机载有源相控阵

作者: 新闻资讯  发布:2019-09-07

从上世纪60年代开始,历经40余年的努力,有源电子扫描阵,通常也称为有源相控阵技术,终于在机载雷达上取得了成功的应用。在美国国防部国防科学委员会主席的一份关于发展美国军用机雷达的建议报告中,特别强调了有源相控阵技术可以极大地扩展雷达的功能和提高雷达的性能, 21世纪美国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达都应是AESA体制的。事实上,除了F-22和F-35等新一代战斗机都毫无例外地装备AESA雷达外,美国对第三代现役战斗机、轰炸机、预警和监视飞机的AESA改进都已列入计划,并得到了相应的财政支持。业内一种普遍的观点认为:从现在起再过十年,不掌握AESA雷达制造能力的厂商将没有立足之地。除美国之外,俄国、法国、德国、荷兰、瑞典、英国、以色列等西方国家也正在这一技术领域进行广泛的合作开发和大量的资金投入。近50多年来,机载雷达不断注入新的技术成果,性能大幅度提高。新技术是提高雷达探测能力的原动力。在单脉冲跟踪体制未获使用前,圆锥扫描体制的雷达很难对付敌方施放的角度欺骗干扰;没有相参体制的脉冲多普勒雷达,就无法对付借着强大的地杂波掩护的低空入侵的飞机和导弹;没有频率捷变体制的雷达,就很难同现代战争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡。相控阵技术是近年来正在发展的新技术,它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。进入上世纪80年代,机载相控阵雷达才初获应用。先进的机载有源相控阵雷达是近期,即本世纪初才进入服役。AESA的成功应用是对传统机载雷达的一次革命,它极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性能,进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。采用AESA技术的机载雷达将会至少在以下方面实现巨大的性能突破。 ●雷达作用距离大幅度增长:由于AESA雷达T/R模块中的射频功率放大器同天线辐射器紧密相连,而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器,这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去,使得加到处理器的信号更为"纯净",因此,AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷达大为减少。 ●解决了可靠性的瓶颈问题:由于信号的发射和接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成,因此少数单元失效对系统性能影响不大。试验表明,10%的单元失效时,对系统性能无显著影响,不需立即维修;30%失效时,系统增益降低3分贝,仍可维持基本工作性能。这种"柔性降级"(graceful degradation)特性对作战飞机是十分需要的。●解决了同时多功能的难题:所谓同时多功能,即指有源相控阵能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能,用另外的T/R模块完成其它功能;也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达在进行地图测绘、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时,还可实现对空中目标的搜索和跟踪,并对其进行攻击。由于AESA是由多个子阵组成,而每个子阵又是由多个T/R模块组成,因此,可以通过数字式波束形成技术、自适应波束控制技术和射频功率管理等技术,使雷达的功能和性能得到极大的扩展,可以满足各种条件下作战的需要。并能因此而开发出很多新的雷达功能和空战战术。 ●隐身飞机和现代空战需要相控阵雷达:隐身飞机配装相控阵雷达(PESA 或者是AESA)几乎是唯一的选择。迄今为止还没有出现使用机械扫描雷达的隐身飞机,也说明了这一点。低拦载概率和低观测特性是隐身飞机能否实现隐身和顺利完成作战任务的关键。在当前极为严峻的电子干扰环境中,"LPI",即机载雷达辐射的电磁波被敌方拦截概率的高低是一项重要的性能指标。在攻击有专用电子干扰飞机掩护的机群或单机时,强烈的电磁干扰将使传统的雷达无法正常工作。AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制,可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源,使之不能收到足够强度的雷达信号,从而无法实施有效干扰。通过数字波束形成技术,可以使主波束分离成两个波束,使其零值对准敌方干扰源;若干扰源位于雷达旁瓣方向,则在该方向也可以形成零值,使敌方收不到雷达信号,从而无法实行有效干扰。