相控陣機載雷達，受訪人：賁德，本文為《航空知識》雜誌供《新浪軍事》獨家稿件。
基本介紹
- 中文名：相控陣機載雷達
- 受訪人：賁德
- 採訪人： 闞南
- 責任編輯：寒蘭
機載雷達概述,機載雷達簡介,
機載雷達概述
聲明：本文為《航空知識》雜誌供《新浪軍事》獨家稿件。未經許可，請勿轉載。
受訪人：南京航空航天大學信息科學與技術學院院長、中國工程院院士 賁德
採訪人：本刊記者 闞南
從第二次世界大戰期間誕生的第一部機載雷達，到今天裝備在新型戰鬥機上的有源相控陣雷達，機載雷達已成為發展空戰能力的重要技術裝備，它的性能是否卓越往往比戰機本身的性能更能決定空戰的勝負。
賁德院士，長期從事雷達系統的研究設計與開發。從20世紀60年代起，在相控陣雷達課題研究中，作為主要技術負責人之一，研製成功遠程預警相控陣雷達，突破了當時屬尖端技術的相控陣雷達體制，促進了雷達技術的進步。從1985年起先後主持了機載PD火控雷達體制樣機、全波形PD雷達的研製工作、機載相控陣火控雷達的研製工作，這些項目的研製成功及裝備使用，大大提高了我國軍用飛機的作戰能力，並產生了巨大的社會和經濟效益。
機載雷達簡介
機載雷達70年
記者：我們知道，機載雷達是安裝在飛機上的各種雷達的總稱，它已成為現代防空體系的重要組成部分。請您給我們簡單介紹一下機載雷達的發展歷程。
賁德：世界上第一部機載雷達1937年誕生在英國，被套用於空/海監視，同時期也出現了用於空/空探測與定位截擊雷達。
20世紀40年代，英國發明了磁控管，為機載雷達跨入微波波段創造了重要的條件，使雷達能在厘米波段工作。英、美的國際合作使雷達技術與生產迅速取得成效。美國在40年代研製成功了SCR-520、SCR-720等截擊雷達。
50年代，雷達理論有了重大進展，單脈衝、相控陣、合成孔徑、脈衝都卜勒(PD)概念的提出，匹配濾波理論、檢波統計理論的建立及脈衝壓縮等新技術的出現為研製新型雷達奠定了理論基礎。1953年研製成功波馬克飛彈的高脈衝重複頻率PD雷達飛彈頭，1959年研製成功NASSAR系統的機載單脈衝火控雷達。
60年代，柵控行波管在美國問世，微電子器件的出現和數位技術的進步，大大促進了機載雷達技術的進步，為機載雷達小型化起了重要作用。不同型號的PD火控雷達研製工作同時開展，機載相控陣雷達的研製工作，也在深入進行，開展了MERA(微電子用於雷達)計畫。在此期間研製成功了AWG-9(安裝於F-14戰鬥機)火控雷達。
70年代，研製成功多種PD火控雷達，APG-66(F-16)、APG-65(F-18)、APG-63(F-15)。機載相控陣雷達領域進行了第二階段工作，即開展了RASSR(可靠的機載固態雷達)計畫，研製了具有1048個T/R組件的有源陣列，驗證有源陣列的可靠性。多功能和數位化是新一代火控雷達的特點。
80年代，PD火控雷達處於日臻成熟階段，為F-16飛機研製成了更為先進的APG-68火控雷達。另外，利用新器件和新技術改進了原有火控雷達，出現了APG-71(AWG-9的改進型)，APG-70(APG-63的改進型)。在機載相控陣雷達方面開展了SSPA(固態相控陣)計畫，研製了一個2000單元的陣列，驗證了功率效率和經濟上的可行性。
90年代，成像技術在機載火控雷達中廣泛套用，機載相控陣技術取得重大進展並進入實用和裝備階段。從這個年代開始了機載航空電子系統綜合化發展的新階段。其中F-22飛機最具代表性。它裝備了90年代研製成功的有源相控陣火控雷達APG-77，代表著機載火控雷達的發展方向。同時在F-22上進行了“寶石柱”(pave PILLAR)計畫，引出了綜合航空電子設備概念。
