美國防空反導(dǎo)系統(tǒng)雷達新技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

趙飛　郭凱麗

面對導(dǎo)彈技術(shù)的擴散、五代機的入役和高超聲速武器等新威脅的出現(xiàn)，美軍的防空反導(dǎo)系統(tǒng)面臨著日益嚴(yán)重的威脅，目標(biāo)識別難題也更加嚴(yán)重。為進一步提升探測跟蹤及目標(biāo)識別能力，增強防空反導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，美國近年來從雷達新體制、新器件等多個方面，加大雷達新技術(shù)的研究力度。

美國防空反導(dǎo)雷達部署及不足

導(dǎo)彈預(yù)警雷達和天基紅外預(yù)警衛(wèi)星是美軍主要防空反導(dǎo)預(yù)警裝備。目前，美軍導(dǎo)彈預(yù)警雷達主要包括固定陣地的3部升級型早期預(yù)警雷達、2部鋪路爪雷達、1部丹麥眼鏡蛇雷達，以及移動型海基X波段雷達、前置型X波段雷達AN/TPY-2、巡洋艦和驅(qū)逐艦裝備的宙斯盾系統(tǒng)雷達AN/SPY-1、陸軍愛國者系統(tǒng)雷達AN/MPQ-53/65等。

其中，早期預(yù)警雷達、鋪路爪雷達和丹麥眼鏡蛇雷達是地基中段防御系統(tǒng)的預(yù)警雷達，分別工作在P波段和L波段，由于頻率低、帶寬窄，不具備目標(biāo)識別能力。前置型AN/TPY-2雷達對來襲彈頭的識別距離有限，主要用于跟蹤早期飛行階段的導(dǎo)彈?！爸嫠苟堋毕到y(tǒng)的AN/SPY-1雷達工作在S波段，“愛國者”系統(tǒng)的AN/MPQ-53/65雷達工作在C波段，頻率低且作用距離有限，用于對攔截彈的末段制導(dǎo)。?；鵛波段雷達具有高分辨能力，但最初建造目的是用于試驗，不具備作戰(zhàn)系統(tǒng)所需的可靠性和實用性，且雷達波束角度范圍（即電子視場）只有25°，限制了雷達處理呈大角度分散的多目標(biāo)的能力。因此，美國防空反導(dǎo)系統(tǒng)利用現(xiàn)有雷達進行目標(biāo)識別的能力尚有欠缺。

美軍目前主要依靠X波段雷達解決防空反導(dǎo)系統(tǒng)目標(biāo)識別的問題。2012年以來，美國相繼提出多項方案，以改善對來襲導(dǎo)彈的目標(biāo)識別性能，主要包括：在早期預(yù)警雷達附近部署堆疊式AN/TPY-2雷達或X波段非相控陣?yán)走_;將夸賈林靶場的GBR-P雷達樣機升級后部署至東海岸;以及新建S波段遠程識別雷達（LRDR），部署在阿拉斯加州克利爾空軍基地，在太平洋和夏威夷新建識別雷達等。

美國雷達新體制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為解決識別能力、成本、技戰(zhàn)指標(biāo)等不足，美國國防部門和防務(wù)公司發(fā)展了一系列雷達新技術(shù)。通過梳理近年來美國國防部門、軍工企業(yè)在雷達新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從雷達新體制、雷達新器件與新材料、雷達前沿技術(shù)等角度，研究雷達新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

在雷達新體制方面，美國重點研究了數(shù)字陣列雷達技術(shù)，多輸入多輸出（MIMO）雷達與分布式相參合成孔徑雷達技術(shù)，雷達自適應(yīng)技術(shù)與認知雷達，頻譜共享與雷達綜合射頻技術(shù)等。

發(fā)展數(shù)字陣列雷達技術(shù)，提升雷達多功能和小目標(biāo)檢測能力。數(shù)字陣列雷達是發(fā)射和接收波束均采用數(shù)字波束形成技術(shù)的全數(shù)字陣列掃描雷達，通過在數(shù)字域?qū)Πl(fā)射/接收信號進行幅相加權(quán)來形成所需波束，具有超低副瓣、多功能、小目標(biāo)檢測能力強、低截獲概率、易于實現(xiàn)軟件化和寬角度掃描等優(yōu)點，可用于搜索、監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤、火控、天氣監(jiān)測等各種應(yīng)用。