AESA的自适应波束形成能力是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的重要因素。目前正在研制和开始装备的有代表性的战斗机AESA雷达主要有: F-22 机载雷达(AN/APG-77):人们常常问什么是第四代战斗机F-22令人印象最深的特性?它在什么领域具有最重要的技术突破?通常的回答是它的隐身和超音速巡航特性。但这些特性实际上在以前的战斗机上已经分别在F-117和SR-71上实现了。谈不上突破。业内人士和F-22飞行员们则普遍认为,F-22最大的突破是它的航空电子系统实现了更高程度的综合,AESA雷达首次在战斗机上采用。它使飞机具有更为锐利的眼睛,更为丰富的作战功能。对战斗机目标的作用距离超过200千米。可以实现"先敌发现、先敌发射、先敌命中"。F-22雷达可以进行脉间变频、快速扫描,敌方很难检测和定位。同时还可以用时分的方法进行电子情报搜集、实施干扰、监视或通信。这些是以前战斗机雷达所无法实现的。 F-22雷达采用AESA体制,它由美国诺·格公司(Northrop Grumman Corp)和雷神公司(Raytheon Systems Company)共同研制。该雷达将用于21世纪初在美国空军服役的F-22先进战术战斗机,目前F-22是世界上最先进的战斗机。F-22能在多种威胁环境下,以低可观测性、高机动性和高灵活性对超视距敌机进行攻击,也能进行近距格斗空战。1998年4月,诺·格公司已交付第一套APG-77雷达硬件和软件给波音飞机公司F-22航空电子综合实验室,对F-22的航空电子设备进行系统综合测试和鉴定试验。作为APG-77计划的工程发展阶段的首批11部雷达已交付给诺·格公司马里兰州测试实验室进行系统级综合与测试。全尺寸雷达自1999年开始生产,预计到2004年11月具备初步作战能力,2005年开始服役。AN/APG-77雷达是一部典型的多功能和多工作方式的雷达,其主要的功能有: ●远距搜索 ● 远距提示区搜索(cued search) ● 全向中距搜索(velocity range search) ● 单目标和多目标跟踪 ● AMRAAM数传方式(向先进中距空空导弹发送制导修正指令) ● 目标识别 ● 群目标分离 ● 气象探测雷达可能扩展的功能有: ● 空/地合成孔径雷达地图测绘 ● 改进的目标识别 ● 扩大工作区 F-35机载雷达(AN/APG-81):2000年,美国国防部JSF项目办公室授予诺·格公司4200万美元合同,为JSF 设计、开发和试飞AESA雷达,它是多功能综合射频系统/多功能阵(MIRFS/MFA)计划的一部分。雷达系统采用最先进的AESA天线、高性能的接收机/激励器、商用的处理机。由于采用了最新的技术成果,大量减少了元器件和内部连接器数目,所以JSF雷达的成本和重量都较其前辈有大幅度地降低,重量和价格降低了约3/5,制造和维修也比较简单。MIRFS/MFS 计划要求T/R模块能够实现全自动化生产;可靠性比传统的机械扫描雷达提高一个数量级;后勤保障和全寿命费用降低50%。APG-81采用开放式结构,为将来性能增长提供极大空间。JSF的AESA雷达设计的一条重要原则是必须满足JSF对隐身特性的要求。同时强调必须满足军方提出对JSF的"四性"要求,即:经济承受性、致命性、生存性和保障性。 F/A-18E/F 雷达AESA改进型(AN/APG-79):F/A-18D/C/E/F原来配装雷达APG-65/73,其AESA改进型编号为 APG-79。该雷达仍由APG-65/73雷达的制造商雷神公司研制。APG-79采用先进的AESA体制,于2003年7月30日在美国中国湖(China Lake)海空作战中心配装在F/A-18上进行成功首飞。新雷达可以同现有F/A-18机载武器相匹配,同时,设计留有日后充分扩展的余地。APG-79 AESA雷达极大地降低了载机的雷达可观测性,即提高了飞机的隐身特性。雷达的可靠性和维护性也得到了根本的改善。雷神公司将于2005年向波音正式交付装机的APG-79雷达。APG-79 AESA雷达具有下述功能和特点:空对空: ●攻击远距目标 ●通过资源管理器减轻飞行员工作负荷空对面: ●防区外远距高分辨率地图测绘 ●同时具有多工作方式工作能力可靠性和成本: ●系统可靠性增加5倍 ●自检系统可以把故障隔离到外场可更换模块 ●通过T/R模块的特殊设计实现系统"完美"降级 ●运营成本大幅度降低装备F/A-18E/F的3部AESA雷达系统于2004年6月份开始在中国湖的海空作战中心进行新一轮的试验,并通知试飞小组制定一个有特种作战部队、埃格林空军基地等单位参与的试验计划。还要求演示试验飞机和指挥船之间的通信链路,研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指挥船提供什么信息。