歸納起來，國外機載火控雷達的發展大體上可分為四個階段：測距機、脈衝雷達、脈衝都卜勒雷達及相控陣雷達。
記者：那么，我國在這方面的發展情況又如何呢？
賁德：我國機載火控雷達的發展經過了由低級向高級，由仿製到自行研製的發展過程。20世紀50年代仿製蘇制的測距機，60年代開始自行研製單脈衝火控雷達，70年代自行研製的機載雷達投入使用，並開始了PD火控雷達和相控陣火控雷達的研究工作，進行理論準備。80年代PD火控雷達完成體制樣機研製，突破PD體制，相控陣進行課題研究。90年代開展多個型號的PD火控雷達研製，目前技術已經成熟，並廣泛套用於各種戰鬥機上。相控陣課題也取得較大進展。
記者：您剛才講到，機載雷達目前發展的最高階段是相控陣雷達。什麼是相控陣？
賁德：雷達在搜尋目標時，需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統方法是轉動天線，使波束掃過一定的空域、地面或海面，稱為機械掃描。把天線做成一個平面，上面有規則地排列許多個輻射單元和接收單元，稱為陣元。利用電磁波的相干原理，通過計算機控制輸往天線各陣元電流相位的變化來改變波束的方向，同樣可進行掃描，稱為電掃描。接收單元將收到的雷達回波送入主機，完成雷達的搜尋、跟蹤和測量任務。這就是相控陣技術。利用相控陣技術的雷達稱為相控陣雷達。由於改變電控移相器的相位可在瞬間完成，因而可實現在瞬間改變天線波束指向，這種無慣性的波束掃描，賦予相控陣雷達許多卓越的特性。與機械掃描雷達相比，相控陣雷達的天線無需轉動，波掃描更靈活，能跟蹤更多的目標，抗干擾性能好，還能發現隱形目標。
相控陣雷達分有源和無源兩種。有源相控陣是指在天線陣中每個天線單元下面都連線一個T/R組件，T/R組件中不僅有移相器，而且還包含有對射頻信號進行功率放大的功率放大器，對回波信號進行放大的低噪聲放大器(LNA)、可變衰減器、控制開關等。而無源相控陣雷達則是使用統一的發射機和接受器，外加具有相位控制能力的相控陣天線組成，天線本身不能產生雷達波。
記者：目前國際上有一種說法，稱有源相控陣雷達的研製帶來了新世紀機載火控雷達的革命。您如何看待？
賁德：這要從有源相控陣雷達的發展談起。自20世紀50年代末相控陣雷達問世以來，相控陣雷達技術在地面雷達和艦載雷達中得到廣泛套用。但遲遲未能在機載雷達中套用，這主要是受體積重量的限制及器件性能和成本的制約。
美國早在1964年就開始了機載有源相控陣的研究工作，開展了微電子用於雷達(MERA)計畫，研製了一個604單元的有源陣列。一直到20世紀90年代，代表機載火控雷達發展方向的有源相控陣火控雷達APG-77才研製成功；在歐洲，英國、法國和德國在聯合研製機載多功能固態陣列雷達(AMSAR)，將用於法國的“陣風”戰鬥機和歐洲聯合戰鬥機的研製計畫中；另外，日本、俄羅斯和以色列也都在研製機載有源相控陣火控雷達。
記者：為什麼這么多國家都紛紛投入到研製有源相控陣雷達的行列中來？它有哪些卓越的性能？
賁德：首先是它的射頻功率效率高。在機械掃描雷達中，發射機產生的射頻功率經饋線網路送到天線陣面輻射出去，收、發雙向產生的射頻損耗一般要有5分貝以上。在有源相控陣天線中，T/R組件緊挨著天線單元，T/R組件中的功率放大器和天線單元間的損耗及天線單元和T/R組件中的低噪聲放大器間的損耗可以忽略不計，這對提高雷達探測性能的作用是明顯的。
其次，具有多功能性。由於相控陣天線波束控制的靈活性，使雷達能以時分割的方式實現多功能，可同時跟蹤多批目標，一部雷達可以達到幾部機械雷達的功能。它能邊掃描邊跟蹤(與機械掃描的TWS概念不同，搜尋和跟蹤在時間上和空間上分別是獨立的)，同時跟蹤多批目標。在完成空空功能的同時，還可實現空/地、信標等功能，這是機械掃描雷達無法做到的。
