少;DDG-1001驅(qū)逐艦已經(jīng)于2018年4月正式交付美國海軍,主要任務將由對陸攻擊為主向反艦作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變,但其射頻設備大體沿用了DDG-1000驅(qū)逐艦的技術狀態(tài)。

1.2 荷蘭

泰勒斯荷蘭公司在艦艇集成上層建筑設計方面具有豐富的經(jīng)驗,泰勒斯公司的集成桅桿系列包括:I-MAST 50、I-MAST 100、I-MAST 400和I-MAST 500,可適用于巡邏船和護衛(wèi)艦等不同類型艦船。其中,I-MAST 400是泰勒斯公司的第一種集成模塊化桅桿,安裝在荷蘭皇家海軍排水量3750噸的Holland級巡邏艦上,可取代以前許多獨立的雷達和通信天線,并將它們的功能組合到一個單獨的即裝即用的密閉裝置中。在I-MAST 400的組成中,從上至下包括:泰勒斯公司的雙波段(X/Ku)超高頻衛(wèi)星通信(SATCOM)天線、基于非旋轉(zhuǎn)圓環(huán)形天線陣的敵我識別器、Sea Watcher 100 X波段有源相控陣雷達、Gatekeeper 360°全景紅外/光電監(jiān)視與告警系統(tǒng)、綜合通信天線系統(tǒng)(ICAS)(由便于應用的標準VHF/UHF通信設備以及與Link 16組成)、用于空海監(jiān)視的非旋轉(zhuǎn)Sea Master 400 S波段有源相控陣雷達等。

1.3 意大利

意大利海軍的集成模塊化桅桿項目(稱為MITOS),旨在裝備其新型多任務遠洋作戰(zhàn)巡邏艦PPA,MITOS項目重點研究如何集成意大利本國開發(fā)的傳感器和系統(tǒng),包括雷達、敵我識別器、紅外/光電、通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng),分析新型桅桿的不同解決方案,以便供意大利海軍選擇。MITOS項目主要采用英國塞萊克斯ES公司開發(fā)的一系列集成桅桿成果,該系列集成桅桿結(jié)構(gòu)的組成部分包括多功能三坐標雷達、敵我識別器、紅外/光電、通信設備(包括戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈)以及電子戰(zhàn)系統(tǒng),并可根據(jù)不同船型對各模塊重新配置,如其UNIMAST 300項目采用綜合了GaN(C波段)和GaA(X波段)收/發(fā)模塊的有源電子掃描陣列(AESA)雷達、360°全景紅外/光電傳感器、采用平面天線的無線電通信、衛(wèi)星通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。

1.4 德國

德國海軍的隱身戰(zhàn)艦FDZ-2020采用了集成全封閉桅桿(也稱為“集成多探測器桅桿”,IMSEM),桅桿中集成了對空搜索、對海搜索、火控、導航、通信、數(shù)據(jù)傳輸,以及紅外、激光和雷達告警等設備的天線,實現(xiàn)了雷達、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的“孔徑集成”;其頂部是紅外、激光和雷達告警設備的接收天線,下面是通信設備、X波段數(shù)據(jù)鏈及相控陣雷達、C波段雷達、L或S波段雷達等設備的天線。

1.5 法國

法國和加拿大等幾個國家設計的FREMM-ER護衛(wèi)艦,其最重要的改進是集成桅桿,這種集成桅桿解決方案也是形成法國海軍FREDA結(jié)構(gòu)的基礎,新型集成桅桿包含泰勒斯公司的SF500 AESA雷達以及紅外搜索與跟蹤(IRST)、通信和電子戰(zhàn)等諸多設備;法國諾曼底機械制造公司與空客公司防御空間部和Ineo防御公司合作研制的C-MAST輕型桅桿集成了空客防御空間部研制的3D(或2D)TRS-3D搜索雷達、泰勒斯公司研制的IRST和導航雷達等,C-MAST將用于新型隱身輕型艦和近海巡邏艦。

2 艦載射頻設備集成涉及的主要關鍵技術

目前,艦載射頻設備的集成大體可采用“數(shù)字化射頻前端+高速大容量數(shù)據(jù)傳輸+軟件化高性能后端處理”的體系架構(gòu),構(gòu)建開放式、可重構(gòu)的雷達、通信、電子戰(zhàn)一體化系統(tǒng),系統(tǒng)組成一般由綜合孔徑天線和射頻前端、預處理、共用平臺(含綜合信息處理、綜合顯示控制、綜合調(diào)度控制)等部分組成(如圖1所示)。通常情況下,雷達、通信、電子戰(zhàn)等設備由各自或共用的天線和射頻前端、預處理以及加載在共用平臺上的相應軟件來實現(xiàn)各設備的完整功能。艦載射頻設備集成涉及綜合一體化設計、寬帶和超寬帶綜合孔徑天線、寬帶數(shù)字T/R組件、時間和能量資源調(diào)度、高速信號處理與數(shù)據(jù)融合等諸多關鍵技術。