海军已经建立了一个工作小组,目前要做的是同空军的F-15和JSF方面的人员接触,深入讨论联合试验和性能鉴定等问题以及建立一个工作小组评审有关标准、结构和规约。美国海军和空军目前都在研究AESA究竟能为未来战争带来一些什么变化和收益?他们正在寻求几个关键问题的答案: ●目前,AESA雷达的作用距离已经是传统机械扫描雷达的一倍,可供选用的雷达功能已极大地丰富,这样我们可以创造一些什么新的战术? ●一个双机或4机编队怎样分工完成空对空和空对地的攻击任务? ●如何由一架装有AESA的战斗机引领一批没有装载AESA的普通战斗机提高他们的战斗能力? F-16雷达AESA改进型(AN/APG-80):F-16原来配装APG-66/68,APG-80为其AESA改型,仍由诺·格公司研制。该公司还同时为F-16UAE研制电子战系统。F-16UAE是为阿联酋研制的F-16第60批产品,计划生产80架。2004年到2007年完成交付。由于诺·格公司在此期间几乎同时得到了F-22和F-35的配套雷达研制合同,因此大部分AESA技术和模块都可以移植到APG-80中来。这使其研制周期可以大为缩短。预计2004年7月,雷达可以交付到飞机承包商洛·马公司进行雷达的验收试验。APG-80雷达具有先进的对空和对地两种工作模式,这也是采用诺·格公司第4代发射/接收机模块化技术的第一种产品。APG-80可以连续搜索和跟踪出现在它扫描范围内的多个目标。此外飞行员还可以同时进行空对空的搜索与跟踪、空对地的目标瞄准以及地形匹配飞行。新的波束捷变技术带来了雷达能力的巨大增长,扩展了飞行员对态势的感知能力,使雷达对目标探测距离更远,并具有高清晰度合成孔径雷达成像能力。雷达的可靠性也比传统的机械扫描雷达高数倍。 F-15改进型雷达(AN/APG-63V2):F-15原来配装AGP-63/70,APG-63V2为其改进型,采用有源相控阵体制。雷神公司已完成向波音飞机公司的最后18架F-15C的APG-632 AESA雷达的交付。这是世界上首次进入空军服役的战斗机AESA雷达。该雷达消除了原来F-15雷达笨重的液压天线驱动系统,雷达的快速扫描和多目标跟踪能力都得到了数量级的增长。提高了飞行员对战场环境的认知能力。该型雷达能够同现有的飞机武器系统很好地兼容。由于作用距离的增加,使得增程的AIM-120的性能得到充分的发挥,并能在更大的视场范围内制导多枚空空导弹,同时攻击多个目标,包括雷达截面积很小的隐身目标,如巡航导弹等。

从上世纪60年代开始,历经40余年的努力,有源电子扫描阵,通常也称为有源相控阵技术,终于在机载雷达上取得了成功的应用。美国国防部国防科学委员会主席的一份关于发展美国军用机雷达的建议报告中特别强调了有源相控阵技术可以极大地扩展雷达的功能和提高雷达的性能, 21世纪美国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达都应是AESA体制的。事实上,除了F-22和F-35等新一代战机都毫无例外地装备AESA雷达外,美国对第三代现役战斗机、轰炸机、预警和监视飞机的AESA改进都已列入计划,并得到了相应的财政支持。业内一种普遍的观点认为:从现在起再过十年,不掌握AESA雷达制造能力的厂商将没有立足之地。除美国之外,俄国、法国、德国、荷兰、瑞典、英国、以色列等西方国家也正在这一技术领域进行广泛的合作开发和大量的资金投入。近50多年来,机载雷达不断注入新的技术成果,性能大幅度提高。新技术是提高雷达探测能力的原动力。在单脉冲跟踪体制未获使用前,圆锥扫描体制的雷达很难对付敌方施放的角度欺骗干扰;没有相参体制的脉冲多普勒雷达,就无法对付借着强大的地杂波掩护的低空入侵的飞机和导弹;没有频率捷变体制的雷达,就很难同现代战争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡。相控阵技术是近年来正在发展的新技术,它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。进入上世纪80年代,机载相控阵雷达才初获应用。先进的机载有源相控阵雷达是近期,即本世纪初才进入服役。AESA的成功应用是对传统机载雷达的一次革命,她极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性能,进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。采用AESA技术的机载雷达将会至少在以下方面实现巨大的性能突破:·雷达作用距离大幅度增长:由于AESA雷达T/R模块中的射频功率放大器同天线辐射器紧密相连,而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器,这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去,使得加到处理器的信号更为"纯净",因此,AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷达大为减少。