目前，美國陸軍、海軍都發(fā)展了數(shù)字陣列雷達技術(shù)。2010年，美國陸軍通信電子研究、開發(fā)與工程中心啟動數(shù)字陣列雷達項目，旨在驗證如何運用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)、高度集成收發(fā)器以及性能不斷增長的商業(yè)數(shù)字組件生產(chǎn)高性能、低成本的相控陣?yán)走_系統(tǒng)。2006年，美國海軍研究生院提出“反導(dǎo)反隱身機會數(shù)字陣列雷達”概念，旨在以數(shù)字陣列技術(shù)為基礎(chǔ)，以機會陣和孔徑結(jié)構(gòu)技術(shù)為核心，研究具有多種工作模式的新體制反導(dǎo)反隱身雷達，設(shè)想用于DDG-1000朱姆·沃爾特級驅(qū)逐艦。2014年—2018年，雷神公司設(shè)計靈活分布式陣列雷達，重點開發(fā)數(shù)字天線，用于雷達、通信和電子戰(zhàn)發(fā)送和接收射頻信號。2017年，世界首部采用大孔徑子陣級數(shù)字陣列技術(shù)的S波段艦載防空反導(dǎo)雷達AN/SPY-6在夏威夷成功完成3次實彈攔截測試，進入低速率初始生產(chǎn)階段。

發(fā)展MIMO雷達與分布式相參孔徑處理技術(shù)，提升雷達目標(biāo)探測威力。MIMO雷達是一種多通道發(fā)射、多通道接收的新雷達技術(shù)體制，是雷達組網(wǎng)的最高層次，能夠增大功率孔徑積，提高對目標(biāo)探威力，提高對隱身目標(biāo)探測的效能，具有優(yōu)良的抗摧毀、抗干擾性能和目標(biāo)識別能力，可用于構(gòu)建岸基預(yù)警雷達系統(tǒng)，遠距離微小目標(biāo)以及機載/星載動目標(biāo)的檢測等。該技術(shù)得到了美國空軍的高度重視，并取得了一系列進展。

分布式相參合成孔徑雷達是將若干部（設(shè)為N部）機動式雷達進行信號級合成處理，實現(xiàn)N3信噪比增益（MIMO雷達只能獲得N2信噪比增益），等效形成一個大威力的機動式雷達，滿足大威力、高精度探測與機動靈活部署等需求。

發(fā)展雷達自適應(yīng)對抗技術(shù)與認知雷達，提升雷達電子戰(zhàn)能力和智能化水平。雷達自適應(yīng)對抗技術(shù)是可識別敵方未知雷達系統(tǒng)的信號特征，利用實時生成的對抗措施進行電子干擾，并可進行效果評估的一種電子戰(zhàn)技術(shù)。2012年7月，美國防高級研究計劃局（DARPA）啟動自適應(yīng)雷達對抗（ARC）項目，旨在開發(fā)一種新型電子戰(zhàn)能力，有效識別敵方不斷變化和不清晰的雷達信號，并快速采用有效手段對其進行干擾。ARC技術(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，算法和信號處理軟件可以在不改造前端射頻硬件的情況下改造現(xiàn)有電子戰(zhàn)系統(tǒng)。ARC項目分為3個階段，研發(fā)周期為5年，重點進行算法開發(fā)和部件級測試，系統(tǒng)開發(fā)，研制一個實時自適應(yīng)雷達對抗樣機，并進行飛行測試。2014年11月和2016年7月，DARPA先后與BAE系統(tǒng)公司簽署合同，用于ARC項目的第二、三階段。BAE系統(tǒng)公司計劃2018年推出ARC樣機。

位于阿拉斯加的美軍早期預(yù)警雷達

鋪路爪雷達相控陣天線陣列

氮化鎵器件能顯著提升有源相控陣?yán)走_組件性能

認知雷達是具有感知周圍環(huán)境能力的智能、動態(tài)的閉環(huán)雷達系統(tǒng)，可實現(xiàn)對外界環(huán)境的連續(xù)感知，并實時、智能化地調(diào)節(jié)發(fā)射波形，雷達在發(fā)射、環(huán)境和接收之間形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。目前，國外認知雷達研究主要集中在認知雷達架構(gòu)、環(huán)境感知、認知發(fā)射、發(fā)射雜波抑制、雜波預(yù)測、認知系統(tǒng)模塊等方面。2014年，美國研究人員闡述了一種具備完全自適應(yīng)發(fā)射/接收的認知雷達架構(gòu)，提出應(yīng)用“感知—學(xué)習(xí)—適應(yīng)”方法實現(xiàn)雷達環(huán)境感知，并首次提出正交多輸入多輸出波形技術(shù)對高度非平穩(wěn)雜波預(yù)測的適用性。

