揭秘美國海軍下一代防空反導雷達

李 源

AMDR是美國海軍下一代綜合防空和導彈防御雷達，是為計劃在2016年開工建造的“Flight III”型阿利·伯克級（DDG-51）驅逐艦而設計的。作為先進的高能主動陣列雷達，能對空中和水面襲擊同時執行遠程外大氣層偵察、跟蹤、識別彈道導彈以及區域性防御和自我防御。讓我們一起揭開它的神秘面紗。

為什么開發AMDR

作為美國海軍下一代艦載防空反導雷達裝備，AMDR是固態有源相控陣雷達，可以有效地對抗各類現役及未來的戰機、彈道導彈及超聲速反艦導彈。AMDR雷達將采用先進的雙波段模式，完整的AMDR套包括：一部用于大量搜索的四面S波段雷達AMDR-S、一部用于地平線搜索的三面X波段雷達AMDR-X、以及一臺雷達控制器RSC，后者為S波段和X波段雷達提供資源管理，協調與宙斯盾作戰系統的交互關系。

美國海軍對AMDR的要求是具備開放的構架，采用可升級的設計和模塊化的硬件和軟件，可部署于不同艦船平臺，能在雷達系統全壽命周期內實施技術插入并提升性能。另外要求具備兩種功率狀態，當驅逐艦未部署，不要求完全能力時，雷達可在較低的功率狀態下操作，減少燃料消耗，提高艦船的能效，但在高功率狀態時，所有雷達資源必須全部可用，以執行戰區任務。

圖1 AMDR概念圖

美國海軍開發新一代雷達主要目的是，為了對抗面臨的更復雜的空中和彈道導彈襲擊。據美國海軍的說法，宙斯盾彈道導彈防御能力需要在現有的雷達系統基礎上增加雷達靈敏度和波寬，能偵察、跟蹤并能在一定范圍內支持對先進彈道導彈襲擊的作戰。同時，防空戰任務也需要更高的靈敏度，并具備抗干擾能力，能在惡劣陸地、海上和風雨干擾中挑選出觀察性極低和超低空飛行的襲擊目標。而現有的SPY-1D（V）雷達配合宙斯盾系統，即使進一步的改進也無法滿足這些要求。

AMDR計劃取代的是AN/SPY-1雷達，后者是美國研制的世界上第一部四面陣艦載相控陣雷達，已有40年歷史，也是美國海軍宙斯盾防空反導作戰系統的核心，裝備在“阿利·伯克”級（DDG-51型）驅逐艦及“提康德羅加”級巡洋艦上。

AN/SPY-1在它那個時代毫無疑問是非常先進的，工作在S波段，使用四個固定式定相陣列天線，能同時執行搜索、偵察、跟蹤、控制和制導，對目標的最遠探測距離為1000km，穩定跟蹤距離為150km。另外，該系統在過去40年的時間里不斷發展，將雷達和宙斯盾系統作為一個整體進行改進。早期的SPY-1、SPY-1A型號只是單純的防空雷達，而SPY-1B/D則通過雜波抑制技術，除了可以探測和跟蹤掠海飛行的巡航導彈外，還具備了有限的戰術彈道導彈防御能力。隨著SPY-1雷達性能的不斷改進，現在的“阿利·伯克”級驅逐艦上裝備的已是SPY-1D（V）雷達，該雷達是宙斯盾雷達發展史上的一個重要里程碑，除提高遠海作戰性能外，還提高了探測和跟蹤掠海飛行的巡航導彈和戰術彈道導彈等目標的能力，在雜波和嚴重干擾條件下具有很高的數據率。最新的宙斯盾基線9C版本引進了多任務信息處理器，擁有宙斯盾防空戰和彈道導道防御雷達信號處理能力，具備防空和反導綜合防御能力。