·解决了可靠性的瓶颈问题:由于信号的发射和接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成,因此少数单元失效对系统性能影响不大。试验表明,10%的单元失效时,对系统性能无显著影响,不需立即维修;30%失效时,系统增益降低3分贝,仍可维持基本工作性能。这种"柔性降级"(graceful degradation)特性对作战飞机是十分需要的。·解决了同时多功能的难题:所谓同时多功能,即指有源相控阵能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能,用另外的T/R模块完成其它功能;也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达在进行地图测绘、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时,还可实现对空中目标的搜索和跟踪,并对其进行攻击。由于AESA是由多个子阵组成,而每个子阵又是由多个T/R模块组成,因此,可以通过数字式波束形成技术、自适应波束控制技术和射频功率管理等技术,使雷达的功能和性能得到极大的扩展,可以满足各种条件下作战的需要。并能因此而开发出很多新的雷达功能和空战战术。·隐身飞机和现代空战需要相控阵雷达:隐身飞机配装相控阵雷达(PESA 或者是AESA)几乎是唯一的选择。迄今为止还没有出现使用机械扫描雷达的隐形飞机,也说明了这一点。低拦载概率和低观测特性是隐身飞机能否实现隐身和顺利完成作战任务的关键。在当前极为严峻的电子干扰环境中,"LPI",即机载雷达辐射的电磁波被敌方拦截概率的高低是一项重要的性能指标。在攻击有专用电子干扰飞机掩护的机群或单机时,强烈的电磁干扰将使传统的雷达无法正常工作。AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制,可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源,使之不能收到足够强度的雷达信号,从而无法实施有效干扰。通过数字波束形成技术,可以使主波束分离成两个波束,使其零值对准敌方干扰源;若干扰源位于雷达旁瓣方向,则在该方向也可以形成零值,使敌方收不到雷达信号,从而无法实行有效干扰。AESA的自适应波束形成能力是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的重要因素。目前正在研制和开始装备的有代表性的战斗机AESA雷达主要有: F-22 机载雷达(AN/APG-77):人们常常问什么是第四代战斗机F-22令人印象最深的特性?它在什么领域具有最重要的技术突破?通常的回答是它的隐身和超音速巡航特性。但这些特性实际上在以前的战斗机上已经分别在F-117和SR-71上实现了。谈不上突破。业内人士和F-22飞行员们则普遍认为F-22最大的突破是它的航空电子系统实现了更高程度的综合,AESA雷达首次在战斗机上采用。它使飞机具有更为锐利的眼睛,更为丰富的作战功能。对战斗机目标的作用距离超过200km。可以实现"先敌发现、先敌发射、先敌命中"。F-22雷达可以进行脉间变频、快速扫描,敌方很难检测和定位。同时还可以用时分的方法进行电子情报搜集、实施干扰、监视或通信。这些是以前战斗机雷达所无法实现的。下图为F-22的雷达AESA阵面照片。F-22雷达采用AESA体制,它由美国诺·格公司(Northrop Grumman Corp)和雷神公司(Raytheon Systems Company)共同研制。该雷达将用于21世纪初在美国空军服役的F-22先进战术战斗机,目前F-22是世界最先进的战斗机。F-22能在多种威胁环境下,以低可观测性、高机动性和高灵活性对超视距敌机进行攻击,也能进行近距格斗空战。1998年4月,诺·格公司已交付第一套APG-77雷达硬件和软件给波音飞机公司F-22航空电子综合实验室,对F-22的航空电子设备进行系统综合测试和鉴定试验。作为APG-77计划的工程发展阶段的首批11部雷达已交付给诺·格公司马里兰州测试实验室进行系统级综合与测试。全尺寸雷达自1999年开始生产,预计到2004年11月具备初步作战能力,2005年开始服役。AN/APG-77雷达是一部典型的多功能和多工作方式的雷达,其主要的功能有:● 远距搜索 ● 远距提示区搜索(cued search) ● 全向中距搜索(velocity range search) ● 单目标和多目标跟踪● AMRAAM数传方式(向先进中距空空导弹发送制导修正指令)● 目标识别 ● 群目标分离 ● 气象探测雷达可能扩展的功能有:● 空/地合成孔径雷达地图测绘● 改进的目标识别● 扩大工作区 F-35机载雷达(AN/APG-81):2000年,美国国防部JSF项目办公室授予诺·格公司4200万美元合同为JSF 设计、开发和试飞AESA雷达,它是多功能综合射频系统/多功能阵(MIRFS/MFA)计划的一部分。