一種艦載分布式數字陣列雷達系統技術研究

王 露，安政帥，宋嘉奇

一種艦載分布式數字陣列雷達系統技術研究

王 露，安政帥，宋嘉奇

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

分布式陣列雷達采用多個分布式小孔徑子陣，通過相參處理的方式來擴大天線孔徑，提高測角精度與分辨率，增強探測威力，可以為大物理孔徑陣列雷達的設計提供更高的自由度。介紹了一種艦載分布式數字陣列雷達系統，結合P~L波段超寬帶天線和數字陣列的優點，通過采用分布式陣列體制以及數字陣列信號處理技術，有效增加天線孔徑尺寸和信息獲取能力，提高雷達的探測性能；采用天線與艦體共形設計，實現艦體與電磁隱身，提升水面艦艇集成一體化設計能力。雷達系統可針對不同艦船平臺結構進行孔徑重構和優化布陣，具有多功能、多模式、通用性強的優點。

分布式陣列；艦體共形；孔徑重構；優化布陣

0 引言

當前海洋安全面臨新的挑戰，水面艦艇承擔的作戰任務也越來越趨于多樣化，需要增強遠海海域常態化、全天候、大范圍的監測能力，實時發現、識別、定位軍事目標，獲取統一態勢[1-3]。分布式數字陣列雷達是隨著現代戰爭和戰場環境的復雜化、雷達作用距離對陣面孔徑尺寸的要求和高技術條件對雷達系統的應用需求而提出的新概念、新體制雷達，突破了傳統雷達對功率和孔徑的制約。本文旨在探討分布式數字陣列雷達技術在改變雷達系統設計思維、發展新體制艦載雷達方面的能力分析。

1 艦載雷達系統面臨的挑戰

1.1 新型空中目標挑戰

隱身作戰平臺是當前武器裝備的重要發展方向，國外已經陸續開發了多款隱身飛機以及隱身巡航導彈，如圖1所示。隱身平臺綜合運用外形設計，吸波材料，有源、無源對消等技術，可以使飛行器的雷達反射截面積減縮水平降低大約20 dB或更多。這些具有較高技術性能的隱身飛機以及隱身巡航導彈將對水面艦艇防空體系提出嚴峻挑戰，因此，提高水面艦艇的反隱身目標能力已經成為新形勢下裝備研究不可回避的問題。

圖1 國外隱身作戰平臺展示圖

1.2 射頻多功能集成化

隨著高新武器技術的發展，未來戰爭對作戰平臺的信息化程度、綜合作戰性能、隱身性、遠程探測能力要求越來越高，因此，雷達系統必須適應多功能、多任務、綜合化這一發展趨勢。為完成現代信息化戰爭的作戰任務，雷達系統需要同時具備偵察、探測、干擾、通信等多種功能于一身，完成搜索、引導、目標指示、識別、通信、電子對抗等諸多功能，如圖2所示。

圖2 艦載多功能雷達任務示意圖

1.3 平臺傳感器一體化

水面艦艇的隱身發展要求艦體隱身與電磁隱身相結合，因此，平臺傳感器一體化技術已經成為新型艦艇裝備的發展趨勢。雷達龐大而復雜的天線設備對艦艇的隱身性能帶來了非常不利的影響，因此，未來艦載雷達系統將逐步向一體化、共形化設計方向發展。天線集成技術將雷達天線集成化、平面化嵌入到上層建筑中，如圖3所示，簡化天線布局和兼容問題，提高電磁系統性能和作戰性能的技術。

圖3 平臺傳感器一體化示意圖

1.4 雷達戰場生存能力

隨著電子偵察技術和反雷達技術的日益發展，先進的電子對抗技術使得艦載雷達在復雜電磁環境中面臨著越來越嚴峻的威脅，雷達偵察—反偵察、隱身—反隱身、摧毀—反摧毀、干擾—反干擾問題日益突出，因此，雷達需要具有良好的低截獲能力和抗干擾性能設計。此外，如何降低雷達損毀概率，提高裝備生存能力，也是未來艦載雷達技術發展的重要方向，如圖4所示。

