曹蘭英 董曄 郭維娜

摘要：機載火控雷達作為戰(zhàn)斗機平臺獲取目標、環(huán)境信息的核心傳感器，系統(tǒng)體制已經歷了脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、相控陣雷達、數字陣列雷達的發(fā)展歷程。目標、環(huán)境、任務以及新興技術，是促成機載火控雷達系統(tǒng)體制、理論和技術不斷發(fā)展演變的重要外部因素。通過深入研究機載火控雷達發(fā)展現狀，總結有源相控陣雷達、數字陣列雷達技術發(fā)展優(yōu)勢，分析機載火控雷達面臨隱身目標全向探測、寬頻段隱身、射頻隱身、抗干擾等發(fā)展新需求，展望了智能蒙皮、分布式孔徑、射頻綜合一體化、智能化信號處理等技術將是機載火控雷達發(fā)展新熱點，探究了機載火控雷達未來發(fā)展趨勢，可為機載火控雷達技術研究提供參考與借鑒。

關鍵詞：機載火控雷達；智能蒙皮；分布式孔徑；射頻綜合一體化；智能化信號處理

中圖分類號：V243.2文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.06.001

機載雷達誕生于第二次世界大戰(zhàn)，迄今為止，已經走過了近80年的發(fā)展歷程。機載雷達是機載平臺獲取目標與環(huán)境信息的重要傳感器之一，主要用于控制和制導武器、實施空中警戒、戰(zhàn)場偵察、保障準確飛行和飛行安全等。根據機載雷達功能任務的不同，機載雷達大致可分為火控雷達、預警雷達、戰(zhàn)場偵察雷達和飛行安全保障雷達等。

科學技術的進步不斷促進并推動著機載雷達技術不斷向前發(fā)展，尤其在機載火控雷達領域，技術換代更新速度非常迅猛，新體制、新技術不斷涌現。機載火控雷達系統(tǒng)體制經歷了脈沖雷達、脈沖多普勒雷達、無源相控陣雷、有源相控陣雷達、數字陣列雷達的發(fā)展歷程[1-5]。當前，機載火控雷達面臨新目標、新環(huán)境、新任務，以及新興技術的不斷發(fā)展、成熟，共同推動著機載火控雷達技術的高速發(fā)展和演變，衍生出許多新的概念、體制和技術[6-10]。

在機載火控雷達探測目標方面，隨著F-22、F-35等第四代（美國稱第五代）隱身戰(zhàn)斗機的服役以及第五代戰(zhàn)斗機的研究，目標雷達截面積（RCS）不斷減小。在機載火控雷達探測環(huán)境方面，電子戰(zhàn)技術蓬勃發(fā)展，電子支援設備（ESM）接收機靈敏度越來越高，電子對抗設備（ECM）干擾功率越來越強，干擾樣式越來越靈巧。在機載火控雷達作戰(zhàn)任務方面，機載火控雷達正由單純的雷達功能向雷達、電子戰(zhàn)、通信綜合一體化方向發(fā)展。在新興技術方面，智能蒙皮、人工智能、分布式孔徑、分布式協(xié)同探測等新技術日趨成熟，在機載火控雷達領域正逐步走向工程應用。

本文通過深入研究現役機載火控雷達體制與技術發(fā)展現狀，綜合分析機載火控雷達在未來作戰(zhàn)體系下面臨的目標、環(huán)境、任務等發(fā)展新需求，結合智能蒙皮、人工智能、分布式孔徑、分布式協(xié)同探測等新興技術，探究機載火控雷達未來發(fā)展新趨勢。

1機載火控雷達發(fā)展現狀

目前，在機載火控雷達領域，機載有源相控陣和數字陣列雷達技術已漸趨成熟，F-22、F-35、F-18等眾多戰(zhàn)斗機已普遍列裝有源相控陣雷達，子陣級數字陣列火控雷達正在開展系統(tǒng)研制。

1.1有源相控陣雷達

21世紀初，有源相控陣火控雷達APG-77的研制成功，標志著機載火控雷達新時代的到來。隨著有源相控陣雷達技術的發(fā)展和成熟，美國F-22、F-18、F-15等戰(zhàn)斗機均已配裝有源相控陣火控雷達，法國、英國、以色列、俄羅斯等國家均已研制有源相控陣火控雷達。配裝F-22的AN/APG-77有源相控陣雷達如圖1所示[11-12]。

