电子雷达火控技术应用论文 美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达的发展

美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达的发展

美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达的发展

现代武器系统，无论操作的环境（陆地、海洋或空中）或使用的武器类型（导弹、炸弹或火箭）如何，都由特定单元组成，这些单元使武器系统可以探测、跟踪和拦截目标。武器系统必须使用至少一个传感器，但通常集成多个传感器以提供最佳选择和冗余，具体取决于实际情况。理想情况下，这些传感器还必须能够处理具有广泛变化的目标特征，包括目标范围、方位、高度、速度、大小、航向、图像、机动和对抗。这些传感器必须针对武器系统和目标运行的预期环境进行设计。

图 1 一种典型的武器系统

对于不同类型的传感器，雷达相对于其他传感器的主要优势是：

● 长探测和长跟踪范围，可以发射远程武器；

● 全天候运行，白天黑夜，不同的气候情况；

● 全3D 定位和跟踪（范围、角度和速度）。

因此，大多数火控系统都使用雷达作为主要传感器。机载脉冲多普勒（PD）火控雷达就是空对空或者空对地火控系统中很重要的一个组成单元和主要传感器。

图 2 装备APG-83 AESA火控雷达的F-16

机载脉冲多普勒（PD）火控雷达所制导的武器包括了机炮、各种导弹以及精确制导炸弹，使战斗机真正具有了远程、全天候、全方位和全高度的攻击能力。

美国对航空技术的投入一直是非常大，在航空技术领域无疑是具有全球领先的地位，这也奠定了美国在战斗机领域的优势：战斗机谱系全和功能多，量级和军种间分配均衡。而正因为不同系列战斗机技战术性能的需求，美国在机载脉冲多普勒（PD）火控雷达领域进行了深入的研究，通过数字化和模块化设计，提供了高可靠性和高性能的不同型号系列。

图 3 F-14和AWG-9火控雷达

可以认为正是美国在机载脉冲多普勒（PD）火控雷达的发展，推动和引领了机载脉冲多普勒（PD）火控雷达技术的进步和应用。70年代初，第一部实用型机载脉冲多普勒火控雷达AWG-9由美国休斯公司研制成功，并装备在美国海军的F-14战机上。随后，机载脉冲多普勒（PD）火控雷达得到迅速发展，几乎成为先进战斗机火控雷达的惟一选择，是第三代战斗机的重要指标之一，它使现代先进战斗机真正具有了远程、全天候、全方位和全高度攻击能力。进入20世纪90年代后，在数字信号处理技术和半导体技术（例如微处理器，FPGA，功率半导体等）的推动下，对机载雷达多目标攻击、抗干扰以及一体化等功能和性能的更高要求，美国在机载火控雷达开始逐步应用相控阵技术，这又进一步促使了机载火控雷达更多功能的开发，也使得现代机载火控雷达的发展逐步进入了相控阵时代。

按照美国军用雷达命名的规则，机载脉冲多普勒（PD）火控雷达是AN/APG系列雷达。美国为了满足各型战机的装备要求，研制了系列丰富的机载脉冲多普勒（PD）火控雷达，如下表所示：

表格 1 美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达

型号系列

初始作战能力（IOC）

装备机型

备注

承包商

AN/AWG-9

1973

F-14A/B

雷神

AN/APG-63

1973

F-15A/B

雷神

AN/APG-63(V)1

2000

F-15C/D

雷神

AN/APG-63(V)2

2006

F-15C/D

AN/APG-63(V)3

2010

F-15C/D

AESA

雷神

AN/APG-65

1983

F/A-18A/B, F-4 Phantom,

AV-8B+ Harrier II

雷神（休斯）

AN/APG-66

1979

F-16A/B

诺斯罗普·格鲁曼（西屋电气）

AN/APG-68

1985

F-16C/D

诺斯罗普·格鲁曼（西屋电气）

AN/APG-70

1988

F-15C/D, F-15E, F-15S, F-15I

雷神

AN/APG-71

1990

F-14D

雷神

AN/APG-73

1993

F/A-18C/D，F/A-18E/F

雷神

AN/APG-77

2005

F/A-22

AESA

诺斯罗普-格鲁曼

AN/APG-78

1998

AH-64D

洛克希德马丁, 诺斯罗普·格鲁曼

AN/APG-79

2007

F/A-18E/F, EA-18G

AESA

雷神

AN/APG-79(V)4

2020

F/A-18C/D

AESA

雷神

AN/APG-80

2004

F-16C/D/E/F Desert Falcon Block 60

AESA

诺斯罗普·格鲁曼

AN/APG-81

2016

F-35

AESA

诺斯罗普·格鲁曼

AN/APG-82(V)1

2010

F-15E

AESA

雷神

AN/APG-83 SABR

2014

F/A-18C/D,F-16

AESA

诺斯罗普·格鲁曼

AN/APQ-164 AN/APG-164

1985

B-1B

诺斯罗普·格鲁曼

（西屋电气）

SABR-GS

2017

B-1B Lancer

诺斯罗普·格鲁曼

美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达的研制装备以及衍生改进如下图所示。由图中可见美国的主战装备一直有很长的产品寿命，一方面得益于先天的设计基础（合理的软硬件架构、模块化设计、数字化设计和功能软件化等），另一方面是针对作战需求的变化不断引入更新新技术发展新一代的产品，并将经过验证的新技术用于老产品的迭代和升级以较低的投入达到更好地性能。

