瓦片式直升機智能蒙皮雷達(dá)技術(shù)研究

李 剛 李 濤

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068；2.陸軍駐二〇六所軍代室 西安 710100)

0 引言

直升機具有快速機動、精確打擊以及信息作戰(zhàn)的特點，能夠執(zhí)行偵察、攻擊、無線電通信以及電子對抗等任務(wù)，是現(xiàn)代陸戰(zhàn)場的核心裝備[1]。傳統(tǒng)上根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要在直升機上安裝成像、搜索、跟蹤等不同功能雷達(dá)以及無線電通信和電子對抗等設(shè)備，由于直升機體積小、載重量受限，難以承載過多獨立工作的航電設(shè)備，且外置天線會對直升機的飛行氣動性和隱身性能造成影響。

智能蒙皮技術(shù)可以有效解決當(dāng)前直升機面臨的問題。所謂智能蒙皮主要包含“蒙皮”和“智能”兩層含義[2]，“蒙皮”是指共形天線技術(shù)，即把相控陣天線和飛機蒙皮相結(jié)合，構(gòu)成與載機外殼共形的陣列天線，解決直升機隱身、氣動性問題。“智能”是指通過后端控制處理組合實現(xiàn)波束自適應(yīng)、多功能任務(wù)分配等。美軍率先提出智能蒙皮概念并展開研究[3]，目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于第五代戰(zhàn)機，國內(nèi)目前尚無智能蒙皮應(yīng)用的報道。西安電子科技大學(xué)等針對共形陣列天線技術(shù)開展了深入研究[4]，中國電科20所成功研制出集成了射頻信號產(chǎn)生、上變頻、發(fā)射、接收、下變頻、采樣等功能的瓦片式數(shù)字子陣[5]，并以火炮為平臺進(jìn)行了共形天線設(shè)計，具備了共形雷達(dá)設(shè)計基礎(chǔ)。

圖1 瓦片式數(shù)字子陣

本文提出一種基于瓦片式數(shù)字陣列天線和后端通用處理機的直升機智能蒙皮雷達(dá)設(shè)計思路，并對系統(tǒng)組成和工作原理進(jìn)行了介紹，給出了關(guān)鍵技術(shù)的解決思路，并基于綜合射頻思想提出兼具多功能的新型智能蒙皮雷達(dá)系統(tǒng)，指出了瓦片式直升機智能蒙皮的下一步研究方向。

1 瓦片式直升機智能蒙皮雷達(dá)

瓦片式智能蒙皮雷達(dá)由射頻分系統(tǒng)、數(shù)字多波束分系統(tǒng)、信號/數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、任務(wù)管理和智能控制分系統(tǒng)以及電源、頻率源等組成。其中射頻部分與直升機蒙皮實現(xiàn)共形，完成雷達(dá)前端功能，后端通用信號/數(shù)據(jù)處理機包含數(shù)據(jù)存儲、信號處理、波形控制、任務(wù)管理、智能控制等模塊，主要完成信號/數(shù)據(jù)處理功能、波形控制及雷達(dá)任務(wù)的智能管理等，如圖2所示。

圖2 直升機載智能蒙皮雷達(dá)系統(tǒng)組成

瓦片式智能蒙皮雷達(dá)根據(jù)直升機外形特點合理布置子陣，構(gòu)成與機身蒙皮共形的陣列天線，其構(gòu)成的射頻前端不僅能夠完成波形的產(chǎn)生、發(fā)射及回波信號的接收，而且能夠?qū)夭ㄐ盘栠M(jìn)行預(yù)處理及A/D采樣，輸出數(shù)字中頻信號或者基帶信號。

頻率源、電源以及信號/數(shù)據(jù)處理機采用隔震設(shè)計安裝在機艙內(nèi)。頻率源為雷達(dá)系統(tǒng)提供本振信號、頻率基準(zhǔn)和各種時鐘，電源為各分機供電。通用信號/數(shù)據(jù)處理機采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI機箱，統(tǒng)一接口，高速光纖傳輸，包含信號處理、數(shù)據(jù)處理、波形控制、雷達(dá)管理等功能模塊。

信號處理模塊接收射頻前端傳回的I/Q信號，根據(jù)雷達(dá)任務(wù)管理器指令進(jìn)行常規(guī)信號處理或者成像識別處理，判斷目標(biāo)類型、位置、運動軌跡并對其進(jìn)行跟蹤。

數(shù)字多波束系統(tǒng)具備分布式波形控制、多波束發(fā)射及自適應(yīng)波束形成技術(shù)，能夠形成靈活多樣的波束形式，保證了多種工作模式的實現(xiàn)。

