空基預警探測系統技術發展趨勢

陸　軍，張　昭，胡瑞賢

(中國電子科學研究院，　北京 100041)

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空基預警探測系統技術發展趨勢

陸軍，張昭，胡瑞賢

(中國電子科學研究院，北京 100041)

摘要：空基預警探測系統是空基信息系統的重要組成部分。文中分別分析了空基信息系統面臨的隱身目標探測、目標綜合識別和復雜戰場對抗三個需求，從而提出了未來空基預警探測系統技術的發展趨勢。

關鍵詞：空基預警探測系統；隱身目標探測；目標綜合識別；復雜戰場對抗

0引言

空基信息系統是以空基平臺和網絡為基礎，通過傳感器、決策者和射手之間的信息共享和行動協同，實現打擊鏈路閉環的網絡化作戰信息系統，空基信息系統包括空基預警探測系統[1-2]和空基指揮控制系統。空基預警探測系統從20世紀40年代登上歷史舞臺，經過幾十年的發展，取得了巨大成就，比較好地解決了復雜地理環境下對空中、海面常規目標的預警探測問題。特別是21世紀的幾場現代化局部戰爭中，空基預警探測系統發揮了舉足輕重的作用，得到世界各國特別是各軍事強國的重視和著力發展。

所謂“道高一尺、魔高一丈”，在空基預警探測系統取得顯著成效的同時，與之相對抗的措施也不斷發展壯大。目前，擺在空基預警探測系統面前是三大難題：第一是隱身目標探測問題；第二是目標綜合識別問題，主要是非合作目標識別問題；第三是復雜戰場對抗問題。本文從信息系統層面出發，系統地討論解決以上三大難題方法，由此提出空基預警探測技術發展趨勢，希望對大家有所幫助，更期待本文觀點能夠引起共鳴，啟發更多同行參與思考和討論。

1隱身目標探測

現代戰爭中，軍事目標的隱身技術(也稱為“低可探測技術”)正逐漸被廣泛采用。典型的隱身技術包括雷達隱身技術、紅外隱身技術、磁隱身技術、聲隱身技術、可見光隱身技術和輻射源隱身技術等。隱身目標極大地降低了傳感器發現目標的距離，給現有的空基預警探測系統提出了巨大挑戰。

1.1隱身目標特點

下面分別分析空基預警探測系統面對的隱身飛機和隱身艦艇兩類隱身目標情況。

1.1.1隱身飛機

隱身飛機通過降低雷達散射截面(RCS)和減小自身的紅外輻射實現隱身。如圖1所示，比較典型的隱身飛機為美國的F-22戰斗機。

圖1　STK軟件開發的F-22模型圖

根據國外公開資料顯示，對于X波段雷達，迎頭飛行的F-22戰斗機的RCS只有不到0.01 m2，對世界各國的大多數現役雷達形成了巨大挑戰。

為定量分析隱身目標對現有空基信息系統探測能力的影響，圖2仿真分析了有源雷達探測距離隨目標RCS變化的曲線。圖中假設某空中目標的雷達散射截面積為5 m2，其探測距離為300 km。由圖2和表1可知，隨著目標RCS的減小，雷達的作用距離明顯降低。

圖2　作用距離隨散射截面積變化曲線

RCS/m2作用距離/km下降百分比/(￡￥)需增大功率孔徑積/dB5.00300.0004.00283.75.41.03.00264.012.02.21.00200.633.17.00.0163.478.927.0

當目標RCS下降為4.00 m2時，雷達作用距離變為283.7 km，威力下降5.4%；當目標RCS下降為0.01 m2時，雷達作用距離僅為約63.4 km，威力下降78.9%，為彌補由目標RCS降低引起的探測距離下降，系統功率孔徑積需要增大27.0 dB，系統功率孔徑積增加如此量級在空基預警探測系統很難實現。