然而，美海軍內部一致認為AN/SPY-1已達到其潛力上限。作為被動陣列雷達，該型雷達能力上有諸多限制。主要表現在：從傳輸器組獲取的功率有限，很大一部分功率損失在陣列面上；能量管理、重量和可靠性方面均有不足；在維護工時和雷達故障修理成本上花費巨大等方面。可以用較少的時間成本和經濟成本實現系統的升級，延長綜合壽命。

圖2 AN/SPY-1D（V）雷達

二是可升級的系統。AMDR天生具備完全可升級性， 雷達 系 統 基 于 一 個2×2×2英 尺（0.61×0.61×0.61米）的雷達組裝模塊，該模塊能堆疊，根據任務要求組成大型雷達或小型雷達。目前美海軍對AMDR的要求是SPY+15dB，但是也可以將雷達制造成SPY+25dB或SPY+10dB。

冷卻、校準、功率和邏輯界面是完全可升級的，該雷達系統能適合無數種應用，并非僅適用于AMDR，同時具備實用性、可靠性和可維護性。為了實現這個目標，采用可重新編寫的程序，基于商用成熟技術，這樣可根據將來面臨的威脅靈活改進，不容易過時，同時允許有多個供應商來源，降低成本，提供更強的競爭力。NAVSEA估計按照該方法在2012 ～2018年財年將共節省2.71億美元的資金，同時AMDR的生產成本也將減少約4.5億美元。

AMDR的優勢

一是采用開放式體系結構和模式化設計。AMDR的開放式體系結構與SPY-1使用的體系結構將形成完全不同的兩代。開放式體系結構也是當前艦載雷達的一個重要發展方向，這樣可以用較低的成本實現新雷達的制造或舊雷達的升級，這種體系結構將徹底改變雷達的結構形式，并提高系統內處理單元的運算能力。模塊化的設計準則使得

圖3 AMDR可以升級成不同的尺寸滿足不同艦船使用

三是采用新型材料，體積小功率高。在傳輸/接收模塊中，使用氮化鎵半導體技術加強AMDR的性能是另一個創新。氮化鎵的主要優勢是具備更高的功率容量和更高的功率密度，相比上一代的砷化鎵設備，雷達在保持較小尺寸的同時具有更寬的工作頻帶、更大的輸出功率、更高的信噪比以及更好的導熱性和導電性。這些設備在較高的工作溫度下仍能保證較好的技術指標，其平均故障間隔時間提高了一個數量級，其他性能指標也都有了較大程度的提高。

AMDR工程化和制造開發合同商雷神公司在氮化鎵開發方面已經投入了大約1億美元資金，整個研發和系統整合早在1999年就已經開始，在這15年的時間里，該公司與國防部長辦公室和國防部先進研究項目辦公室一起就氮化鎵技術的性能、可靠性和可生產性進行研究。因此該技術的制造目前已經具備相當高的可靠性。

四是采用數字波束形成技術，靈敏度更高。AMDR是美國海軍第一部專門用于同時執行防空和反導任務的一體化雷達系統，通過應用數字波束形成技術，實現AN/SPY-1無法比擬的高靈敏度和靈活的時間資源管理能力。相比AN/SPY-1D（V），靈敏度提高了30倍。

另外，AMDR涉及的關鍵技術以及面臨的挑戰主要包括以下三個方面，首先數字化波束形成。先進的軟件運算法則，將雷達信號數字化，能同時產生和處理多種波寬，增加用于多種任務的雷達資源。能夠有效消除電磁環境中的干擾。如果沒有這項技術，對雷達的要求將不得不降低，在瀕海或密集電磁干擾環境下雷達效率降低。但該項技術在AMDR這樣的尺寸和結構系統中從未被論證過。