圖4 DD（X）隱身艦艇分布式陣列示意圖

2 艦載分布式數字陣列雷達系統

2.1 分布式數字陣列雷達原理

本文所探討的艦載分布式陣列雷達系統，是以平臺隱身性設計為核心，以數字陣列為基礎，通過“靈活分布的共形天線陣列”、“高速光纖傳輸”和“高性能信號處理系統”組成的數字陣列雷達。系統采用P~L波段低剖面輕型超寬帶緊耦合天線，具有較寬的頻帶覆蓋范圍和良好的寬角掃描特性，體積小、重量輕、結構緊湊，可以滿足艦體表面共形天線的設計要求；天線陣列分別在水平和垂直方向最大限度利用艦體尺寸擴展天線孔徑，如圖5所示，并進行聯合相參工作，從而增大雷達功率-孔徑積，提高對隱身目標的探測威力和高精度參數獲取能力；分布式陣列單元進行合成處理，獲得多種工作模式和探測能力，采用數字陣列天線實現靈活的波束控制與資源調度，提高雷達對于目標的多功能、多模式、多目標的探測要求；通過綜合利用P~L波段超寬帶信號，結合先進的數字處理技術、自適應陣列處理技術，提高抗干擾性能、低截獲概率，獲得良好的目標探測能力。最終，形成能夠有效實現多任務、多功能作戰的新型體制雷達。

圖5 分布式子陣布陣示意圖

雷達的原理框圖如圖6所示，主要包括以下部分：P~L波段數字陣列天線單元；綜合射頻單元；綜合處理單元（包含資源任務調度模塊、信號處理模塊、電源分配模塊）；綜合保障單元（包含射頻綜合管理、數據鏈路、故障檢測）。

圖6 分布式數字陣列雷達原理框圖

雷達工作時，綜合處理單元根據規劃的任務情況產生系統任務序列和工作時序，對天線進行選擇，并通過光纖完成相應綜合射頻單元的信息傳輸。各子陣天線均發射正交/相同波形，波束方位進行 1.5 dB交疊，形成任務所需要的發射波束對目標進行輻射。雷達回波經天線單元后送至綜合射頻單元，完成相應波段的接收、A/D變換、綜合脈沖孔徑合成后形成數字I、Q信號，送至綜合處理單元進行處理。綜合處理單元完成綜合脈沖孔徑合成形成數字I、Q信號，進一步進行雷達信號處理和數據處理，各接收波束信號經過數字脈沖壓縮、雜波抑制、抗干擾處理、恒虛警檢測、解模糊、方位測角、波束數據融合、點跡處理、航跡處理后實時形成運動目標點跡、航跡，處理結果經數據鏈路傳輸給顯控臺進行顯示。

雷達采用數字陣列模塊進行二維數控掃描，每個子陣面在方位上可作±45°相掃，各個陣列子陣可以共形一體化分布在艦艇平臺的不同位置，相對大型平面相控陣容易布設、能耗小、艦體具有低的RCS隱身與高的生存、可抗毀性特點，有利于實現雷達系統軟件化動態重構。在保持平臺的隱身性、生存性的同時，獲得對目標探測所需要的功率-孔徑積合成與多參數發現能力。

2.2 分布式數字陣列雷達特點

分布式陣列雷達靈活多樣的數字波束形成，可以根據實際需要采取不同的波束形式和工作模式，主要的工作模式，如圖7所示，包括：

（1）Ubiquitous模式：全向寬波束發射，多子窄波束接收，可以用較少的積累周期獲得較高的信噪比和作用距離；

（2）子陣模式：可以進行靈活的多任務工作，抗摧毀能力強；

（3）MIMO模式：通過子陣發射相互正交的雷達信號以獲取高的空間分集增益，具有低截獲能力；

（4）相控陣模式：使用高增益的窄波束進行大威力、高精度掃描。

圖7 分布式陣列工作模式（Ubiquitous、子陣、MIMO、相控陣）

本文所討論的艦載分布式數字陣列雷達所采用的P~L波段與高增益指向性特性，使其剛好適合破解隱身戰機外形設計與絕大多數主流的高速通信系統，除了能夠對目標進行遠程探測外，在遠距離對通信系統的被動偵測等方面也具備不可忽視的潛力：