2.1 射頻設備綜合一體化設計技術

2.1.1 同時多功能技術

艦載射頻設備需要完成雷達、電子戰(zhàn)、通信等多功能,理想情況下,如通過射頻集成實現(xiàn)所有功能的收、發(fā)同時進行,則可實現(xiàn)資源利用率的最大化,但需要在陣面收、發(fā)分離的情況下才能實現(xiàn),主要因為雷達發(fā)射功率太大,單一陣面不易解決收、發(fā)分離問題,發(fā)射功率會使接收通道飽和。同時多功能的另一種技術途徑是通過同時發(fā)射和接收多波束實現(xiàn),如采用陣面收、發(fā)合一的模式,主要措施是利用雷達接收時間進行有源干擾和通信的小功率發(fā)射,典型工作方式包括:

1)雷達發(fā)射時不能接收,雷達接收時,電子偵察和通信均可接收;

2)雷達發(fā)射可以與有源干擾、通信發(fā)射同時進行,但需要解決發(fā)射多波束問題;

3)雷達接收時,有源干擾和通信可以小功率發(fā)射,在保證低噪聲放大器(LNA)不飽和的情況下,同時實現(xiàn)電子戰(zhàn)和通信的功能。

2.1.2 多通道任意波形生成與智能化資源管理技術

雷達、通信、有源干擾、目標識別、導彈制導和火控跟蹤等信號對數(shù)字T/R組件有不同的要求,特別是多波束發(fā)射時,多信號疊加后的波形更加復雜,需要實現(xiàn)多通道復雜信號的實時產(chǎn)生;數(shù)字T/R組件的信號產(chǎn)生部分要兼容不同的功能要求,具備復雜信號實時產(chǎn)生的功能。智能化資源管理技術主要包括雷達、電子戰(zhàn)、通信等一體化工作中的能量、頻域、時域、空域資源管理等方面,需要實現(xiàn)系統(tǒng)的時間、能量、頻域等資源的綜合調(diào)度與管理控制[4]。

2.2 先進的多功能一體化艦艇天線技術

艦載射頻設備需要集成的功能繁多、性能要求高,這對綜合天線孔徑提出了極高的要求。一方面需要優(yōu)化綜合天線孔徑,綜合考慮天線單元的形式、成本、數(shù)量和性能(電氣指標性能、電磁兼容性能、隱身性能等)等要素,達到最優(yōu)天線系統(tǒng)的目的;另一方面,需要與艦艇總體設計匹配,解決其適裝性問題;綜合天線孔徑還涉及多功能天線集成和整合技術、可重構(gòu)天線技術、靈巧天線罩制造技術等。一體化綜合天線孔徑的典型實現(xiàn)方法有兩種：一是用一個通用的孔徑來實現(xiàn)幾種功能,但技術難度大,需要解決功能間的協(xié)調(diào)、隔離和控制等問題,此外，須解決寬角寬帶天線單元設計、寬帶共用孔徑陣列天線設計、互耦影響與修正、輻射單元校正和寬帶T/R組件等關鍵技術;二是將一個大的孔徑分成多個子孔徑,每個子孔徑執(zhí)行一些特定的功能,此方法雖然未能實現(xiàn)共用孔徑所期望的所有可能的優(yōu)點,但具有易實現(xiàn)、技術難度小等特點。

2.3 高速信號處理與數(shù)據(jù)處理技術

艦載射頻設備集成需要解決高速信號處理軟、硬件平臺的構(gòu)建和大容量雷達、偵察、通信等信號的實時處理,以及雷達、偵察等數(shù)據(jù)的融合和數(shù)據(jù)儲存、管理與分發(fā)等技術。在具體的設計中需要采用開放式體系架構(gòu),實現(xiàn)硬件和軟件的標準化與模塊化,以便于系統(tǒng)的可重構(gòu)、可擴展和技術升級;在多源、多維信息獲取和融合處理方面,需要實現(xiàn)本艦雷達、電子偵察、光電、紅外等多源、異類信息的融合處理,以充分挖掘和綜合利用各類信息,提升艦艇復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)使用性能。

3 結(jié)束語

國外艦載射頻設備集成技術已經(jīng)走過了綜合桅桿、共享平面化的天線孔徑兩個階段,正在邁入寬帶多功能射頻階段,未來還將采用共形相控陣等技術,并將數(shù)字化進一步向射頻前端推進,大力提升系統(tǒng)的軟件化、數(shù)字化水平?？傮w而言,射頻設備的集成不是新技術的簡單應用堆砌,不能以單純減少設備和天線數(shù)量為主要目的,應以作戰(zhàn)需求為牽引,以可靠頂用為前提,以效能優(yōu)化為目標,既要有利于艦艇在海上信息化作戰(zhàn)體系下完成使命任務，有利于作戰(zhàn)使用效能的發(fā)揮，有利于提高艦艇作戰(zhàn)任務的可靠性和射頻設備間的電磁兼容性;同時,還需要綜合考慮射頻設備集成的技術成熟度、實現(xiàn)代價等諸多因素。