1.1.2隱身艦船

隱身艦船作為未來艦船的主要發展方向，各國不惜投注大量的人力和財力進行研究和開發，并已取得了一些成果。一些隱身艦船已經問世，并顯示出良好的隱身性能。比較典型的隱身艦船有美海軍“朱姆沃爾特”號(DDG-1000)導彈驅逐艦，首艦于2013年10月28日下水，如圖3所示。為降低艦船本身的特征信號，提高艦船的戰場生存能力，DDG-1000采用封閉式上層結構設計實現全面隱身，它的各種通信設備都嵌入在甲板表面，艦身設計成向內傾斜的平面，這一點與大多數戰艦的向外傾斜相反，這種設計能有效地減少艦身的RCS，使常規艦艇RCS由500 m2~1 000 m2降低到100 m2以下，給海雜波中檢測目標造成很大困難。

圖3　“朱姆沃爾特”號導彈驅逐艦

1.2反隱身技術

解決隱身飛機和隱身艦船探測問題，不能僅簡單地從增加系統能力(功率孔徑積)出發，更需要從目標隱身原理著手尋找解決辦法。電磁隱身的核心問題在于降低RCS。因為RCS越小，探測系統就越難對目標做出正確判斷。目標減少RCS的方法多種多樣，主要包括：(1)目標外形優化設計；(2)吸波材料與透波材料的應用；(3)阻抗加載；(4)有源對消。其中，外形設計和應用吸波透波材料是實現目標隱身的兩大主流方向。因此，探測系統反隱身技術的研究也應該圍繞這兩大方向開展。

1)低頻反隱身

隱身目標的設計一般主要針對L、S、C、X波段等雷達，雷達頻率越低，目標隱身效果越差。因此，探測系統的工作波長向低頻段擴展，將使雷達具有一定的反隱身能力[3]。例如，經過仿真分析，在X波段，F-22的RCS為0.01m2左右；到L波段，其RCS增大為0.05m2～0.10m2；到了UHF波段，其RCS可望達到0.1 m2～0.5 m2，表明低頻雷達具有較好的反隱身效果。

2)高頻反隱身

高頻段具有反隱身優勢是由于天線在同孔徑條件下，頻率越高增益越大，從而高頻段系統比低頻段系統對目標有更遠的探測距離。高頻段雷達可與低頻段雷達配合使用。例如，P波段雷達作為預警探測，X波段雷達作為凝視探測(火控和制導)。隨著高頻段器件集成化和批量生產工藝的成熟，高頻段有源相控陣的重量、體積、功耗、成本大幅度下降，促進了工程應用。

3)分布式反隱身

采用分布式技術，將天線單元布置在機身上，充分利用機身表面積提高雷達的功率孔徑積，解決機載預警雷達天線罩的單一天線陣面雷達功率孔徑積限制，分布式天線孔徑面積可望提高10倍以上，是解決對隱身目標探測的又一個技術發展方向。

4)雙/多基地反隱身

雙/多基地技術把發射天線與接收天線分置安裝在不同的平臺上，從多個角度觀察目標，有利于獲得豐富的目標散射信息，理論上講對于某些特殊目標(后向散射系數特別弱的目標)可以獲得一定的反隱身性能。需要指出，學術界對雙多基地技術反隱身的效果還存在一定爭議，其有效性有待進一步分析論證及試驗驗證。機載外輻射源雷達(APR)[4-6]能有效利用本機雷達作為接收平臺，可與外部(包括敵方)空中、地面、海面多種同頻段輻射源構成雙/多基地，可以接收目標多個方向散射信號，實現“一發多收”或“多發多收”，可充分利用輻射源功率，提升整個作戰體系的預警探測能力。

5)反隱身艦船

目前，隱身艦船探測問題尚未引起學界高度重視，事實上隱身艦船大量采用先進的雷達、紅外、聲信號等隱身技術大大降低其被預警探測系統發現的概率。另外，在強海雜波和大量民船目標掩護下，隱身艦船漏警或虛警概率大大增加，其威脅程度不可小覷。隱身艦船探測問題應當提到與反隱身飛機同樣的高度，予以關注。通過深入研究隱身艦船的特點，針對其隱身技術的弱點，可提出有效的反隱身措施。例如，對隱身艦船而言，無線電通信信號很容易被探測到，而取消通信(具有輻射的)系統，會給海軍部隊的指揮、控制和情報傳輸帶來不利的影響，因此，無線電通信信號偵察是反隱身艦船的一種有效措施。其他反隱身艦船手段還需要進一步深入研究。