隨著有源相控陣雷達系統(tǒng)的列裝，戰(zhàn)斗機探測距離、跟蹤能力和隱身能力等方面性能均獲得了大幅提升。相較于傳統(tǒng)機掃脈沖多普勒雷達，有源相控陣雷達具有以下技術特點和優(yōu)勢。

（1）作用距離成倍增加

傳統(tǒng)脈沖多普勒雷達通常采用機械掃描天線與集中式發(fā)射機。集中式發(fā)射機產生的射頻功率經饋線網絡送到天線陣面輻射出去，收、發(fā)雙向產生的射頻損耗一般要5dB以上。

有源相控陣天線雷達采用分布式收發(fā)（T/R）組件，T/R組件緊挨著天線輻射單元，T/R組件中的功率放大器和天線輻射單元間的損耗可以忽略不計。同時，有源相控陣雷達收發(fā)組件中低噪聲放大器的前置將有效降低雷達接收系統(tǒng)的噪聲系數。因此，有源相控陣雷達與機械掃描雷達相比，不僅提升了發(fā)射平均功率，而且降低了接收損耗，帶來探測作用距離的成倍增加。

（2）多目標跟蹤能力提高

現代戰(zhàn)爭中，來襲目標常常大縱深、全方位、多批次、全高度，對雷達系統(tǒng)的多目標跟蹤能力提出了更高的需求。

有源相控陣雷達波束指向靈活可控，可以根據雷達系統(tǒng)的需要確定射頻能量在觀察空域中的分配，通過資源調度自適應控制信號波形、駐留時間、數據率等參數來改善多目標跟蹤性能。與機械掃描雷達相比，有源相控陣雷達能將雷達資源管理與濾波器技術相結合，大幅改善雷達系統(tǒng)多目標跟蹤性能，同時能夠完成機械掃描雷達難以實現的功能和靈活跟蹤方式（如搜索加跟蹤（TAS）等）。

（3）天線隱身性能

隱身能力是決定戰(zhàn)斗機取得空戰(zhàn)優(yōu)勢的重要因素，而雷達天線是戰(zhàn)斗機迎頭方向的主要散射源之一，天線隱身性能對戰(zhàn)斗機隱身能力至關重要。

機掃天線與天線座是很大的RCS反射體，也難以降低，在掃描過程中，天線陣面周期性與敵方雷達入射波形成正交，產生較強的反射波，限制了飛機隱身性能的改善。有源相控陣天線用電掃描代替了傳統(tǒng)的機械掃描，在波束掃描過程中，天線陣面固定不動，敵方雷達入射波與天線陣面形成正交的概率小，反射電磁波多半將不能從原路徑返回而被敵方雷達截獲，可有效降低雷達RCS。

1.2數字陣列雷達

數字陣列雷達是一種采用數字波束形成技術的全數字陣列掃描雷達，其波束形成不是在射頻模擬信號域進行，而是在數字域進行，因而具備較好的數字處理靈活性，擁有傳統(tǒng)有源相控陣雷達不可比擬的優(yōu)良性能。數字陣列雷達根據其系統(tǒng)架構又可以分為陣元級數字陣列雷達和子陣級數字陣列雷達。

陣元級數字陣列雷達架構的特點在于天線陣元通道直接數字化，采用陣元級數字陣列信號處理，通常適用于天線單元數較少的低頻段雷達系統(tǒng)。陣元級數字陣列雷達的典型代表是配裝E-2D預警機的AN/APY-9雷達，如圖2所示。

AN/APY-9雷達工作于UHF波段，基于陣元級數字陣雷達架構，集中采用了自適應數字波束形成（ADBF）、空時自適應處理（STAP）等一系列先進的陣列信號處理技術，顯著提高了機載雷達系統(tǒng)在復雜干擾和雜波環(huán)境下的目標探測能力。