第三，可提高探測和跟蹤能力。由於波束指向靈活可控，可以根據需要確定射頻能量在觀察空域中的分配，在有可能出現目標的方向上，集中能量，增大發現目標的距離。可根據目標的性質，決定波束在目標上的駐留時間，改善跟蹤穩定性。還可採用序列檢測的方法改善探測性能。
第四，具有形成不同形狀波束的能力。因為相控陣天線口徑上的相位和幅度分布是可控的，所以可以根據需要形成不同的波束，如針狀波束、寬波束、扇形波束和餘割平方波束等。還可以實現自適應波束，在存在干擾的方向上，形成零點，以抑制有源干擾，使雷達工作更有效。
第五，具有極高的可靠性。在有源相控陣雷達中，去掉了可靠性差的大功率行波管發射機，取消了易出故障的機械旋轉部件，使雷達系統可靠性大幅度提高。更重要的是天線陣是多路並行工作，T/R組件非常可靠，即使個別組件出故障，對雷達系統性能的影響並不明顯，即具有故障弱化功能。就是60%的組件發生故障，雷達系統仍可保持高性能工作；30%的組件失效，雷達性能下降3分貝。諾斯洛普·格魯曼公司的工程師認為有源相控陣雷達能很好地有效運行數年。Raytheon公司認為APG-79雷達的嚴重故障間隔平均時間可超過15000小時，並聲稱其相控陣天線可能在10~20年內無需維護。
第六，雷達隱身性能好。雷達具有較低的雷達截面積(RCS)，起到隱身作用。原因是：天線以電掃描代替了機械掃描，去掉了對電磁波反射大的天線座及傳動裝置；相控陣天線在工作時不轉動，這有異於機械掃描天線面總是垂直於波束指向方向，因而降低了入射方向的電磁波的反射，致使RCS降低。相控陣雷達易於實現能量管理，再加上天線陣的低副瓣性能，因而，相控陣雷達具有低截獲機率和隱身能力。
第七，相控陣天線可以分成子陣多路並行工作，為時空自適應信號處理提供了條件，因而能實現對地面慢速目標的監測。
基於這些優點，所以我們可以說，有源相控陣雷達的研製標誌著機載火控雷達進入了新時代。
記者：據了解，美國一直在研究有源相控陣雷達在未來戰爭中的作用，並且已經開始在新一代戰鬥機上安裝該系統，而其他國家這方面的有關報導還沒有看到。
賁德：由於有源相控陣雷達具有機械掃描雷達不可比擬的優越性，技術上一旦突破，立即就會被多種戰鬥機所採用。目前，世界上只有美國將這一技術實用化。
APG-77裝備F-22戰鬥機已投入使用，裝備F-35的APG-81正在進行飛行試驗，F-15C、F-16C/D和F/A-18E/F已從裝備機械掃描雷達升級為裝備有源相控陣雷達。
美軍部分戰機火控雷達演變情況(紅色為有源相控陣雷達)
70年代80年代90年代當前
F-15C APG-63 APG-70 APG-63(V)2
F-16C/D APG-68 APG-80
F/A-18E/F APG-65 APG-73 APG-79
F-22 APG-77
F-35 APG-81
有源相控陣雷達開闢了機載火控雷達的新時代。作為21世紀的新一代裝備，它們將被大量生產。
美國計畫生產情況
採用有源相控陣火控雷達後，目標探測性能、目標容量、可靠性都大為提高。以F/A-18飛機的火控雷達為例，APG-79與APG-73相比，對空中目標的探測距離前者為後者的3倍，探測和跟蹤的目標數量為2倍，可靠性為5倍，而工作和維護成本僅為40%。
更高的技術要求
記者：隨著技術的進步，未來對機載雷達的發展有哪些更高的要求？
賁德：由於軍事上的需求，在第二次