6)無源反隱身

在體系作戰中，無源探測手段具有高度的隱蔽性，寬廣的時空頻域覆蓋、精細的目標識別特性等突出特點，可在隱身目標被雷達發現前，對其進行識別和定位。這些特點克服了有源探測手段在體系對抗中的不足。在未來作戰環境中，利用紅外、可見光、輻射源、聲學等傳感器構成的無源探測系統也是重要的反隱身技術手段。

7)反“低小慢”目標

除以上隱身目標探測問題外，空基預警探測系統中的機載雷達還面臨對“低小慢”目標的探測問題。傳統的機載預警探測系統的脈沖多普勒(PD)體制采用脈沖高重復頻率，存在體制盲區，難以對付“低小慢”目標。合成孔徑雷達(SAR)和逆合成孔徑雷達(ISAR)可以對感興趣的目標進行高分辨成像處理，探測海面和地面的人和車船等目標更有利。因此，采用SAR、動目標顯示(GMTI)和ISAR等多種手段相結合可以有效解決“低小慢”目標探測的問題。

2目標綜合識別

目標識別技術是對目標信息特征進行分析、鑒別，從而對目標類型、屬性做出判斷的技術，具有三方面基本內涵：

(1)目標屬性的先驗知識是識別的基礎和前提，目標識別要有先驗知識庫支撐；

(2)目標識別結果服從概率統計規律，識別結果有置信度問題；

(3)聲光電多手段綜合運用是提高目標識別置信度的主要技術途徑，從“系統識別”向“體系識別”發展，識別層次從類型屬性向型號、個體和意圖發展，如圖4所示。

目標識別包括合作目標識別和非合作目標識別，如圖5所示。典型的合作目標識別手段包括目標機飛行計劃、IFF、SSR、AIS、ADS-B和數據鏈；典型的非合作目標識別傳感器包括IFF偵察、紅外光電、預警雷達、成像雷達、ESM以及CSM。

圖5　目標識別處理體系組成

經過近些年的發展，合作目標識別技術發展取得了巨大進展。下一步發展方向主要是提升各傳感器自身識別能力，發展“網內”的識別手段，在避免打擊“誤傷”基礎上，實現動態地掌握己方作戰成員當前作戰狀態，實施最佳戰術選擇。

與近年來合作目標識別技術取得的巨大成就相比，非合作目標識別(NCTR)技術雖然一直受到高度關注，但發展相對緩慢，是未來空基預警探測技術發展熱點與難點。

從長遠看，非合作目標識別問題必然要從系統識別層面發展到體系識別層面，即構建綜合目標識別體系。通過對來自各類傳感器獲取的目標特征信息的綜合處理，并結合來自外部協同作戰平臺提供的目標個體、類型、型號、屬性以及作戰意圖等識別信息，提供在不同戰場環境下目標敵我屬性的多方、精確識別能力，在整個作戰區域和作戰行動過程中對非合作目標進行持續識別。根據綜合目標識別體系的概念，未來空基預警探測系統應具備以下三方面能力。

1)全過程識別能力

由于非合作目標大量存在，各傳感器系統獲取的大量目標特征呈離散化、碎片化分布。因此，需要空基預警探測系統能夠綜合處理整個發現、跟蹤到摧毀過程中不同階段、不同類型傳感器獲取的目標信息，保持目標連續識別，以提高對目標屬性識別的準確性。

2)多傳感器的協同識別能力

未來的空基預警探測系統將配備更多先進的物理傳感器。為發揮眾多傳感器的作戰效能，任務系統對多傳感器的協同識別能力，將提出更高的性能指標需求。并且，從預警探測技術發展趨勢可知，未來空基預警探測系統將更多使用前沿無人平臺搭載傳感器方式擴展預警范圍，就必須能夠協同多個傳感器平臺對非合作目標進行探測、跟蹤和識別，能夠通過對多傳感器平臺獲取的目標識別信息的驗證和綜合處理，實現整個作戰體系平臺的協同識別。