图 4 美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达

另外我们也可以发现，经过这么多年的发展，美国目前的机载脉冲多普勒（PD）火控雷达市场由雷神和诺斯罗普·格鲁曼公司两家垄断，这也应是市场竞争、行业洗牌的结果，从一个侧面也反映高端武器装备的研制伴随着巨大的风险。

美国机载脉冲多普勒（PD）火控雷达也经历了从机械扫描到电子扫描的发展过程，美国在设计AWG-9火控雷达时率先使用加工难度较大，成本较高的平板缝隙天线1，是因为这种天线体积小，利于雷达作快速大范围扫荡，有利于剧烈格斗空战中快速截获目标。同时，该天线还可利用阵面照射功率幅度加权抑制旁瓣，使用比较灵活。因此同一时代用于装备F-15的AN/APG-63火控雷达、F-16的AN/APG-66等均采用了平板缝隙天线。进入上世纪80年代，美国的机载相控阵雷达开始进行初步应用，但是先进的机载有源相控阵雷达是本世纪初才进入服役。F-22最大的突破是它的航空电子系统实现了更高程度的综合，AESA雷达首次在战斗机上采用。

注1：在论文《高精度电子装备机电耦合研究进展》中有提到平板缝隙天线的制造难点：“例如，对某机载火控雷达平板裂缝天线而言根据现有电磁理论分析 ，我国的制造精度要求为：波导 槽、缝槽及辐射缝偏心尺寸公差士0.02 — 士0.03，俄 罗斯的公差要求为±0.05mm,但俄罗斯研制的产品电性能却与我国的相当。因我国平板裂缝天线制造过程极其复杂，工艺难度大，使得产品研制周期长、合格率低 、成本高昂。”

图 5 F-22战斗机

诺斯罗普·格鲁曼公司网站上是这样描写到：“诺斯罗普·格鲁曼公司是机载火控雷达的全球领导者，也是美国空军未来两种战斗机平台的唯一供应商：F-22 Raptor 和 F-35 Lightning II。作为机载火控电子扫描阵列 (ESA) 的最大生产商，诺斯罗普·格鲁曼公司是无与伦比的。”这也表明美国在这个领域的底蕴和自信。

图 6 AN/APG 77 AESA 雷达

AN/APG-77是一种有源电子扫描阵列 (AESA) 雷达，专为 F/A-22 猛禽战斗机设计，在技术上应该是基于成功的APG-66/68/80(V)系列火控雷达发展而来。AN/APG-77有源电子扫描阵列 (AESA) 是一个固定的有源阵列，由1956个发射/接收模块、低功率 X 波段发射或接收模块组成，在方位角和仰角提供了120° 视野。

诺斯罗普·格鲁曼公司网站对AN/APG 77 AESA 雷达的介绍如下：

AN/APG 77 AESA 雷达以诺斯罗普·格鲁曼公司在 AESA 火控雷达和传感器方面的丰富设计经验为基础，为 F-22 Raptor 提供了空对空和空对地优势。我们成熟的生产环境反映了 AESA 数十年的发展。我们不断改进强大的设计并降低成本，同时扩展 AN/APG 77 AESA 雷达所反映的功能。这种雷达在空对空作战中提供了前所未有的隐身能力，使飞行员能够在对手的雷达检测到 F-22 猛禽之前跟踪和射击多架威胁飞机。坚实的最先进技术和机械运动部件的消除使 AN/APG-77 在系统可靠性和现场可持续性方面超越标准。

诺斯罗普·格鲁曼公司负责 AN/APG-77 雷达系统的整体设计，包括控制和信号处理软件。诺斯罗普·格鲁曼公司还负责雷达系统集成和测试活动。雷达传感器的主要部件是高度可靠的有源电子扫描阵列（AESA），它提供了快速的波束敏捷性、低雷达截面和目标探测能力，使制空战斗机能够实现“先看、先杀”能力. 该系统具有非常低的雷达横截面，支持 F-22 的隐身设计。AN/APG 77 提供卓越的战场态势感知能力，转化为杀伤力和生存能力。

