綜合射頻系統技術研究進展及發展前景

楊勇軍，梅進杰，雷云龍

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著武器裝備中信息化技術的發展，現代化戰爭對作戰平臺的綜合作戰性能的需求逐步上升，現代化武器系統必須適應多功能、一體化這一發展趨勢。長期以來，機載、艦載等武器平臺上裝備的各類射頻傳感器都是單獨分散地安裝在系統中，其完成的功能單一，兼容性差，不能形成一個高效的綜合作戰系統。系統中大量的電子設備引發的一個重要問題就是天線的數量越來越多，直接導致受限作戰平臺重量增加、成本加劇、維護困難等，這嚴重違背了武器裝備系統精簡高效的原則。對此，許多國家都積極開展綜合射頻系統技術的研究工作，在強烈的軍備競爭中不斷研發更高效率的綜合射頻系統。

1 綜合射頻系統技術概念

綜合射頻系統技術是指用幾個分布式寬帶多功能孔徑代替目前平臺上數量眾多的天線孔徑，采用一體化、模塊化、可重構的射頻傳感器系統的體系架構[1-2]。圖1為系統原理框圖。

圖1 綜合射頻系統原理框圖

系統通過射頻陣列天線，可以實現全雙工工作模式[3-5]。發射時，系統利用計算機軟件控制產生所需波形，合理分配信號的頻譜資源，然后將信號經發射陣列天線發射出去。接收時，接收到的不同信號經過波束形成或窄帶濾波器，解調后的信號進入數據處理中心[6]，從而實現雷達、通信、電子戰等多種功能。這些工作需要在同步的時鐘下經過計算機的資源調配進行。

2 綜合射頻系統技術及其研究進展

自20世紀下頁以來，數字化、信息化的快速發展推動了綜合射頻系統技術的發展。從概念的提出到關鍵技術的突破，綜合射頻系統技術已經逐漸列入了各國的實際裝備中。綜合射頻系統技術主要分為綜合孔徑技術、綜合射頻技術和多功能軟件技術，下面將分別介紹其國外研究進展。

2.1 綜合孔徑

綜合孔徑雷達系統遍使用線性調頻信號作為其發射信號，其具有對多普勒頻移不敏感、包絡恒定等優點[7-8]。由于其頻率的線性放大，使得合成孔徑雷達的發射波形可以達到很大的帶寬，確保了探測性能的精確度。

其信號恒定的包絡使得雷達發射機可以使用更高的功率大幅提升信號的功率，從而保證足夠遠的作用距離。若是結合通信功能，則可以增加通信信噪比，提高誤碼性能。在接收時則采用相應的脈沖壓縮方法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力。

線性調頻信號特征的脈沖波形復數表示為：

(1)

式中：fc為載頻率；Tp為脈沖時寬；K為調頻斜率，當信號帶寬為B時，K=B/Tp；rect(t/Tp)表示矩形窗函數，表達式為：

(2)

S(t)信號如圖2所示。

圖2 LFM信號

對LFM信號S(t)進行傅里葉變換可得信號的頻域表達式為[9-12]:

(3)

由式(3)可得LFM信號頻譜圖如圖3所示。

圖3 LFM脈沖信號頻譜

對LFM信號進行匹配濾波便可以實現LFM信號的脈沖壓縮。線性調頻信號脈沖壓縮后的波形如圖4所示，從圖中可看出信號主副瓣比較大，能夠有效實現旁瓣抑制。

圖4 LFM脈沖信號脈壓輸出

通過求解信號的模糊函數分析回波中出現多普勒頻偏時的脈壓效果。雷達信號模糊函數的定義為：

(4)

式中：s(t)為雷達信號復包絡；τ為時間延遲；*為復數共扼；fd為多普勒頻移。

模糊函數反映了多普勒頻率為fd時信號的脈壓效果。LFM信號模糊函數為：

χ(τ,fd)= (Tp-|τ|)exp(jπfdτ)·

sinc[(Kτ+fd)(Tp-|τ|)]

(5)

式中：|τ|≤Tp。

LFM脈沖信號模糊函數如圖5所示，LFM信號的模糊函數是非常典型的斜刀刃狀，這種信號對多普勒頻移不敏感，可獲取較高的距離分辨率或速度分辨率。

圖5 LFM脈沖信號模糊函數

目前國外研究綜合孔徑技術的主要有先進共用孔徑 (ASAP)項目和可重構孔徑(RECAP)項目。

2.1.1 ASAP項目

ASAP項目實現了電子戰和通信一體化功能。其先進之處在于能靈活變換功率放大器增益或信號帶寬等指標，能有效適應戰場瞬息萬變的實際情況。其基本結構是用先進的陣列天線代替傳統的單一天線。其陣列天線由16個單元子陣組成。陣列型天線相比傳統天線能獲取多方面精確的數據。其寬波束功能分布在陣列的側邊和上面，其數個單元子陣可以有效抑制旁瓣，抗干擾能力加強。其各個子陣列可以根據需要進行排列組合，減少了冗余天線，相比傳統天線雖然其天線數量增多，但是體積重量減少，大大增強了其雷達截面積。

