美升級臺灣F-16機載雷達的關鍵技術分析

鄒東明，張福福，楊 光，張 栩

（解放軍73158部隊 福建 廈門 361100）

美升級臺灣F-16機載雷達的關鍵技術分析

鄒東明，張福福，楊 光，張 栩

（解放軍73158部隊 福建 廈門 361100）

文章對美國升級臺灣F-16機載多功能雷達的技術進行了研究。首先介紹了有源電掃相控陣技術，該技術是提高雷達性能的關鍵所在。其次對多普勒銳化和合成孔徑技術進行了深入的討論，研究表明合成孔徑技術能更好地提高成像效果。最后分析了升級F-16帶來的不足，說明升級不能阻止國家的統一大業。

有源電掃相控陣；合成孔徑；多普勒波束銳化；雷達

日前，美國已決定對臺軍裝備的F-16進行升級，總價約為54萬美元。臺軍裝備是F-16 A/B型，其裝備雷達為AN/APG-66機載多功能數字化火控雷達，其體制為：脈沖多普勒、單脈沖、脈沖壓縮、多普勒波束銳化等。如果美對臺軍F-16雷達升級后，將變成AN/APG-80有源電掃陣列多功能火控雷達，其體制為：有源電掃相控陣、單脈沖、脈沖壓縮、脈沖多普勒、合成孔徑、自動地形跟隨和地形回避等[1]。

通過兩種雷達的體制對比，可以看出改進的技術有：電掃有源相控陣（Active Electronically Scanned Array，AESA）[2-4]、合成孔徑[5-7]、自動地形跟隨和地形回避。自動地形跟隨，是指飛機按恒定的方向飛行，且飛機自動與下面地形保持恒定的距離。飛機在低空飛行時，自動避開障礙物的飛行方式，稱之為地形回避。

因此，升級F-16的關鍵技術就是電掃有源相控陣技術以及合成孔徑技術。

1 AESA

AN/APG-80雷達采用的是有源電掃相控陣天線，這是使該雷達提升性能的關鍵所在。電掃陣列天線，使戰機的空空連續多目標跟蹤與截獲、空中格斗、空地跟蹤、武器投放和抗電子干擾能力大大增強。

AESA的每個輻射器都配裝有一個發射/接收 （T/R）組件，每一個組件都能自己產生、接收電磁波，不需要做機載式旋轉掃描，便能對目標進行不間斷的掃描。

由于通過相位控制天線掃描，因此AESA有許多特出的優點：

1）雷達探測距離增加 這有兩個方面的原因：①由于AESA中T/R組件中的射頻功率放大器同天線輻射器緊密相連，這樣就減少了噪聲疊加到信號上去，使微波能量的饋電損耗較機載掃描相控陣減少許多。分析表明，這對于探測性能有5 dB的提高，相當探測距離增加了35%；②由于T/R組件的數量大，大量組件輻射的功率在空間相加，可得到相當可觀的功率，由于功率增加，使雷達的探測距離有很大增加。

2）可靠性增加 由于AESA由數百仍至上千個T/R組件組成，因此少數組件失效對系統性能影響不大。有試驗表明，10%組件失效時，對系統性能影響不明顯；30%組件失效時，系統增益降低3 dB，不過仍可維持其基本工作性能。

3）同時多功能 由于AESA可實現波束瞬時捷變，使AESA可以時間分割的方式實現多功能，能同時跟蹤多個目標，相當于用一部雷達完成多部常規雷達的功能。AESA可以根據不同任務的需求，形成不同形狀的波束。空對空工作時采用窄波束，空對地工作（如地圖測繪時）采用寬波束等。

2 合成孔徑與多普勒波束銳化

合成孔徑技術是相對于AN/APG-66中的多普勒波束銳化（Doppler Beam Sharpening，DBS）技術的提高。這兩種技術都是用來提高雷達橫向距離分辨率。

2.1 實孔徑天線的橫向分辨率

根據天線理論，實孔徑天線的橫向分辨率是在一定距離R處對應天線方向圖波束寬度的橫向距離間隔。則橫向分辨率為：

其中，θa是天線波束角。

其中λ是雷達信號的波長，而L是天線孔徑的長度。從公式（1）中可以看出，對于實孔徑雷達，橫向距離分辨率與距離成正比，隨著距離的增長而橫向距離分辨率下降。

2.2 多普勒波束銳化

多普勒波束銳化（DBS），是一種提高分辨率的技術。DBS是適用于安裝在現代多功能戰斗機機頭中的雷達的幾種典型工作方式之一。通常這些飛機的雷達在以機頭正前方為中心的扇掃范圍內為±π/2弧度，最大波束銳化出現在掃描角度接近±π/2處。當波束掃過正前方的0弧度時波束銳化率降為1。