（1）該雷達頻段覆蓋Link-16以及部分預警雷達、導彈數據鏈和衛星導航信號的工作范圍，P~L波段寬帶天線能夠提供更寬頻帶的偵測，加上這種寬帶天線組成的分布式大孔徑陣列可以發出指向性波束，能夠用來對這些通信行為進行被動預警偵察與探測、輔助敵我識別，甚至可以進行主動干擾；

（2）高速通信系統設備波束較寬，容易受到敵方從波束主瓣實施的主動干擾，分布式的P~L波段寬帶天線陣列能夠形成高指向性波束，可以精確追蹤敵干擾源的方位，能夠為通訊設備指示干擾方向，進行干擾抵消。

因此，該雷達具有同時兼備預警、跟蹤、目標指示、被動偵測、輔助敵我識別、通信輔助抗干擾等功能于一體的能力，如圖8所示。

與傳統雷達相比，分布式數字陣列雷達[4-6]具有以下優勢：

（1）分布式布陣的單元雷達可以重構成一個大的天線陣列，能夠增大合成后的等效天線孔徑，部雷達的功率—孔徑—增益積可達到3，有效提高整個雷達系統的探測能力、方位分辨能力和測角精度；

（2）分布式體制雷達可以更好地減輕雜波和其它形式電子對抗的影響，多部分布式雷達孔徑的去相關和求平均處理可以使大氣環境的不利影響降至最小；

（3）分布式雷達系統資源可以根據探測需求、信號環境和目標類型進行靈活配置和重構，能夠實現雷達系統資源對作戰使命的最佳匹配和對探測任務的使用效率最大化；

（4）分布式體制雷達降低了對雷達平臺的裝配要求，可以根據平臺的裝配條件和性能需求，將整個雷達系統資源采用分布式裝配方式分別安裝在平臺結構的不同位置；

（5）分布式陣列雷達可以獲得大天線孔徑，又能同時避免采用大型天線結構，并且得益于結構上的獨立及分散性，其相位中心并非對應于某一個子陣，因此生存能力將顯著提高。

3 結論

艦載雷達作為可以主動、全天候、遠距離獲取信息的主要手段，在海洋情報獲取、防御系統中起著十分重要的作用。本文探討了一種艦載分布式數字陣列雷達系統，結合P~L波段超寬帶天線和數字陣列的優點，并采用天線與艦體共形，能夠有效提高雷達的功率—孔徑積，提升水面艦艇集成一體化設計、綜合隱身/反隱身能力。分布式數字陣列雷達系統屬于新體制、新技術，對于艦載雷達系統的研制具有積極的借鑒意義。

[1] 王建，夏厚培. 瀕海作戰環境下的艦載雷達探測技術[J]. 艦船科學技術，2008，32（2）：17-20.

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[3] Chih-heng Lin. Distributed Subarray Antennas For Multifunction Phased-Array Radar [D]. California: Navy Postgraduate School, 2003: 1-4.

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[6] 魯耀兵，張履謙，周蔭清，等. 分布式陣列相參合成雷達技術研究[J]. 系統工程與電子技術，2013，35（8）：1657-1662.

Research On Shipboard Distributed Digital Array Radar System

WANG Lu, AN Zhengshuai, SONG Jiaqi

The distributed array radar consists of several distributed small aperture sub-arrays processed coherently, which can expand the antenna aperture, improve the angular measurement accuracy and resolution, and enhance the detection ability, which can also provide higher degrees of freedom for large physical aperture array designation. A shipboard distributed digital array radar system combining with P~L ultra wide band antenna and the advantages of digital array is demonstrated. The new radar adopts the distributed array system and digital array signal processing technology, can effectively increase the antenna aperture size and information acquisition capability, improve the detection performance. It adopts a hull conformal antenna design, realizes the hull and electromagnetic stealth, improve platform surface integration ability. The proposed radar system can reconstruct aperture and optimize array according to different ship platform structures, and has the advantages of multi-function, multi-mode and universality.

Distributed Array; Hull Conformal; Aperture Reconstruction; Optimize Array

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-454-05

2021-08-26。

王露（1986.12—），陜西西安人，博士，高級工程師，主要研究方向為雷達總體技術、多功能綜合射頻技術研究。