任務(wù)管理模塊根據(jù)雷達(dá)工作的不同模式如對地、對海、對空搜索、跟蹤以及成像、動目標(biāo)檢測等，將控制產(chǎn)生不同的波束以及決定采取何種信號處理方法。智能控制模塊根據(jù)探測到的干擾源，控制波束自適應(yīng)，實現(xiàn)抗干擾功能。當(dāng)戰(zhàn)斗中部分蒙皮受損失時，智能控制模塊能對剩余資源進(jìn)行重新分配、組合和功能重構(gòu)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決思路

2.1 共形天線技術(shù)

基于瓦片式數(shù)字子陣的共形天線分布式配置是瓦片式直升機智能蒙皮雷達(dá)的核心。由于直升機蒙皮面積相對較小并且包含許多曲面、異形面，因此需要在不影響載機的氣動特性和隱身特性的前提下布置共形天線，同時綜合考慮載機的外形特點、承重能力、波束照射區(qū)域、數(shù)字陣形成的波束形狀、增益和指向等最優(yōu)地配置陣列天線。如圖3所示，在直升機的不同部位配置天線陣元，以實現(xiàn)不同雷達(dá)功能。

圖3 直升機共形陣列天線組陣示意圖

2.2 數(shù)字陣列天線波束形成技術(shù)

瓦片式數(shù)字陣列天線的陣元數(shù)量眾多，且在三維空間任意分布，為形成目標(biāo)波束，需要有多個自由度被約束，如單元的空間位置、間距、激勵狀態(tài)(開/關(guān))、幅度和相位加權(quán)等，波束綜合較為困難。

考慮到直升機智能蒙皮雷達(dá)組陣復(fù)雜，需要使用智能優(yōu)化算法求取全局最優(yōu)解。采用遺傳算法[6](GA)作為瓦片式數(shù)字陣列天線波束綜合優(yōu)化工具，在球面坐標(biāo)系下建立3D 空間隨機分布天線單元波束綜合數(shù)學(xué)模型，以該模型設(shè)計遺傳算法(GA)目標(biāo)函數(shù)(即適應(yīng)度函數(shù)),并通過多參數(shù)(如主瓣寬度、旁瓣電平、波束指向等)約束設(shè)計，實現(xiàn)方向圖的綜合優(yōu)化。

2.3 載機振動影響及運動補償

直升機與固定翼飛機相比存在著振動大、速度低、姿態(tài)穩(wěn)定性差等特點。振動會造成雷達(dá)等電子設(shè)備疲勞甚至損壞，并且會對雷達(dá)的探測性能造成影響。使用隔振器將雷達(dá)艙內(nèi)設(shè)備與支撐座相隔開，可以有效減小振動沖擊的影響。共形天線分布在載機表面，受到空氣阻力和機體振動的共同作用會發(fā)生形變與位置擾動，因此必須對其進(jìn)行運動補償。

西北工業(yè)大學(xué)雷娟[7]、空軍工程大學(xué)侯青松[8]等人研究了共形陣列天線振動的影響及運動補償方法，基于前人研究基礎(chǔ)，本文提出通過對共形陣列天線建模，采用時變的導(dǎo)向矢量在一個振動周期內(nèi)計算MUSIC譜，搜索時空二維的MUSIC譜的譜峰，得到共形天線振動條件下的方位估計和位置誤差，依此對其進(jìn)行校正和補償。

2.4 高密度子陣散熱技術(shù)

瓦片式子陣涉及高頻、高密度組裝技術(shù)，因此由瓦片式子陣構(gòu)成的陣列天線熱設(shè)計是一項關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，強迫風(fēng)冷已經(jīng)在機載平臺上廣泛應(yīng)用，考慮到液冷設(shè)備重量較大，因此子陣散熱方式首選風(fēng)冷。在實際應(yīng)用中，由于瓦片式智能蒙皮采用高頻、寬頻段、多功能設(shè)計，為了保證瓦片陣列正常工作，若經(jīng)計算仿真顯示風(fēng)冷無法滿足散熱要求，即考慮對瓦片式子陣進(jìn)行改造，在T/R組件及多功能芯片下埋設(shè)液冷管道外加小型冷卻泵以提高散熱能力。

2.5 智能控制技術(shù)