其次，傳輸/接收模塊。可發射雷達信號的獨立單元。相比DDG1000的大量搜索雷達中的模塊，AMDR傳輸/接收模塊必須產生高得多的無線電頻率功率，效率提高10%以上以實現AMDR的能力要求。要達到要求的增長水平，合同商需要使用氮化鎵半導體，該材料產生的功率和效率高于目前的材料。氮化鎵是一種新型材料，長期可靠性還未知。從未被用于該等級的雷達中。若不能使用氮化鎵材料，而必須使用目前成熟的材料，則需要增加艦船功率和冷卻。替代方法是，可降低功能要求，采用螺旋形的開發計劃，以期在今后達到目標功率水平。過去雷達的項目（大量搜索雷達和“Cobra Judy”號艦替代雷達）在傳輸/接收模塊的試驗和成熟化方面花費的時間比預估的更多，導致成本增加，計劃延后。

還有就是作戰系統整合。為了容納和使用AMDR增加的能力和任務套件，宙斯盾作戰系統需要進行改裝。軟件整合和試驗是一個長期的過程，通常也是軟件開發中最具挑戰性的階段，需要專業技能和進行綜合試驗。美國海軍目前還未完全識別哪些界面將被影響，也未對需要開展的工作進行評估。雖然成立了作戰系統整合工作組，但目前為止職能有限。多個技術開發商和兩個項目辦公室需要密切配合，協同工作，整合工作將會很有挑戰性。項目早期缺乏試驗和評估資產可能導致各種艦上整合的問題。

圖4 美國海軍下一代雷達AMDR

AMDR的采購計劃和項目時間表

2009年6月～12月，AMDR-S/RSC概念研究階段。因為AMDR-X暫被擱置，所以當前的采購主要集中在AMDR-S波段雷達和雷達控制器上。洛克馬丁公司、諾普吉曼公司和雷神公司在2009年6月分別與NAVSEA簽訂合同，進行為期6個月的AMDR-S/RSC概念設計研究。

2010年9月～2012年9月，技術開發階段。上述三家公司被授予價值1200萬美元的技術開發合同，對在概念研究階段提出的設計概念進行進一步的改進，并對關鍵技術進行進一步細化。在該階段，要求三家公司論證四個關鍵技術：基于氮化鎵的高能放大器和傳輸/接收模塊、主動陣列物理結構、數字收發機以及大孔徑數字波束形成和校準，驗證這些技術已處于節點B所要求的準備就緒級別。該階段也包括帶大孔徑數字波束形成的S波段主動相位陣列原型的生產和雷達運算法的功能試驗。這是技術驗證階段，在這個階段找出該項目真正的難點和風險，然后進行驗證。計劃用兩年時間的固定價格合同將這些難點全部解決。

針對多任務的時序安排和識別的軟件開發是技術開發階段的另一個重要方面。對雷達的一個要求是可以同時偵察和跟蹤彈道導道和空中目標。雷達須在一定的時間內將所有工作進行時序安排。這是雷達開發的一個新領域，也是一個關鍵技術，美國海軍稱之為綜合防空和反導防御。

2012年6月，發布EMD階段招標書。隨著技術開發合同即將結束，針對AMDR-S/RSC的工程化和制造開發（EMD）階段，NAVSEA發布了招標書，另外還有初步生產的選擇權。在該階段，要求合同商建造一個單面的AMDR-S工程化開發模型（EDM）和兩個RSC EDM，用于在先進雷達偵察實驗室進行試驗。另外還需要交付一臺AMDR-S/RSC界面模擬器（交付給海軍水面作戰中心）和一臺AMDR-S仿真器。

2012年4月，美海軍宣布首批12艘DDG-51“Flight Ⅲ”艦將裝備現有的機械掃描AN/SPQ-9B X波段地平線搜索雷達，后繼艦裝備AMDR-X雷達。實際上海軍還有足夠的時間確定AMDR-X的最佳開發路徑。現階段美海軍需要對多個方案進行審核，并在2019 ～2020年開始綜合試驗，這樣才能滿足計劃的時間要求。