子陣級數字陣列雷達系統(tǒng)架構特點在于天線陣面劃分子陣、子陣微波合成后數字化，采用子陣級數字陣列信號處理，通常適用于天線陣元數較多的高頻段雷達系統(tǒng)。采用子陣級數字陣列雷達架構的典型雷達系統(tǒng)是歐洲聯合研制的機載多功能固態(tài)有源陣列雷達（AMSAR），如圖3所示。

AMSAR雷達工作于X波段，基于子陣級數字陣雷達架構，使用約1000個T/R組件，劃分為8個子陣，子陣級實現數字化，采用了子陣級自適應波束形成和空時自適應處理技術。

數字陣列雷達相對于有源相控陣雷達，主要具有以下技術優(yōu)勢[13-14]。

（1）更大的動態(tài)范圍

大動態(tài)范圍是強雜波下小目標檢測所必需的。數字陣列雷達天線劃分為多個接收子天線并且對應多個接收下變頻通道，通過降低單通道雷達接收雜波干擾的天線增益，降低單個接收支路雜波的強度，同時采用分布式的多個模數轉換器對接收回波信號進行量化，可以提高雷達接收機的動態(tài)范圍，從而提高對低可觀測目標的探測能力。

（2）更大的瞬時信號帶寬

由于采用數字算法的“真延時”技術代替了相控陣天線的移相器，數字陣列雷達可以發(fā)射和接收具有更大帶寬的瞬時寬帶信號，更大的瞬時信號帶寬意味著更好的低截獲性能和更強的抗干擾能力。

（3）易于實現同時多波束

為了滿足高精度和高搜索、跟蹤的數據率，通常需要采用同時多波束的工作方式。常規(guī)相控陣雷達采用模擬方式形成多波束較為復雜，數字陣列雷達在數字域利用寬波束發(fā)射和多波束接收技術提高波束掃描的速度，同時又不降低雷達的探測性能，進而實現目標的快速搜索與截獲。

（4）低損耗、超低副瓣

常規(guī)相控陣雷達通常使用數字移相器控制波束指向，形成指定方向的波束方向圖。由于數字移相器位數受到限制，移相精度很難得到保證，另外移相器和衰減器的精度和量化誤差影響了副瓣電平。數字陣列雷達在數字域進行波束形成，具備較高的幅相控制精度，能夠對陣列誤差、各單元幅相不一致和互耦效應等進行精確校正，因此能獲得更高的天線性能。

（5）弱小目標檢測能力提升

常規(guī)相控陣雷達采用模擬方式形成波束，通常同一時間在指定方向形成單個探測波束，波束駐留時間受限。數字陣列雷達采用數字波束形成技術，能夠同一時間內形成多個指定方向的波束。數字陣列雷達多波束增加了波束駐留時間，因此可以通過長時間相參積累來改善多普勒濾波器，從而改善雷達的雜波和干擾抑制性能，提高對地面弱小目標的檢測能力和過主雜波凹口的空中目標檢測能力。

（6）系統(tǒng)任務可靠性高，維護性好

相較于常規(guī)相控陣雷達，數字陣列雷達通常采用射頻或者中頻數字化，數字化程度大幅提升。當數字陣列雷達有限個接收通道失效時，系統(tǒng)通過更改波束形成系數可減弱失效通道的影響。另外，由于采用了模塊化的數字陣列模塊設計，系統(tǒng)的維修性非常好。

2機載火控雷達發(fā)展新需求

隨著F-22、F-35等隱身戰(zhàn)斗機的服役、新型電子戰(zhàn)裝備的列裝、未來新型戰(zhàn)斗機的研制，機載火控雷達的作戰(zhàn)目標、環(huán)境、任務發(fā)生了質的演變。機載火控雷達在作戰(zhàn)目標、環(huán)境、任務等諸多方面面臨著新的發(fā)展需求。