2.1.2 RECAP項目

美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動可重構孔徑(RECAP)項目，其目標是加大天線信號寬帶，實現精確探測需求。在實現過程中，該項目計劃用微機電系統(MEMS)技術對現有的天線進行重新改造，加入了寬角掃描功能[12]。但是由于MEMS技術的不成熟，該項目的許多關鍵技術沒有突破。雖然提出了許多創新方案，但是還停留在理論階段，在工程方面難以實現。

2.2 綜合射頻

要實現綜合射頻，其基礎是層次化和模塊化的系統結構，增加自身系統的兼容性。為了易于工程實現，去頻段的選擇需要綜合考慮雷達、通信、電子戰等常用工作頻段的特點。為提高其可靠性，采用分布式的方法處理核心部件，使得系統架構和總線結構更加開放，方便循環利用模塊和元件，降低系統的成本[13]。美國綜合射頻各項目的發展情況總覽[14]如圖6所示。

圖6 美國綜合射頻項目發展時間圖

2.2.1 美國海軍的電磁機動指揮控制技術(EMC2)

電磁機動指揮控制技術(EMC2)是由美國海軍研究局(ONR)正在著手進行發展的項目。該項目計劃開發一些原型技術，進一步構建能夠將共用基礎設施中的雷達、通信、電子戰系統和信息作戰系統等諸多功能整合在一起的先進多用途射頻結構體系架構。并且EMC2技術發展計劃還將開發硬件和軟件密集型的系統，這些系統能夠提供實現在廣泛的頻率范圍內監控無線電頻譜，并能對作戰要求和電磁環境的變化做出不同的響應，為實現各種功能重新分配頻率和資源。

2.2.2 美國海軍的AMRFC計劃

先進多功能射頻概念(AMRFC)是一個由美國海軍開展的研究項目。其目是為了用實驗驗證在艦船上集成各種射頻功能后的效果。其試驗器件主要是大寬帶天線、功率發射器、數字軟件處理等[15]。其最大可能簡化的結構使得艦船上的天線大大減少，降低了美國海軍艦船的成本，增加了艦船隱身能力，使其攻防能力進一步提升。

2.2.3 美軍F-35戰機的綜合射頻傳感器系統

在隱身戰斗機F-22的基礎上，美軍研發出了下一代F-35戰機。先前的“寶石柱”計劃仍使用獨立分散的射頻傳感器系統，數字處理模塊過于封閉。F-35戰機作出了很多改進，最突出的地方是采用了高度綜合化的航電系統[16-17]。其軟件方面也重新開發出了能適應綜合一體化的功能，相比以往不同功能需要加載不同軟件，現在一個軟件可以完成各種功能，使得系統更加穩定。在面對現代化復雜電磁環境時，F-35的性能明顯比上一代機優秀。因此F-35戰機已經成功服役于美軍的各軍兵種。

2.3 多功能軟件

多功能軟件系統是所有硬件結構的驅動，也是武器裝備技術與計算機技術綜合利用的橋梁。在現代化信息化戰爭的背景下，多功能軟件技術在系統中發揮著舉足輕重的作用[18]。系統采用開放式的軟件架構，并且采用分層形式，如圖7所示[19-20]。通過系統藍圖可以進行相應的管理和配置。

圖7 系統軟件設計結構

2.3.1 Block 0.5軟件

2010年6月，美國對機載雷達APG-81試驗測試了5組軟件[21]。該型雷達安裝的軟件主要是Block 0.5軟件，在該型雷達總體計劃的編碼中，它占據了60%。結合了先進多功能軟件使得該型雷達相比傳統雷達綜合一體化能力更強。

2.3.2 任務系統軟件

安裝在F-35戰機上的任務系統軟件能對各種接收器的數據進行智能處理，從而能簡要地向飛行員傳遞關鍵態勢信息。該軟件的任一功能結構都能接收系統所有的傳感器信息，從而可以相互協調，綜合分析判斷。通過分析更多的數據[22-23]，利用數據的相關性可以排除無用信息，使得戰機能夠有效應對現代化信息泛濫的戰爭環境。