2013年9月，完成節點B的全部工作，進入EMD階段。2013年9月AMDR成功地完成了節點B的審核，并被批準進入EMD階段。隨著對已完成方案的詳盡全面的評估和一系列復雜的篩選，雷神綜合防御系統公司成為最終合同商，執行美國海軍水面系統司令部下一代防空和反導防御雷達（AMDR）S波段雷達的開發和小批量試生產（LRIP）任務。NAVSEA于2013年10月 授 予雷神公司價值3.86億美元的EMD合同，要求在45個月內設計、開發、整合、試驗和交付AMDR-S波段雷達和雷達控制器。合同中還包含采購9套雷達系統的選擇權，加上選擇權，合同總價值為16.3億美元。在該合同下，AMDR套裝將與現有的AN/SPQ-9B X波段雷達整合。

隨后由于另一競爭對手洛克馬丁公司的抗議，海軍下發了停止工作命令，但很快，2014年1月14日，停工命令撤消，雷神公司重啟雷達系統的開發工作，主要內容為確定功率、靈敏度、動態范圍、功率管理和信號處理等，并計劃2023年投入使用。

在小批量試生產情形下購買9臺雷達是美海軍采購戰略的一部分，目的是通過EMD競爭獲得雷達系統的報價，首艘裝備AMDR的艦只將是第一批33艘DDG-51“Flight Ⅲ”艦中的首艘DDG-124，該艦計劃于2016年投資建造，并計劃2023年AMDR在DDG-124艦上取得初步操作能力。

首批9臺雷達僅為小批量生產，轉化為大批量生產還需通過初步操作試驗和評估（IOT＆E）。余下的13套AMDR系統計劃采用競標的形式。對此雷神公司認為他們在競爭中占有很大的優勢，但是仍需要盡力降低系統成本使其維持良好競爭力。他們在系統的制造和組裝方面進行了大量設計以確保系統能在很短的時間周期內具備可生產性。

雷神公司最大的AMDR開發分承包商是通用動力先進信息系統公司，于2014年1月與雷神簽訂合同，在工程化和制造開發階段中承擔部分任務。在整個技術開發階段中，該公司是一個關鍵供應商，負責提供開放式結構技術以及提供數字收發機和數字波束形成子系統。其他分包商包括Anaren公司（射頻部件）、Major Tool & Machine公司（結構）、TTM技術公司（底板和冷卻器）、CGR技術公司（雷達模塊組裝底盤制造）。

另外，為了將AMDR裝備至DDG-51“Flight Ⅲ”型艦上，還需要對該艦進行重新設計，初步設計工作開始于2012年5月，原計 劃2014年4月 完 工。 隨 著 將4個4.27米 孔 徑 的AMDR-S天線引入到主甲板室（當前的AN/SPY-1D（V）天線孔徑為3.66米），“Flight Ⅲ”型艦也需要在服務功率上有一個提升，因此用3臺4 MW/4160V的燃氣輪機發電機取代目前“Flight ⅡA”上用的3臺3MW/450V發電機組。同時要確保在不影響上層建筑設計的前提下，DDG-51艦的甲板能容納該型雷達。

圖5 AMDR-S雷達將裝備在DDG-51“Flight Ⅲ”艦上

通過了解美國下一代雷達系統的研制可以發現，采用開放式的結構體系和模塊化的設計是美國眾多海軍裝備研制的一個重要特點。例如，美國海軍的下一代綜合電力系統也采用了開放式的結構，整個系統被分為六個子模塊，可以分別由不同的公司單獨研制。這樣的模式有效地減少了研發成本，縮短了研發時間。另外可升級的特點使得系統的通用性和適應性大大增加。

美國軍用裝備合同商重視對關鍵材料、關鍵技術的前期儲備，比如AMDR項目中采用的新型材料氮化鎵，對提高雷達系統性能具有十分關鍵的作用，實現了高功率雷達的裝艦使用。而該材料的研制工作開始于上世紀末，充分的技術儲備對促進該項目的成功可以說起到了至關重要的作用。

新型裝備，特別是具有劃時代意義的新型裝備的研制是一項耗時長、成本高的系統性工作，充分的技術儲備、科學規范的管理和嚴格的論證缺一不可，而裝備的成功研制也確保了艦船能力提升至一個新的等級。