雷达系统采用最先进的AESA天线、高性能的接收机/激励器、商用的处理机。由于采用了最新的技术成果,大量减少了元器件和内部连接器数目,所以JSF雷达的成本和重量都较其前辈有大幅度地降低,重量和价格降低了约3/5,制造和维修也比较简单。MIRFS/MFS 计划要求T/R模块能够实现全自动化生产;可靠性比传统的机械扫描雷达提高一个数量级;后勤保障和全寿命费用降低50%。APG-81采用开放式结构,为将来性能增长提供极大空间。JSF的AESA雷达设计的一条重要原则是必须满足JSF对隐身特性的要求。同时强调必须满足军方提出对JSF的"四性"要求,即:经济承受性、致命性、生存性和保障性。 F/A-18E/F 雷达AESA改进型(AN/APG-79):F-18D/C/E/F原来配装雷达APG-65/73,其AESA改进型编号为 APG-79。该雷达仍由APG-65/73雷达的制造商雷神公司研制。APG-79采用先进的AESA体制,于2003年7月30日在美国中国湖(China Lake)海空作战中心配装在F/A-18上进行成功首飞。新雷达可以同现有F/A-18机载武器相匹配,同时,设计留有日后充分扩展的余地。APG-79 AESA雷达极大地降低了载机的雷达可观测性,即提高了飞机的隐身特性。雷达的可靠性和维护性也得到了根本的改善。雷神公司将于2005年向波音正式交付装机的APG-79雷达。APG-79 AESA雷达具有下述功能和特点:空对空:·攻击远距目标·通过资源管理器减轻飞行员工作负荷空对面:·防区外远距高分辨率地图测绘·同时具有多工作方式工作能力可靠性和成本:·系统可靠性增加5倍·自检系统可以把故障隔离到外场可更换模块·通过T/R模块的特殊设计实现系统"完美"降级·运营成本大幅度降低装备F/A-18E/F的3部AESA雷达系统于2004年6月份开始在中国湖的海空作战中心进行新一轮的试验,并通知试飞小组制定一个有特种作战部队、埃格林空军基地等单位参与的试验计划。还要求演示试验飞机和指挥船之间的通信链路,研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指挥船提供什么信息。海军已经建立了一个工作小组,目前要做的是同空军的F-15和JSF方面的人员接触,深入讨论联合试验和性能鉴定等问题以及建立一个工作小组评审有关标准、结构和规约。美国海军和空军目前都在研究AESA究竟能为未来战争带来一些什么变化和收益?他们正在寻求几个关键问题的答案:·目前,AESA雷达的作用距离已经是传统机械扫描雷达的一倍,可供选用的雷达功能已极大地丰富,这样我们可以创造一些什么新的战术?·一个双机或4机编队怎样分工完成空对空和空对地的攻击任务?·如何由一架装有AESA的战机引领一批没有装载AESA的普通战斗机提高他们的战斗能力? F-16雷达AESA改进型(AN/APG-80):F-16原来配装APG-66/68,APG-80为其AESA改型,仍由诺·格公司研制。该公司还同时为F-16UAE研制电子战系统。F-16UAE是为阿联酋研制的F-16第60批产品,计划生产80架。2004年到2007年完成交付。由于诺·格公司在此期间几乎同时得到了F-22和F-35的配套雷达研制合同,因此大部分AESA技术和模块都可以移植到APG-80中来。这使其研制周期可以大为缩短。预计2004年7月,雷达可以交付到飞机承包商洛·马公司进行雷达的验收试验。APG-80雷达具有先进的对空和对地两种工作模式,这也是采用诺·格公司第4代发射/接收机模块化技术的第一种产品。APG-80可以连续搜索和跟踪出现在它扫描范围内的多个目标。此外飞行员还可以同时进行空对空的搜索与跟踪、空对地的目标瞄准以及地形匹配飞行。新的波束捷变技术带来了雷达能力的巨大增长,扩展了飞行员对态势的感知能力,使雷达对目标探测距离更远,并具有高清晰度合成孔径雷达成像能力。雷达的可靠性也比传统的机械扫描雷达高数倍。 F-15改进型雷达(AN/APG-63V2)F-15原来配装AGP-63/70,APG-63V2为其改进型,采用有源相控阵体制。雷神公司已完成向波音飞机公司的最后18架F-15C的APG-632 AESA雷达的交付。这是世界上首次进入空军服役的战斗机AESA雷达。该雷达消除了原来F-15雷达笨重的液压天线驱动系统,雷达的快速扫描和多目标跟踪能力都得到了数量级的增长。提高了飞行员对战场环境的认知能力。该型雷达能够同现有的飞机武器系统很好地兼容。由于作用距离的增加,使得增程的AIM-120的性能得到充分的发挥,并能在更大的视场范围内制导多枚空空导弹,同时攻击多个目标,包括雷达截面积很小的隐身目标,如巡航导弹等。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 许伟武)

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