美国防空反导系统中雷达新技术发展及应用研究

2019-01-14 15:14 航天防务

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经过多年发展，美国部署了遍布全球的预警探测装备。面对导弹技术的扩散、五代机的入役和高超声速武器等新威胁的出现，美军的防空反导系统面临着日益严重的威胁，长期以来难以解决的目标识别难题也更加严重。为进一步提升探测跟踪及目标识别能力，增强防空反导系统的作战能力，美国近年来从雷达新体制、新器件等多个方面，加大雷达新技术的研究力度。目前已开始将一些技术应用于雷达型号的研制与生产中。

一美国防空反导雷达部署情况

导弹预警雷达和天基红外预警卫星是美军主要防空反导预警装备。由于美军全球部署、海外驻军及全球游弋的军舰均有防空反导需求，所装备的“爱国者”系统雷达、“萨德”（THAAD）系统雷达、“宙斯盾”系统雷达等也成为美军防空反导预警系统的重要组成部分。

目前，美军导弹预警雷达主要包括固定阵地的升级型“早期预警”雷达（UEWR）、“铺路爪”（PAVW PAWS）雷达、丹麦“眼镜蛇”雷达，以及可在海上移动部署的海基X波段雷达（SBX）、前置型X波段雷达AN/TPY-2、巡洋舰和驱逐舰装备的“宙斯盾”系统雷达AN/SPY-1、陆军“爱国者”系统雷达AN/MPQ-53/65等。其中，“早期预警雷达”、“铺路爪”雷达和丹麦“眼镜蛇”雷达工作在P波段和L波段，由于其频率低、带宽窄，不具备目标识别能力。AN/TPY-2雷达对来袭弹头的识别距离有限，主要用于跟踪早期飞行阶段的导弹。“宙斯盾”系统的AN/SPY-1雷达工作在S波段，“爱国者”系统的AN/MPQ-53/65雷达工作在C波段，频率低且作用距离有限，用于对拦截弹的末段制导。海基X波段雷达是具有高分辨能力的大型雷达，最初建造目的是用于试验，因此其不具备作战系统所需的可靠性和实用性，且雷达波束角度范围（即电子视场，FOV）只有25°，限制了雷达处理呈大角度分开的多目标的能力。因此，美国防空反导系统利用现有雷达收集目标数据进行目标识别的能力尚有欠缺。

美军目前主要依靠X波段雷达解决防空反导系统目标识别的问题。2012年以来，美国相继提出多项方案，以改善对来袭导弹的目标识别问题，主要包括：在“早期预警”雷达附近部署“堆叠式”AN/TPY-2雷达；在“早期预警”雷达附近部署X波段非相控阵雷达；将夸贾林靶场的GBR-P雷达样机升级后部署至东海岸；以及新建S波段远程识别雷达（LRDR），部署在阿拉斯加州克利尔空军基地。

二美国雷达新体制技术发展现状

为解决识别能力、成本、技战指标等不足，美国国防部门和防务公司发展了一系列雷达新技术。通过梳理近年来美国国防部门、军工企业在雷达新技术领域的发展，从雷达新体制、雷达新器件与新材料、雷达前沿技术等角度，研究雷达新技术的发展现状。研究重点如下表所示。

表1 美国防空反导雷达新技术梳理

在雷达新体制方面，美国重点研究了数字阵列雷达技术，多输入多输出（MIMO）雷达与分布式相参合成孔径雷达技术，雷达自适应技术与认知雷达，频谱共享与雷达综合射频技术等。

发展数字阵列雷达技术，提升雷达多功能和小目标检测能力

数字阵列雷达（DAR）是发射和接收波束均采用数字波束形成（DBF）技术的全数字阵列扫描雷达，通过在数字域对发射/接收信号进行幅相加权来形成所需波束。该具有超低副瓣、多功能、小目标检测能力强、低截获概率、易于实现软件化和宽角度扫描等优点，可用于搜索、监视、目标跟踪、火控、天气监测等各种应用。