世界大戰中誕生了機載雷達，此後的技術進步又促進了機載雷達的高速發展。機載雷達的未來，當然也取決於需求牽引和技術推動。客觀要求使機載火控雷達面臨許多新的挑戰，隱身飛機的出現，要看的目標變小了；電子戰技術的不斷進步，使其所處的電磁環境更為複雜；如何使雷達更適合裝機要求；雷達如何更可靠等等，都對未來機載火控雷達提出了更高的要求。
主要要求有：威力大，可先敵發現，掌握戰場主動權，能對付隱身目標；對空、地功能更完善；在戰爭環境下生存能力強；體積小、重量輕，適於不同平台結構形式的安裝；更高的可靠性。
記者：根據這些要求，機載火控雷達的技術發展趨勢有哪些？
賁德：根據對機載火控雷達的高要求，未來的機載火控雷達要採用更多的先進技術。同時也應該看到，基礎工業的進步也為雷達性能的提高創造了條件。新材料、新器件、新工藝的出現將為研製出性能更優良的雷達發揮巨大作用。
主要技術發展趨勢：1、共形天線技術。欲使雷達具有大的威力和高的角解析度，就需要大的天線。但大的天線在飛機上安裝又成了問題，機頭空間有限，背在機背上影響飛機的氣動性能。比較好的解決辦法是把天線和機身融合在一起，把天線潛入飛機蒙皮內，即所謂的“敏感蒙皮”，這是今後要研究的課題。
2、雙/多基地工作方式。這是一種多機聯合工作方式，一架飛機提供射頻大功率照射，目標回波則由處於無源工作狀態的戰鬥機雷達所接收，這種工作方式的好處是有利於抗干擾，避免反輻射飛彈攻擊，更有意義的是這種工作方式有利於對隱身目標的探測。
3、無源探測工作方式。雷達發射機不工作，由接收機接收目標的電磁輻射，測到的目標信息與載機自身的運動軌跡參數進行數據處理，可獲得目標的坐標參數及運動軌跡。
4、時空自適應處理技術有效地從雜波和干擾背景中提取有用的目標回波信息。
5、多功能共用孔徑天線。超寬頻陣列天線可使雷達、電子干擾(ECM)、電子支援(ESM)、通信、導航等功能一起實現。
6、光控技術。為了提高距離解析度，要求雷達信號頻寬不斷加大，當前X波段信號頻寬可達1吉赫茲(GHZ)，對應的信號脈衝寬度為0.001微秒。此時，如果天線的口徑相對較大，在大角度掃描時，口徑的渡越時間可能大於信號脈寬，相控掃描技術受到限制。而要用延時掃描技術或稱實時掃描技術，需要用光纖做可控延遲線。另外，微波信號的傳輸和分配也可用光纖完成。
7、寬禁帶半導體器件的套用。寬禁帶半導體材料由氮化鎵、碳化矽和鋁鎵氮組成，用這些材料做成的器件具有結溫高(可達600°C)、效率高(高達50%以上)、極高的功率密度(比砷化鎵提高10倍)、高的擊穿電壓(可達50V)。對於雷達工程師，這些指標可謂是大喜訊，可大大減輕T/R組件和雷達系統設計上的壓力。
8、微電子機械系統(MEMS)技術的套用。在相控陣天線中，MEMS可用於移相器和開關中，MEMS的優點是具有極寬的頻帶，插入損耗小、驅動功率小、成本低、重量輕，對改進相控陣天線的性能具有非常重要的意義。
9、“瓦片”形式的T/R組件。從結構形狀上T/R組件可分為“磚頭”狀(長條形)和“瓦片”狀(薄片形)兩種。當前有源相控陣天線所用的T/R組件為長條形，而今後要發展共形陣，特別是要研製“敏感蒙皮”這樣的相控陣天線，薄片形的T/R組件將是關鍵技術。就是把薄片形的T/R組件用於通常的陣列，這會帶來減小體積和減輕重量的好處。要研製薄片形T/R組件，要涉及新工藝的採用和新的設計方法，會有諸多技術問題要解決。
總的說，有源相控陣已成為成熟可用的技術，它具有機械掃描雷達不可比擬的優越性，是現代機載火控雷達的發展方向。隨著技術進步的推動和實際需求的牽引，有源相控陣機載火控雷達將會採用更多的新技術、新材料、新器件，雷達的性能也會提升到更高的水平。
責任編輯：寒蘭