發(fā)展雷達綜合射頻技術(shù)，提升雷達多功能水平。現(xiàn)代化體系作戰(zhàn)要求作戰(zhàn)平臺的載荷具有雷達、電子戰(zhàn)、通信等多種射頻功能。為此，美軍近年來開展了多個雷達綜合射頻項目。雙波段（DBR）雷達是為DDG-1000驅(qū)逐艦研制的雷達，由洛克希德·馬丁公司的AN/SPY-4體搜索雷達和雷神公司的AN/SPY-3多功能雷達綜合而成。DBR同時工作于兩個頻段，首次實現(xiàn)了用一個資源管理器協(xié)調(diào)兩個頻率的操作。能夠在波形級對任一部雷達進行控制，對兩個頻段進行綜合優(yōu)化利用，使雷達時間線的使用達到最大化;還可根據(jù)需要增加搜索和跟蹤重訪率，從而改善航跡相關(guān)處理能力，提供精確的威脅跟蹤，并減小對電子攻擊的敏感性。AMDR雷達由X波段雷達、S波段雷達以及1個雷達套件控制器組成。雷達套件控制器為2部雷達提供接口，協(xié)調(diào)管理2部雷達，使AMDR作為一個整體工作，保證AMDR雷達在反導(dǎo)、防空及海面戰(zhàn)等不同角色中快速轉(zhuǎn)換，未來將取代宙斯盾系統(tǒng)雷達。未來AMDR可能要增加電子攻擊能力，該功能可能使用基于大功率氮化鎵的有源相控陣來執(zhí)行完成。

DARPA的雷達和通信共享頻譜計劃。DARPA的雷達和通信共享頻譜計劃旨在提高雷達和通信共享頻譜的能力，主要支持兩種頻譜共享：軍用雷達和軍用通信系統(tǒng)（軍用/軍用共享）之間頻譜共享;軍用雷達和商業(yè)通信系統(tǒng)（軍用/商業(yè)共享）之間頻譜共享。第一階段對宙斯盾系統(tǒng)中的AN/SPY-1雷達和AN/TPS-80雷達進行了研究，運用仿真和分析手段驗證在保證雷達和通信系統(tǒng)性能的同時，頻譜共享是否具有可行性。2015年3月，第二階段工作重點關(guān)注2～4吉赫茲間的S波段。該計劃在雷達研究方面要使多功能雷達實現(xiàn)空中監(jiān)控、空中跟蹤、非合作目標(biāo)識別并且同時監(jiān)測天氣，通信系統(tǒng)研究重點關(guān)注軍用移動自組網(wǎng)和商用小型基站寬帶。

DARPA舉辦首個智能頻譜協(xié)作挑戰(zhàn)賽。2016年3月，DARPA官員公布“頻譜協(xié)作挑戰(zhàn)賽”，旨在確保數(shù)量成指數(shù)級增長的軍用和民用無線電設(shè)備能夠充分使用日益擁擠的電磁頻譜。DARPA為該挑戰(zhàn)賽建造了名為“羅馬斗獸場”的無線試驗臺，為下一代無線電系統(tǒng)評估頻譜共享策略、戰(zhàn)術(shù)和算法。SC2項目自2017年開始，分為三個階段，每個階段為期1年。DARPA希望以此加速機器學(xué)習(xí)技術(shù)的研發(fā)，在時間尺度上實時共享頻譜。2017年12月，30支競爭團隊在約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室參加了初賽。2018年12月，15支團隊在第二輪初賽中通過了6種不同的射頻場景，這些場景旨在模擬協(xié)同自主無線電將在現(xiàn)實世界中面臨的挑戰(zhàn)。第二輪比賽過程中自主協(xié)同第一次超越了目前的頻譜管理水平。

美國雷達新器件與新材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件和多種超材料技術(shù)的發(fā)展，雷達技戰(zhàn)指標(biāo)將出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。氮化鎵器件作為寬禁帶半導(dǎo)體器件的代表，其技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，并開始在美軍多個新雷達研制和舊雷達改造中得到廣泛應(yīng)用。超材料隨著技術(shù)成熟也將在多種軍用電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)展氮化鎵器件技術(shù)，實現(xiàn)雷達高性能和低成本。氮化鎵微波器件具有高擊穿電場強度、高截止頻率、良好的熱穩(wěn)定性、強抗輻射能力等特點，能夠提升有源相控陣?yán)走_收/發(fā)組件性能;提高雷達的工作頻率、工作帶寬和瞬時信號帶寬;提高放大器的輸出功率和功率密度;提高抗輻射能力等。雷神公司演示驗證了世界首個集成氮化鎵基單片微波集成電路。該器件功率、效率和帶寬性能卓越，能同時實現(xiàn)高性能和低成本。氮化鎵基射頻放大器的輸出功率密度比砷化鎵基器件高5倍，能使雷達提升50%的作用距離，或在相同時間內(nèi)增大5倍搜索空間體積。目前美軍的遠程識別雷達和地/空任務(wù)導(dǎo)向雷達都采用了氮化鎵器件，美軍還將氮化鎵器件用于新型愛國者雷達中。