目前，美国陆军、海军都发展了数字阵列雷达技术。2010年，美国陆军通信电子研究、开发与工程中心启动美国陆军数字阵列雷达项目，旨在验证如何运用宽带隙半导体技术、高度集成收发器以及性能不断增长的商业数字组件生产高性能、低成本的相控阵雷达系统；2006年，美国海军研究生院提出“反导反隐身机会数字阵列雷达”概念，旨在以数字阵列技术为基础，以机会阵和孔径结构技术为核心，研究具有多种工作模式的新体制反导反隐身雷达，以用于新一代朱姆·沃尔特级驱逐舰。2014年2月，雷声公司获得合同用于设计灵活分布式阵列雷达(FlexDAR)，重点开发数字天线，用于雷达、通信和电子战发送和接收射频信号。2017年，世界首部采用大孔径子阵级数字阵列技术的S波段舰载防空反导雷达AN/SPY-6在夏威夷成功完成3次实弹拦截测试，进入低速率初始生产阶段。

发展MIMO雷达与分布式相参孔径处理技术，提升雷达目标探测威力

MIMO雷达是一种多通道发射、多通道接收的全新雷达技术体制，是雷达组网的最高层次，其能够增大功率孔径积，提高对目标探威力，提高对隐身目标探测的效能，具有优良的抗摧毁、抗干扰性能和目标识别能力，可用于构建岸基预警雷达系统，远距离微小目标以及机载/星载动目标的检测等。该技术得到了美空军的高度重视，并取得了一系列进展。

分布式相参合成孔径雷达是将若干部（设为N部）机动式单元雷达进行信号级合成处理，实现N3信噪比增益（MIMO雷达只能获得N2信噪比增益），等效形成一个大威力的机动式雷达，满足大威力、高精度探测与机动灵活部署等需求。

发展雷达自适应对抗技术与认知雷达，提升雷达电子战能力和智力化水平

雷达自适应对抗技术是可识别敌方未知雷达系统的信号特征，利用实时生成的对抗措施进行电子干扰，并可进行效果评估的一种电子战技术。2012年7月，美国防高级研究计划局（DARPA）启动自适应雷达对抗（ARC）项目，旨在开发一种新型电子战能力，有效识别敌方不断变化和不清晰的雷达信号，并快速采用有效手段对其进行干扰。ARC技术将采用一种开放的结构，允许软件模块插入、修改和删除，且对系统的其他部分影响很小。算法和信号处理软件与新的电子战系统兼容，可以在不改造前端射频硬件的情况下改造现有电子战系统。ARC项目分为3个阶段，研发周期为5年，重点进行算法开发和部件级测试，系统开发，研制一个实时自适应雷达对抗样机，并进行飞行测试。该技术代表了未来电子战的发展方向，可大幅提高战场态势感知能力，有效增强空中作战平台的即时响应能力。2014年11月和2016年7月，DARPA先后与BAE系统公司签署合同，用于ARC项目的第二、三阶段。BAE系统公司计划2018年推出ARC样机。

认知雷达是具有感知周围环境能力的智能、动态的闭环雷达系统，可实现对外界环境的连续感知，能根据目标情况综合各类先验知识，实时智能化调节发射波形，并且雷达在发射、环境和接收之间形成一个闭环系统。目前，国外在认知雷达领域的研究处在基础研究阶段，主要集中在认知雷达架构、环境感知、认知发射、发射杂波抑制、杂波预测、认知系统模块等研究方面。2014年，美国研究人员阐述了一种具备完全自适应发射/接收的认知雷达架构，提出应用“感知-学习-适应”（SLA）方法实现雷达环境感知，并首次提出正交多输入多输出波形技术对高度非平稳杂波预测的适用性。

发展雷达综合射频技术，提升雷达多功能水平

现代化体系作战要求作战平台的载荷具有雷达、电子战、通信等多种射频功能。为此，美军近年来开展了多个雷达综合射频项目。

表2 美军雷达综合射频项目

（1）DBR雷达

DBR雷达是为DDG-1000驱逐舰研制的雷达，由洛克希德·马丁公司的AN/SPY-4体搜索雷达（VSR）和雷声公司的AN/SPY-3多功能雷达（MFR）综合而成，两部雷达的后端综合由雷声公司负责。