典型的工作方式為：天線連續掃描飛行路線一側或另一側，或同時掃描前面兩側感興趣的區域。由于積累時間限制在地面塊出現在天線波束中的時間長度內。

圖1 多普勒波束銳化示意圖Fig.1 Sketch of Doppler beam sharpening

圖1中VR是雷達載機的速度，φ為VR與天線波束軸線間的夾角，地面回波信號的多普勒頻率為：

因此，角度φ越大，多普勒頻率fd越小。在波束寬度里，相鄰兩點（如點1和點2）的間隔很小，多普勒頻率差可以表示為：

Δ fd與角度差Δφ相對應。對Δ fd的分辨是由多普勒濾波實現的。經過濾波后，多普勒波束銳化的角分辨率為：

其中Ti是信號積累時間，與多普勒濾波器的帶寬成反比。因此，可以得到對應的橫向距離分辨率為：

多普勒波束銳化的重要指標是波束銳化比，其定義為：

式中φ3dB表示天線的波束角寬度。B表示經過多普勒波束銳化后，方位角分辨率提高的倍數。一般B取16，32，64等，其為FFT的點數，一般為2的冪。但從式（5）可以看出，多普勒銳化能提高分辨率，但分辨率仍然與距離有關。

2.3 合成孔徑技術

合成孔徑是一種更好的提高橫向距離分辨力技術。合成孔徑雷達利用載體運動產生一個等效的陣列天線，在載體運動的過程中，每發射一個脈沖，就形成陣列天線中一個新的天線單元，把相繼發射脈沖的回波相加，就可合成大陣列天線。為了保證精確測量雷達與目標之間產生的多普勒頻率，雷達發射相干信號。圖2是合成孔徑的示意圖，雷達以速度VR向前運動，每移動一個位置，就發射一個脈沖。

圖2 合成孔徑示意圖Fig.2 Sketch of synthetic aperture

合成孔徑的長度由實天線的波束寬度決定，而且長度隨距離的增加而增加。

合成孔徑形成的波束角為：

從圖2中，可以看出合成孔徑的長度為：

則合成孔徑的橫向距離分辨率為：

可以看出合成孔徑的分辨率與距離無關，為實孔徑長度的一半。這樣，利用合成孔徑技術可以大大提高橫向分辨率，而且在任意距離上，分辨率相當。所以，合成孔徑技術目前已經廣泛地應用于星載、機載雷達中，用來進行對地面目標、對海上目標進行測繪。

通過上面3種天線的比較可以看出，多普勒波束銳化能提高橫向分辨率，但分辨率仍然同距離有關，隨著距離的增加而分辨率下降；而合成孔徑技術能使橫向距離向分辨與距離無關，只是孔徑長度的一半，從而大大提高分辨率，是一種比較好的成像技術。

3 不 足

采用AESA性能要優于機械掃描雷達，但是耗電量、冷卻需要的換熱量和重量都有相當提升，等于是F-16的腦袋上要增加100多公斤重量，為了配平，還需要在尾部加上配重塊，整個飛機的自重必須要猛增至少300公斤。因為飛機老舊無法更換新發動機，所以只能使用舊的F100-PW220E，飛機的推重比將會急劇下降，嚴重影響性能。可見，有得必有失。

另一方面，更換雷達后，整個航電系統也必須翻新，F-16上目前采用的80年代水平的聯合式航電根本無法支持這么高級的雷達。但是翻新航電系統只會帶來高額的成本，浪費臺灣民眾的血汗錢。

由此可見，由于臺軍的F-16是80年代的產品，戰機的性能已經老化，即使進行技術改進，也不會很大提升臺軍F-16的作戰性能。隨著近年來我國新進戰機的相繼投入使用，美升級臺軍的F-16戰機，也不能阻止我們國家的統一。

4 結 論

從上面的分析來看，通過關鍵技術改進，可以增加F-16的戰機的電子設備性能。但由于F-16已經老化，美軍升級不能阻止我們國家統一。

[1]中國雷達與電子設備研究院.機載雷達手冊 [M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]賁德.機載有源相控陣火控雷達的新進展及發展趨勢[J].現代雷達，2008，30（1）：1-4.

BEN De.Latest status&development trends of airborne AESA fire-control radar[J].Modern Radar，2008，30（1）：1-4.

[3]張祖稷，金林，束咸榮.雷達天線技術[M].北京:電子工業出版社，2005.

[4]張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業出版社，2006.

[5]Stimson G W.機載雷達導論[M].吳漢平，譯.北京:電子工業出版社，2005.

[6]劉長青，劉承禹.機載遠程對地監視系統關鍵技術研究[J].電子信息對抗技術，2011，26（5）：33-36.

LIU Chang-qing，LIU Cheng-yu.A study on dey technology of airborne stand-off surveillance systems[J].Electronic Information Warfare Technology，2011，26（5），33-36.

[7]許偉武.機載雷達技術發展熱點[J].國際航空，2010，23（3）:41-44.

XU Wei-wu.Some key technology of airborne Radar[J].International Aviation,2010,23（3）:41-44.

Key technologies of F-16 upgraded by U.S.A

ZOU Dong-ming， ZHANG Fu-fu，YANG Guang， ZHANG Xu
（Unit73158of PLA，Xiamen361100，China）

The key technologies of upgrade airborne radar of F-16 by U.S.A have been studied in this article.The active electronically scanned array is introduced firstly， which is the key of radar performance.Then， Doppler beam sharpening and synthetic aperture techniques have been discussed.Synthetic aperture techniques can increase imaging effect.Finally，the deficiency of upgrades is analysis.The upgrade can not stop national unification.-

active electronically scanned array； synthetic aperture； doppler beam sharpening； radar

TN 958

A

1674－6236（2012）04-0127-03

2011-12-07 稿件編號：201112031

鄒東明（1974—），男，江西吉安人，總工程師。研究方向：電子信息系統。