智能控制分系統(tǒng)主要包括健康監(jiān)測子系統(tǒng)、電磁調(diào)控子系統(tǒng)及功能維護(hù)子系統(tǒng)，通過對智能蒙皮雷達(dá)中射頻部分、信號處理部分、波形控制部分等的控制，使系統(tǒng)保持高效工作。健康監(jiān)測子系統(tǒng)采用傳感器監(jiān)測和發(fā)送指令詢問的方式實時監(jiān)測各功能模塊是否正常工作；電磁調(diào)控子系統(tǒng)根據(jù)不同工作模式執(zhí)行不同的發(fā)射波形和信號處理方法，根據(jù)監(jiān)測到的干擾源參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)波束形成，實現(xiàn)抗干擾；功能維護(hù)子系統(tǒng)在收到單元受損報告后啟動備用單元或啟用備用算法，進(jìn)行硬件補償或軟件補償，完成資源的重新分配、組合以及功能重構(gòu)，保障系統(tǒng)功能繼續(xù)正常發(fā)揮。

3 基于綜合射頻的新型多功能智能蒙皮雷達(dá)

綜合射頻技術(shù)可以將飛行器上眾多天線用一部分布式寬帶多功能孔徑天線替代[9]，該天線產(chǎn)生多個單獨控制的波束，由后端通用多功能中心機控制波束，實現(xiàn)多功能。采用綜合射頻技術(shù)在減小重量的同時可以顯著減少成本并提高可靠性。

圖4 多功能智能蒙皮雷達(dá)架構(gòu)

基于綜合射頻的新型多功能智能蒙皮雷達(dá)以分布機身的瓦片式共形陣列天線作為通用射頻模塊，由后端計算機控制發(fā)射多波束，并將回波數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)字化后通過光纖送入信號預(yù)處理器進(jìn)行數(shù)字波束形成、脈沖壓縮等處理，之后交由中心航電系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理。信號預(yù)處理和中心航電系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)機箱，統(tǒng)一通訊協(xié)議，光纖高速傳輸，標(biāo)準(zhǔn)化接口，支持即插即用，配備多塊冗余處理板和多塊大容量存儲器，基于軟件編程進(jìn)行波束控制、信號處理的智能協(xié)調(diào)、分配，形成一個兼容探測、識別、火力控制、數(shù)據(jù)鏈、電子對抗等綜合功能的航電系統(tǒng)。采用綜合射頻技術(shù)的瓦片式智能蒙皮能夠大幅減輕機載航電設(shè)備重量、顯著降低成本并提高可靠性，是未來研究發(fā)展的方向。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于瓦片式數(shù)字子陣的直升機智能蒙皮雷達(dá)方案，通過與機身蒙皮一體化設(shè)計的瓦片式陣列天線可實現(xiàn)大口徑、多功能雷達(dá)功能，并且不影響直升機氣動性，通過后端智能化控制實現(xiàn)波束自適應(yīng)及多功能任務(wù)分配。文中針對瓦片式智能蒙皮雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)給出了解決思路。未來直升機智能蒙皮雷達(dá)將朝著多功能方向繼續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)與通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)一體化設(shè)計，具備綜合感知和自主決策能力，顯著提高作戰(zhàn)能力。

參考文獻(xiàn):

[1] 石智新．國外直升機載雷達(dá)[J]．四川兵工學(xué)報, 2012,33(3): 115 - 118.

[2] 何慶強，王秉中，何海丹．智能蒙皮天線的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]．電訊技術(shù), 2014,54(8):1039-1045.

[3] Lockyer A J, Alt K H, Kudva J N, et al. Structural finite element modeling strategies for a conformal load bearing antenna structure (CLAS)[C]//Proceedings of SPIE 1997. San Jose, CA: IEEE, 1997:166-172.

[4] 齊飛林．復(fù)合制導(dǎo)體制下毫米波共形陣列的數(shù)字波束形成方法研究[D]．西安: 西安電子科技大學(xué).2010．

[5] 張慧鋒，季帥，嚴(yán)少敏．小型化Ku波段瓦片式TR組件設(shè)計[J]．中國西部科技, 2015, 14(5): 45-47.

[6] 王黎瑩．基于GA-PSO混合算法的陣列天線優(yōu)化[D]．西安: 西安電子科技大學(xué),2014．

[7] 雷娟，王惠剛，麻軍偉等．一種振動條件下的方位估計及補償技術(shù)[J]．計算機測量與控制, 2013, 21(1): 204-206.

[8] 侯青松，郭英，王布宏等．共形陣列天線振動條件下穩(wěn)健的DOA估計及位置誤差校正[J]．信號處理, 2010, 26(11): 1756-1760.

[9] 薛慧，張昊．機載多功能綜合射頻一體化發(fā)展研究[J]．中國電子科學(xué)研究院學(xué)報, 2016, 11(5): 532-539.