3)對廣域條件下非合作目標識別能力

隨著傳感器探測技術的發展，未來空基預警探測系統的監視區域往往涉及整個戰區內的多維空間，需要識別的目標分布在空中、海上、陸地等多維空間，目標分布廣泛、密集、交錯，敵我界線模糊。同時，由于探測范圍的擴大，所能探測的區域內可能包括大量不同類型的非合作目標，增加了空基預警探測系統監視范圍內目標數量和類型。因此，要求空基預警探測系統的識別能力能夠對分布于空中、海上、陸地等多維戰場區域內實現對密集、非合作目標屬性的準確識別。

根據以上三方面能力需求，應構建聲光電磁以及紅外全譜域、全電磁空間多平臺協同的綜合目標識別體系，通過互補、融合和印證機制，形成戰場態勢感知識別系統，提高作戰決策支持完整性、時效性和準確性。

3復雜戰場對抗

據中國新聞網2015年2月3日報道，美國國防部提出“國防創新計劃”，該計劃指出“美國國防部將實施第三次抵消戰略，確保未來數十年內美國全球兵力投放能力具備競爭優勢”。所謂全球兵力投放至少涵蓋全球范圍內到達、全天候態勢感知和全球范圍對抗等三大范疇。2015年12月2日，美國戰略與預算評估中心發布了一篇名為《電波制勝：重拾美國在電磁頻譜領域的主宰地位》的研究報告，報告中首次提出了“電磁頻譜戰”的概念。美國國防部將電磁頻譜界定為第六作戰領域，這都顯示了頻譜作為戰略性資源和武器重要地位作用。電磁頻譜戰的要求空基預警探測系統能夠在全球復雜的自然地理環境、電磁環境和信息環境等復雜戰場對抗中為己方兵力提供技術保障和支撐。

從復雜戰場對抗發展趨勢看，未來空基預警探測系統應具備以下兩方面能力。

1)提高空基預警探測系統雜波抑制能力

復雜戰場地理環境(高原、城市上空、山地丘陵及濱海環境)適應能力是空基預警探測系統的核心技術能力之一。空基預警探測系統在復雜戰場地理環境下探測距離下降明顯，并且隨時投入戰場能力弱，地面無支援條件下獨立作戰能力差。對于沿海國家，濱海區海陸交界處雜波后向散射系數隨地形劇烈變化，雜波分布復雜且難以精確估計，給雜波抑制和目標檢測造成困難；另外，環境中存在著非同態雜波、密集目標背景、大的離散體和人造建筑、雙基地和非正側陣列引起的非平穩雜波、電子對抗等諸多因素都會顯著影響預警探測系統的性能。未來的空基預警探測系統要在全疆域作戰，需要采取有效措施提高雷達反雜波能力以快速適應未知地形和復雜地形，實現對復雜目標的探測、跟蹤和識別等任務。

2)提高預警探測傳感器抗干擾能力

要占領現代戰爭的制高點，必須要爭取戰場電磁環境的優勢。

以美軍為例，美空軍充分采用無線入侵、欺騙網絡攻擊以及電磁頻譜控制技術，在提升傳統電子攻擊裝備能力的基礎上，又增強了對戰場信息網的信息攻擊能力以及同其他電子對抗資源聯合與協同實施電子作戰行動的能力；大力拓展無人機平臺用于ISR和電子攻擊的領域，積極開發精準電子干擾、計算機網絡攻防武器、電磁反輻射、高功率射頻武器等一大批電子對抗武器和電磁軌道、電磁脈沖、等離子體等新概念武器系統，支持美軍電子對抗裝備轉型發展。

在未來戰場上，空基預警探測系統在整個作戰體系中居于重要地位，必然成為交戰雙方攻擊的主要對象，這些攻擊包括硬攻擊和來自空中、海上、陸地等多維空間的以電子對抗、光學對抗、聲對抗等方式的軟攻擊等。因此，要求空基預警探測系統具備能夠適應復雜電磁環境下的生存能力。