（1）隱身目標全向探測需求

隱身技術是現代軍事技術發(fā)展的一次重大革命。以隱身、超聲速巡航、超視距打擊、高機動為基本特征的F-22等第四代戰(zhàn)斗機，已成為以美國為首的西方國家未來20年的主戰(zhàn)飛機。F-22戰(zhàn)斗機在保持高水平飛行性能的基礎上大幅提升了隱身性能，其RCS水平達到了0.01m2的量級。美國空軍下一代戰(zhàn)略轟炸機B-21、下一代制空型戰(zhàn)斗機均已確定隱身設計方案。此外，美俄還在大力發(fā)展極度隱身、高超聲速、智能蒙皮的第五代（美國稱第六代）戰(zhàn)斗機。未來隱身作戰(zhàn)飛機將具有更優(yōu)異的隱身性能，預計其RCS將再下降一個數量級，達到0.001m2水平。根據雷達方程可知，雷達探測距離與目標RCS的4次方根成正比，目標RCS水平下降一個數量級，則雷達探測距離相應降低為原來的56%。因此，隱身、極度隱身目標的出現，對機載火控雷達探測能力提出了更高的挑戰(zhàn)。

隱身目標全向探測將是未來戰(zhàn)斗機態(tài)勢感知的迫切需求。目前，無論是傳統(tǒng)機掃脈沖多普勒雷達，還是有源相控陣雷達，機載火控雷達天線通常安裝于機頭頭錐處，探測空域一般為機頭方向方位、俯仰±60°，無法滿足未來戰(zhàn)斗機全向態(tài)勢感知的發(fā)展需求。

（2）寬頻段隱身需求

未來戰(zhàn)斗機除采用前向隱身設計外，同時注重側向與后向隱身設計，而且采用更為先進的寬頻隱身吸波涂層，力圖實現寬頻全向隱身效果。

機載火控雷達天線作為載機平臺的強散射源之一，其對載機平臺總雷達截面積貢獻很大。對于隱身戰(zhàn)斗機而言，通常要求雷達天線RCS為載機平臺總雷達截面積的1/10以下。

機載火控雷達作為未來戰(zhàn)斗機的核心傳感器。未來戰(zhàn)斗機寬頻全向隱身能力提升一個數量級，必將對機載火控雷達天線寬頻段隱身性能提出更為嚴苛的設計要求。

（3）射頻隱身、抗干擾需求

現代戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，信息獲取、信息傳輸、信息處理與信息應用日益依賴于電磁頻譜，電磁頻譜的利用與控制已成為信息化戰(zhàn)爭的核心要素。

機載火控雷達作為電磁頻譜戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)對象，面臨的電磁作戰(zhàn)環(huán)境日趨復雜。機載火控雷達探測空間充滿種類繁多的敵方干擾、友鄰干擾、雜波干擾等各種電磁干擾，特別是來自敵方的綜合電子干擾，其頻率范圍不斷擴大、功率越來越強、樣式越來越多，對機載火控雷達構成了嚴重的威脅。

機載火控雷達為應對未來空天地海一體、高度網絡化智能化的協(xié)同交戰(zhàn)環(huán)境，必須充分利用低截獲探測技術手段提升射頻隱身性能以減小被敵方截獲的可能性，同時采用先進信號處理技術進一步提升機載火控雷達系統(tǒng)抗干擾能力。

（4）智能化探測需求

復雜多變戰(zhàn)場環(huán)境中，機載火控雷達不僅面臨著日益復雜的電磁環(huán)境，還面臨著山地、海洋、氣象等多種時變、非均勻雜波環(huán)境。面對復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，如何提升機載火控雷達探測性能是機載火控雷達技術發(fā)展的永恒需求。

傳統(tǒng)機載火控雷達被動式抗干擾、抗雜波設計理念和信號處理架構已無法適應未來戰(zhàn)場日益復雜的電磁環(huán)境、雜波環(huán)境。隨著智能化技術的興起，迫切需要將智能化探測技術引入機載火控雷達系統(tǒng)，從而實現機載火控雷達“環(huán)境自感知、處理自適應、能力自提高”。

（5）功能任務綜合化需求

未來戰(zhàn)斗機為了顯著降低航電系統(tǒng)重量（質量）、體積、功耗、成本，將采用兼具態(tài)勢感知、ECM、通信、導航、識別等多功能一體化綜合化射頻架構，要求機載射頻傳感器能夠在完備的物理空間和電磁空間內完成探測、對抗、通信等諸多功能。