DBR同时工作于两个电磁频段，首次实现了用一个资源管理器协调两个频率的操作。能够在波形级对任一部雷达进行控制，对两个频段进行综合优化利用，使雷达时间线的使用达到最大化；还可根据需要增加搜索和跟踪重访率，从而改善航迹相关处理能力，提供精确的威胁跟踪，并减小对电子攻击的敏感性。

（2）AMDR雷达

AMDR雷达由X波段雷达、S波段雷达以及一个雷达套件控制器（RSC）组成。雷达套件控制器为2部雷达提供接口，协调和管理2个不同的雷达，使AMDR作为一个整体有机工作，从而保证AMDR雷达在反导、防空及海面战等不同角色中快速转换。

AMDR概念图

未来AMDR可能要增加电子攻击能力，该功能可能使用基于大功率氮化镓的有源电子扫描阵列（AESA）来执行完成。

（3）DARPA的雷达和通信共享频谱计划

DARPA的雷达和通信共享频谱（SSPARC）计划旨在提高雷达和通信共享频谱的能力。雷达和通信共享频谱计划旨在支持两种类型的频谱共享：军用雷达和军用通信系统（军用/军用共享）之间频谱共享；军用雷达和商业通信系统（军用/商业共享）之间频谱共享。

第一阶段对宙斯盾系统中的AN/SPY-1雷达和AN/TPS-80雷达进行了研究，运用仿真和分析手段验证在保证雷达和通信系统性能的同时，频谱共享是否具有可行性。2015年3月，DARPA寻求第二阶段工作计划书，重点关注2~4GHz间的S波段。在雷达研究方面使多功能雷达实现空中监控、空中跟踪、非合作目标识别并且同时对天气进行监测。通信系统研究将重点关注军用移动自组网（MANET）和商用小型基站宽带。

（4）DARPA举办首个智能频谱协作挑战赛

2016年3月，DARPA官员在国际无线通信博览会上公布“频谱协作挑战赛”（SC2），旨在确保数量成指数级增长的军用和民用无线电设备能够充分使用日益拥挤的电磁频谱。

DARPA计划建造名为“罗马斗兽场”的无线试验台，为下一代无线电系统评估频谱共享策略、战术和算法。SC2项目分为三个阶段，每个阶段为期一年，从2017年开始，2020年初结束。DARPA希望以此加速机器学习技术的研发，在时间尺度上实时共享频谱。2017年12月，30支竞争团队在约翰·霍普金斯应用物理实验室参加了频谱协作挑战赛初赛。2018年12月12日，15支团队参加了频谱协作挑战赛（SC2）的第二轮初赛，参赛团队通过了六种不同的射频场景，这些场景旨在模拟协同自主无线电将在现实世界中面临的挑战。此轮比赛过程中自主协同第一次超越了目前的频谱管理水平。

三美国雷达新器件与新材料技术发展现状

随着宽禁带半导体器件和多种超材料技术的发展，雷达技战指标将出现质的飞跃。氮化镓（GaN）器件作为宽禁带半导体器件的代表，其技术发展已趋于成熟，并开始在美军多个新型号研制和旧型号改造中得到广泛应用。超材料随着技术成熟也将在多种军用电子系统中得到越来越广泛的应用。

发展氮化镓器件技术，实现雷达高性能和低成本

氮化镓材料具有宽带隙、大电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温，抗腐蚀、耐辐照，以及工作频带较宽等优点，适合制作高频、高效率、耐高温、耐高电压的大功率微波器件。氮化镓微波器件具有高击穿电场强度、高截止频率、良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点，能够提升有源相控阵雷达收/发（T/R）组件性能；提高雷达的工作频率、工作带宽和瞬时信号带宽；提高放大器的输出功率和功率密度；使雷达的发射链路同时具有连续波、线性调频、脉冲、饱和以及宽带等工作能力；提高发射链路的总效率；获得低损耗高增益的限幅保护接收链路；提高抗辐射能力等。