在雷達抗干擾[7]方面，可以用先進技術將現有雷達加以改進。例如，通過采用擴頻技術、頻率捷變技術、極化變換、低旁瓣或旁瓣對消、窄波束、置零技術、多波束、偽隨機噪聲，量子探測[8]等技術，來提高雷達的抗干擾能力。另外，近幾年提出的認知雷達[9]能夠根據目標和外部環境特性智能地選擇發射信號和工作方式以實現最優的雜波抑制和抗干擾性能，是機載預警雷達未來發展的重要方向。

有源無源協同探測技術利用有源無源傳感器所提供信息的互補性實現對目標有效探測，這種技術可顯著提高系統的抗干擾能力、生存能力及可靠性。需要指出，近年來，無源探測模式在空基預警探測系統中的地位越來越重要。先進的無源探測手段可以全天候實時偵聽對手各類有源傳感器及平臺的參數信息，迫使對手不敢輕易開機，對對手形成巨大的威懾。未來隨著探測精度的不斷提升，無源探測模式甚至可能成為主要的探測模式。

4結束語

意大利雷達專家Farina曾講過：“20多年前，很多雷達技術人員都對雷達的未來信心不足，感覺雷達技術己經發展到頂峰。20多年過去了，回頭看看，雷達仍然富有發展活力，取得很多成就”。這段話不僅適用于雷達技術的發展，對空基預警探測系統技術發展也是適用的。

這真是“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”。宇宙萬物，生生不息，循環往復，以至無窮。軍事需求的牽引和技術發展的進步是永無止境的。站在21世紀最初15年，回顧空基預警探測系統的發展歷程，描繪未來空基預警探測技術的發展路線圖，我們認為貫穿空基預警探測系統發展的核心問題是在重量、能量、空間資源甚至電磁場空間有限的前提下，如何有效構建基于空基預警探測系統的信息化作戰體系并追求作戰效能的最大化的問題。

要解決這個問題，就需要對未來空基預警探測系統的軍事需求、作戰環境和作戰體系進行深入研究，加強系統頂層設計，結合空基預警探測系統的發展呈現出的有源無源一體化、綜合一體化、微型化、數字化、認知化等特點，應當放在信息化武器體系中綜合考慮，將作戰各個環節緊密結合，運用得當，充分發揮聲光電磁等全譜域大帶寬等多種探測感知手段的作用，實現最大的作戰效能。

參 考 文 獻

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陸軍男，1964年生，研究員級高級工程師。研究方向為空基信息系統頂層設計與綜合集成。

編者按：自1945年第一架預警機服役以來,機載預警探測系統登上了歷史舞臺。經過70年的發展，機載預警雷達也取得了巨大的成就。值此之際，我刊于2015年第1期刊登了一篇南京電子技術研究所首席專家張良研究員撰寫的一篇名為《機載預警雷達技術發展展望》的文章，該文引起了很多讀者的關注，希望得到該領域更多“大家”的指導。特此，我刊又策劃了本期“機載預警雷達專題”，該專題誠邀中國電子科學研究院的陸軍研究員和曹晨研究員，及南京電子技術研究所張良研究員和郭先松研究員，分別從空基預警探測系統、機載預警雷達情報發展、機載預警雷達系統及機載預警雷達天線技術等角度撰寫了四篇高質量的文章。我刊期待能夠通過該專題啟發更多同行參與思考，為國防科技發展盡綿薄之力。

Development Trend of Airborne Early Warning System Technology

LU Jun，ZHANG Zhao，HU Ruixian

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041, China)

Abstract：The airborne early warning system (AEWS) is an essential part of the airborne information system. The three requirements are analysed respectively of stealth targets detection, target comprehensive recognition and complex battlefield confrontation, and then, the technology trend of AEWS is proposed in future.

Key words：airborne early warning system; stealth targets detection; target comprehensive recognition; complex battlefield confrontation

收稿日期：2015-08-22

修訂日期：2015-10-23

通信作者：陸軍Email：2992577646@qq.com

中圖分類號：TN959

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0001-05

DOI：·機載預警雷達專題· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.001