傳統(tǒng)機載火控雷達工作頻帶較窄，主要完成雷達主動探測功能，兼具工作頻段內的輔助電子戰(zhàn)功能，其任務功能綜合化程度較低。

隨著超寬帶天線、超寬帶T/R組件、共形天線、智能蒙皮等技術的日趨成熟，機載火控雷達將高度集成ESM、ECM、高速數據鏈通信等功能，實現任務功能的深度綜合化，成為機載火控雷達技術發(fā)展的迫切需求。

（6）協(xié)同化探測需求

從體系化作戰(zhàn)概念的演進來看，現代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)模式將是空、天、地、海體系化協(xié)同作戰(zhàn)，其主要特點是利用協(xié)同化作戰(zhàn)網絡，實現陸、海、空、天多維作戰(zhàn)平臺的數據高度共享，極大地提高整個作戰(zhàn)體系的效能。

機載火控雷達作為整個協(xié)同化作戰(zhàn)網絡中的重要傳感器節(jié)點，不僅需要擁有出色的單雷達綜合探測性能，而且需要具備云協(xié)同探測能力，以提升網絡化協(xié)同作戰(zhàn)效能。

3機載火控雷達系統(tǒng)發(fā)展趨勢

作戰(zhàn)目標、環(huán)境、任務等諸多方面的快速演變，智能蒙皮、分布式相參、人工智能等新興技術的迅猛發(fā)展，共同促進并推動著機載火控雷達系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。

3.1集中式孔徑走向分布式孔徑

傳統(tǒng)的機載火控雷達天線一般采用集中式孔徑安裝于機頭頭錐處，受限于孔徑安裝方式與安裝空間，機載火控雷達探測空域、天線增益、功率孔徑積均受到限制。

為了滿足未來戰(zhàn)斗機隱身目標全向探測需求，進一步拓寬機載火控雷達探測空域、提升天線增益、增加功率孔徑積、推遠隱身目標探測距離，機載火控雷達天線孔徑安裝方式將由集中式孔徑走向分布式孔徑。機載分布式孔徑雷達示意圖如圖4所示，全機采用基于智能蒙皮的分布式孔徑布局，實現4π空間全向探測[15-19]。

3.2射頻功能向深度綜合化、軟件化發(fā)展

目前，機載火控雷達已實現工作頻段內天線共孔徑、雷達與電子戰(zhàn)功能的簡單綜合化，射頻功能綜合化程度較低。針對未來戰(zhàn)斗機航電架構的深度綜合化、一體化發(fā)展需求，不斷推動著機載射頻孔徑向寬頻段、數字化，射頻功能向綜合化、軟件化方向發(fā)展。射頻功能綜合化、軟件化示意圖如圖5所示。

3.3共形天線、智能蒙皮成為新核心

有源相控陣雷達的核心器件是T/R組件，目前，新材料、新器件、新工藝、新集成技術的廣泛應用，有源相控陣雷達T/R組件已實現由“磚塊式”向“瓦片”式超薄T/R的轉變。

隨著射頻微系統(tǒng)技術、高密度三維集成技術的日趨成熟，機載火控雷達天線、射頻前端將進一步朝著超寬帶化、微小型化、高效化、數字化等方向發(fā)展，共形天線、智能蒙皮將成為未來機載火控雷達系統(tǒng)的核心器件。

共形天線、智能蒙皮技術的飛速發(fā)展不僅能為機載火控雷達分布式孔徑布局奠定硬件基礎，也能夠在不影響載機平臺氣動性能的前提下提升未來機載平臺的全向隱身能力。共形天線示意圖如圖6所示，主要由輻射器、微波放大與控制組件、饋電網絡、控制與數據傳輸等組成。