DARPA已逐步将氮化镓器件与电路模块应用于各种商用系统，包括雷达、智能武器、电子对抗和通信系统等。2010年底，DARPA先后启动了两个项目：一是“下一代氮化物电子”（NEXT）项目，旨在研究可工作于500吉赫的氮化镓单片微波集成电路（MMIC）和混合信号集成电路；二是“微尺度功率转换器”（MPC）项目，拟研究先进射频超快大功率直流氮化镓开关器件。

雷声公司开发出“将砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或氮化镓（GaN）材料的射频器件与高密度硅互补型金属氧化物半导体器件（CMOS）逻辑功能，集成至通用硅衬底”的技术，提升了射频电路的功能与数字能力，比传统的独立射频和逻辑芯片的成本有所减少。雷声公司还演示验证了世界首个集成氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）和硅CMOS设备的MMIC。氮化镓基MMIC的功率、效率和带宽性能卓越，能同时实现高性能和低成本。氮化镓基射频放大器的输出功率密度比砷化镓基器件高5倍，能使雷达提升50%的作用距离，或在相同时间内增大5倍搜索空间体积。

发展超材料技术，提升未来天线性能

超材料可用于导弹、机体、船体和车体等表面，实现宽频、超薄隐身；可用于雷达罩，实现带内高透波和带外高截止；还可制作小型超轻的宽频天线。

近年来，超材料技术在隐身、军用天线等应用领域取得突破性进展。2014年4月，英国BAE系统公司和伦敦玛丽女王学院研制出一种新型超材料平面天线，利用超材料平面汇聚电磁波的特性，替代了传统天线的抛物面反射器或球形“镜头”，实现了天线减重、小型化和带宽扩展、信号增强。2017年，美国杜克大学用超材料制造出一种合成孔径雷达，这种超材料由众多微小的电子元件组成周期性结构，每个电子元件都和电磁场相互作用,使得雷达能够精确地控制辐射方向图，性能更加灵活高效。

四美国雷达前沿技术发展现状

雷达前沿技术领域主要包括量子雷达技术、太赫兹技术等。

发展量子雷达技术，提升雷达反隐身抗干扰能力

量子雷达技术是将量子信息技术应用于雷达信号的生成、发射、接收和处理的技术。量子雷达技术通过采用量子力学原理，有望提高雷达系统对目标的探测能力，可用于探测低可探测目标的武器系统及空间探测等领域，并为反隐身提供了一种全新的技术发展途径。与传统雷达相比，量子雷达具有高分辨率，探测距离远，灵敏度高，体积小、功耗低、抗干扰能力强和易于成像等显著特点。鉴于其强大的反隐身抗干扰能力，美国海军、陆军都进行了量子雷达研究。量子雷达的理论已经成熟，但受关键技术及器件的限制，技术与实践研究仍处于探索阶段。

2012年12月，美国罗切斯特大学光学研究所披露了利用量子增强型激光雷达，对隐身目标进行探测的试验情况。这次试验证明量子雷达不仅能探测到隐身飞机，还能探测具有欺骗能力的隐身飞机。这是世界上首次应用量子理论研制成功的量子成像雷达系统。2015年，德国亚琛大学、美国麻省理工、英国约克大学组成的联合团队首次创造性提出了一种微波量子雷达系统形态。为量子雷达技术从光频段转入更适合目标监测的微波波段提供了全新方案。

2018年4月，加拿大滑铁卢大学量子计算研究院成功研制出一种新型量子雷达，能够在大幅降低复杂背景噪声干扰的同时剥离探测目标，可有效探测隐身飞机和隐身导弹。

发展太赫兹技术，发掘导弹预警能力

20世纪80年代末，各国开始加大对太赫兹技术的研究力度。经过20多年的发展，大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术的研究取得了关键性突破，太赫兹技术已应用于环境检测、生物医学以及天文物理学等领域，未来在军事通信、战场侦察、精确制导、反隐身、电子战等军事领域也有广阔的应用前景。