發(fā)展超材料技術(shù)提升未來天線性能。超材料可用于導(dǎo)彈、機體、船體和車體等表面，實現(xiàn)寬頻、超薄隱身;可用于雷達罩，實現(xiàn)帶內(nèi)高透波和帶外高截止;還可制作小型超輕的寬頻天線。近年來，超材料技術(shù)在隱身、軍用天線等應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進展。2014年4月，英國BAE系統(tǒng)公司和倫敦瑪麗女王學(xué)院研制出一種新型超材料平面天線，利用超材料平面匯聚電磁波的特性，替代了傳統(tǒng)天線的拋物面反射器或球形“鏡頭”，實現(xiàn)了天線減重、小型化和帶寬擴展、信號增強。2017年，美國杜克大學(xué)用超材料制造出一種合成孔徑雷達，這種超材料由眾多微小的電子元件組成周期性結(jié)構(gòu)，每個電子元件都和電磁場相互作用，使得雷達能夠精確地控制輻射方向，性能更加靈活高效。

美國雷達前沿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雷達前沿技術(shù)領(lǐng)域主要包括量子雷達技術(shù)、太赫茲技術(shù)等。

發(fā)展量子雷達技術(shù)，提升雷達反隱身抗干擾能力。量子雷達技術(shù)是將量子信息技術(shù)應(yīng)用于雷達信號的生成、發(fā)射、接收和處理的技術(shù)。可用于探測隱身目標(biāo)的武器系統(tǒng)及空間探測等領(lǐng)域，并為反隱身提供了一種全新技術(shù)發(fā)展途徑。與傳統(tǒng)雷達相比，量子雷達具有分辨率高、探測距離遠、靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強和易于成像等顯著特點。鑒于其強大的反隱身抗干擾能力，美國海軍、陸軍都進行了量子雷達研究。量子雷達的理論已經(jīng)成熟，但受關(guān)鍵技術(shù)及器件的限制，技術(shù)與實踐研究仍處于探索階段。

AMDR雷達概念圖

2012年12月，美國羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所披露了利用量子增強型激光雷達，對隱身目標(biāo)進行探測的試驗情況。試驗證明量子雷達不僅能探測到隱身飛機，還能探測具有欺騙能力的隱身飛機。這是世界上首次應(yīng)用量子理論研制成功的量子成像雷達系統(tǒng)。2015年，德國亞琛大學(xué)、美國麻省理工、英國約克大學(xué)組成的聯(lián)合團隊首次創(chuàng)造性提出了一種微波量子雷達系統(tǒng)形態(tài)，為量子雷達技術(shù)從光頻段轉(zhuǎn)入更適合目標(biāo)監(jiān)測的微波波段提供了全新方案。2018年4月，加拿大滑鐵盧大學(xué)量子計算研究院成功研制出一種新型量子雷達，能夠在大幅降低復(fù)雜背景噪聲干擾的同時剝離探測目標(biāo)，可有效探測隱身飛機和隱身導(dǎo)彈。

發(fā)展太赫茲技術(shù)，發(fā)掘?qū)楊A(yù)警能力。20世紀(jì)80年代末，各國開始加大對太赫茲技術(shù)的研究力度。目前大功率太赫茲波輻射源和高靈敏度探測技術(shù)的研究取得了關(guān)鍵性突破，太赫茲技術(shù)已應(yīng)用于環(huán)境檢測、生物醫(yī)學(xué)以及天文物理學(xué)等領(lǐng)域，未來在軍事通信、戰(zhàn)場偵察、精確制導(dǎo)、反隱身、電子戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。美國DARPA開展了多項太赫茲技術(shù)研究。2012年推出視頻合成孔徑雷達計劃，2014年推出成像雷達先進掃描技術(shù)，2016年在專門雷達特征解決方案中加強亞毫米波目標(biāo)特性測量雷達研究。太赫茲技術(shù)在導(dǎo)彈預(yù)警方面有著潛在應(yīng)用。導(dǎo)彈尾焰分子在太赫茲頻段上可吸收能量并在光譜上特定頻率范圍內(nèi)形成吸收線，通過光譜分析可對導(dǎo)彈尾焰進行識別，實現(xiàn)對戰(zhàn)略或戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的密切跟蹤監(jiān)視，精確確定導(dǎo)彈發(fā)動機的關(guān)機時間，進行導(dǎo)彈防御。

目前，美軍已經(jīng)在雷達中應(yīng)用的新技術(shù)包括數(shù)字化陣列技術(shù)、綜合射頻技術(shù)等。其中，以氮化鎵器件為代表的新材料技術(shù)，近年已在美軍現(xiàn)有雷達改進和新雷達研制中得到廣泛應(yīng)用;未來美軍還將通過認知雷達技術(shù)實現(xiàn)雷達智能化，通過與量子信息技術(shù)等前沿技術(shù)結(jié)合，進一步提升對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別能力。

責(zé)任編輯：彭振忠