3.4低可觀測、低截獲技術并重

機載火控雷達作為機載平臺主動探測的核心射頻傳感器，對敵方雷達隱身（低可觀測（LO））和對敵方電子戰(zhàn)射頻隱身（低截獲（LPI））同樣重要。

未來戰(zhàn)斗機更為嚴苛的寬頻段全向隱身性能要求，對雷達天線隱身設計提出了更高的需求。雷達天線低可觀測技術將是未來雷達發(fā)展的重點方向。針對智能蒙皮天線的隱身設計有別于傳統(tǒng)集中式孔徑隱身天線設計，重點關注超寬帶共形隱身結構設計、超寬帶二維散射抑制表面、超材料等隱身技術，頻選柔性超材料示意圖如圖7所示。同時，機載火控雷達面臨未來日趨嚴峻的電磁頻譜戰(zhàn)，射頻隱身能力的重要性日益凸顯。機載火控雷達低截獲技術也將是未來技術發(fā)展重點，需要重點關注超低副瓣天線、低截獲波形、空時頻極化能量自適應管理等技術。

3.5智能化信號處理、綜合化目標識別技術是熱點

機載火控雷達面臨的作戰(zhàn)環(huán)境越來越復雜多變。如何在復雜多變的干擾雜波環(huán)境中實現目標精確檢測、跟蹤、識別，將是未來機載火控雷達發(fā)展迫切需要解決的技術難題。人工智能、大數據在各領域的深入研究，為改善機載火控雷達復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的目標檢測性能提出了新的思路和解決方法。機載火控雷達智能化信號處理示意圖如圖8所示。

智能化信號處理，采用環(huán)境匹配自適應波形并與探測環(huán)境匹配的智能化信號處理、綜合化目標識別技術將成為機載火控雷達技術研究熱點[20-30]。

3.6云協(xié)同、云融合、云控制將是未來發(fā)展趨勢

作戰(zhàn)云作為未來作戰(zhàn)體系的嶄新形態(tài)，通過云技術高度共享陸、海、空、天多維作戰(zhàn)數據，使各種作戰(zhàn)要素匯集成云，增強情報信息共享，促進作戰(zhàn)效能提升。云協(xié)同探測示意圖如圖9所示。

機載火控雷達作為云協(xié)同探測傳感器節(jié)點，既向云端提供信息，也從云端獲取信息，目標探測跟蹤數據在云端實時共享，融合成火控級的目標航跡。未來機載火控雷達將采用開放式系統(tǒng)架構，動態(tài)接入作戰(zhàn)云，充分共享機載系統(tǒng)信息與資源，實現云協(xié)同、云融合、云控制。

4結束語

軍事需求、裝備發(fā)展以及技術進步，促進了機載火控雷達技術高速發(fā)展。機載火控雷達有源相控陣技術、數字陣列雷達技術已逐步走向成熟，并得到了廣泛應用。目標、環(huán)境、任務以及新興技術，是促成機載火控雷達體制、理論和技術不斷發(fā)展演變的四大外部因素。

隨著第四代隱身戰(zhàn)斗機的服役、第五代戰(zhàn)斗機的研制，以及作戰(zhàn)環(huán)境的日益復雜，機載火控雷達面臨隱身目標全向探測、寬頻段超隱身、射頻隱身、抗干擾等新的發(fā)展需求。智能蒙皮、分布式、射頻綜合一體化、智能化信號處理、云協(xié)同等技術將是未來機載火控雷達技術發(fā)展與研究的熱點。

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（責任編輯皮衛(wèi)東）

Development Trend Analysis of Airborne Fire-Control Radars

Cao Lanying，Dong Ye，Guo Weina

AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute，Wuxi 214063，China

Abstract： Airborne radars serve as the core sensors of the airborne platforms to obtain target and environmental information. Airborne radar systems have gone through the development history of pulse radar， pulse Doppler radar， phased array radar and digital array radar. Targets， environment， missions and emerging technologies are important external factors that contribute to the continuous development and evolution of airborne radar systems theories and technologies. Through in-depth research on the development status of airborne radars， we summarize the development advantages of active phased radar and digital array radar， analyze the new development needs of airborne radars such as omnidirectional detection of stealth targets， wide-band super stealth， RF stealth and antijamming. Technologies such as smart skinning， distributed aperture coherence， integrated sensor system and intelligent signal processing will be new hot spots in the development of airborne fire-control radars. The future development trend of airborne fire control radar is explored that can provide reference for the research of airborne fire control radar technology.

Key Words： airborne fire-control radars； smart skinning； distributed aperture； integrated sensor system； intelligent signal processing