3 綜合射頻系統技術發展前景

(1) 綜合射頻系統將繼續向著綜合一體化方向發展，并且可靠性、有效性將出現質的飛躍。

綜合射頻系統將對系統開放式體系架構、陣列天線的集成、多任務分配、大帶寬信號波形設計、優化資源配置、明確工作分工秩序等方面進行深入發展，從而實現整個綜合射頻系統從部件到整體的模塊化設計，以適應新型武器結構綜合化、控制智能化及信息融合化的未來發展趨勢。其實現電子系統綜合，充分結合各總電子設備的功能，大幅提升了復雜作戰環境中裝備的戰斗力[24]。另外，研究人員將從系統的觀念出發，繼續對其架構、兼容方式、裝備組成、效能等進行綜合的研究，使用不同方案反復對比驗證，使其在設計方面取最優值。

(2) 隨著數字化技術的發展，綜合射頻系統信息化程度將越來越高。

信息化是現代化戰爭中實施聯合作戰的重要條件。目前，現代化戰爭主要是以信息化為主導，多技術、多體系聯合作戰。綜合射頻系統不但能夠大大提高作戰能力，而且能有效解決受限作戰平臺的資源利用問題?，F代化和信息化的軍事更加強調信息的對抗。面對復雜多變的信息環境，現代戰爭體系對系統的隱蔽性和對目標精確探測的持續性、可靠性以及敵我識別能力等方面的要求將由傳統單獨分散的傳感器邁向多傳感器系統的綜合[25]。

隨著各國陸、海、空、天一體化作戰體系的出現，以及大數據時代的來臨，信息融合和資源共享有利于利用網絡協同作戰，是打贏現代化和信息化戰爭的重要基礎。綜合射頻系統為了在戰場上能實時進行網絡信息交換，綜合使用各類傳感器，從而提高對戰場稍縱即逝信息的捕獲；而且能有效利用大數據技術讓各種戰術數據鏈和戰場信息動態結合，提高其對戰場信息感知、信息獲取和信息綜合處理能力，從而大大提高多平臺協同作戰能力。

(3) 綜合射頻系統重量、體積、成本、功耗、效率將不斷降低。

綜合射頻系統技術將各個分系統高度集成一體，并且可重復使用，提高了各個模塊的重復利用率，減少了系統的冗余成分，系統總的質量、體積、功耗等都將有相當程度的降低[26-27]。綜合射頻系統技術綜合在天線和射頻前端以及在數據處理等方面進行一體化設計，使得工程實現方面可以僅用少數射頻模塊就可以有機組成一個具備雷達、通信、電子戰等多功能一體化綜合射頻航空電子系統。

另外射頻單元有機結合最新的商用貨架技術，易于擴展和優化，而且更新換代快，軍用和民用都很廣泛，從而平鋪了研制成本。由于硬件模塊都是統一接口標準，因此各種不同武器裝備可以共用模塊，通過生產線量化生產，也可以降低成本，并降低技術風險，提高可靠性。

(4) 綜合射頻系統在新型武器平臺中的應用更為廣泛。

隨著軍事電子技術快速發展，各種武器裝備攻擊力增加的同時，其受到的威脅也是相應增加。為了能在復雜的環境中做到攻防一體[28-30]，新型武器平臺必須充分利用綜合射頻系統。而且新型武器平臺趨于小型化、無人化，以往電子裝備分開使用早已無法滿足需求[31]。因此，在新型武器平臺中廣泛應用綜合射頻系統，有機組成一種綜合性的電子作戰系統[32]，集攻擊迅速、主動防護等為一體的綜合射頻系統是新型武器平臺發展的必然趨勢。

目前，這種綜合射頻系統已經舉世矚目，并且歐美、俄羅斯等軍事強國已經在各軍兵種中初步列裝部隊，其民用方面也開始推廣，發展前景一片光明[33]。

4 結束語

總體來看，綜合射頻系統技術的發展已經上升到了一個新的高度。世界各國的研究也取得了一定的成果，推動了其在飛機、艦船等武器平臺或軍民融合方面的應用，具有很廣泛的發展前景。雖然目前理論方面已經取得了許多突破，但是在工程實現方面還有待加強。

由于受到各國的重視，其發展速度和前景不容小覷。與其相關的關鍵技術也已經開始走向成熟和實用階段，其優異的性能已經在部分戰艦、戰斗機和車輛平臺上得到了很好的證明。我們應重視研究國內外綜合射頻系統技術的最新發展動態和發展前景，推動我軍武器平臺在信息化集成方面上一個新的臺階。