参考文献

新体制雷达及其关键技术

本文内容转载自《电子技术与软件工程》2019年第8期，版权归《电子技术与软件工程》编辑部所有

作者：李刚，海军装备部信息系统局

摘要： 本文在分析传统雷达的不足及瓶颈问题的基础上，对目前的新体制雷达系统进行了分析，主要针对研究较多的无源雷达、双（多）基地雷达、ISAR 雷达、超视距雷达、太赫兹雷达以及微波光子雷达六种新体制雷达。从这些新体制雷达的原理、关键技术、优势、应用及发展趋势等方面进行阐述。最后对我国新体制雷达的发展进行了展望，在今后的军用雷达发展中，将大力发展分辨率高、识别能力强、功耗小的绿色雷达。

关键词： 新体制雷达；ISAR雷达；超视距雷达；太赫兹雷达

雷达作为侦察、探测、跟踪、制导的主要手段，在海、陆、空、天等四维作战领域发挥着重要的作用，堪称作战武器的“千里眼”。雷达在现代电子战以及未来的信息战中发挥着不可替代的作用，是取得战争胜利的关键因素。不仅仅因为雷达可以控制电磁频谱，而且雷达是获取信息和控制信息的重要手段。传统雷达系统在面临电子干扰、低空／超低空突防、高速反辐射导弹、高功率微波武器、隐身飞机等五大威胁的不足得以体现，并且在复杂的电磁环境和背景下，固定的工作模式和发射波形导致探测性能差。

新体制雷达相比于传统雷达，主要是采用的波段及关键技术不同。从最初40年代的微波雷达，波长短、方向性好，遇到障碍物能及时反射回来，被广泛应用于汽车防撞系统中；50年代的单脉冲雷达，从单个回波脉冲中获得目标全部角坐标信息、实现对目标的测量和跟踪，主要应用于火控、精密测量和气象雷达中；60年代的相控阵雷达，通过相位可控的阵列天线进行电扫描，实现对目标的搜索、跟踪和测量；伴随着技术的进步及其独特的优势，广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载系统，成为远程防空导弹武器系统的重要标志70年代与80年代以后机载脉冲多普勒雷达、高距离分辨雷达、合成孔径雷达等相继出现，在地基、舰载、机载等平台上发现、探测、识别运动目标，极大的提升了雷达探测精度、跟踪、识别的性能。

1 新体制雷达及其关键技术

1.1 无源雷达

无源雷达在反隐身等方面有着举足轻重的作用，并且随着电视机、无线电发射机的推广以及国际卫星通信等计划的实施，越来越多的国家研究无源雷达：首先是美国洛克希德马丁公司研制出了新型的“沉默哨兵”被动探测系统；英国着力研究“蜂窝”雷达系统，如名为“手机雷达”的雷达系统，通过对被物体反射回的信号与直接从信号发射器接受到的信号进行比较，可以探测、跟踪、识别陆地、海面和空中的目标；而捷克研制的“维拉”系列无源雷达，对空探测距离可达450千米。无源雷达未来的发展将朝着四个方面：

（1）增加更多的外部辐射源，包含移动通信、卫星信号等；

（2）构建目标的傅里叶图像；

（3）多平台多无源雷达组网；

（4）无源雷达与有源雷达的结合。

1.2 双（多）基地雷达

双基地雷达是指发射机和接收机位于相距较远的两个基地中。与单基地雷达不同，隐身目标会将单基地雷达发射的能量散射到各个方向，而双基地雷达能够提高对隐身目标的检测，并且不易受到反辐射导弹等的攻击，还可以降低目标闪烁，从而改善跟踪雷达的性能。双（多）基地雷达在反隐身、抗反辐射导弹、抗电子干扰、对付低空／超低空突防方面有着巨大的潜力，故有着广泛的应用研究前景。典型的例子是美国双基地防空雷达研制计划中实现的“Sanctuary”，利用机载照明雷达辐射电磁波，在地面装备接收器。然而双（多）基地雷达也存在着一些问题：发射机和接收机必须是同步的；雷达结构复杂、收发分置，技术要求高；成本相对较高。未来的发展趋势是：技术上将广泛应用单基地雷达的频率捷变等技术、抗干扰措施等，以及多站点的宽带信号联网融合技术；体制上的工作方式将会更加灵活多变，即可作为单基地雷达独立工作，又能工作在照射或接收状态；整个雷达系统布站将由地面向机载及星载等方向发展，未来将会构成海、陆、空、天四维一体化的双／多基地雷达网。

1.3 ISAR雷达

逆合成孔径雷达（ISAR）是一种利用目标和雷达的相对运动产生的多普勒信息进行成像的雷达系统；与合成孔径雷达（SAR）的区别是：SAR是雷达运动而目标不动，只能对静止目标成像；而ISAR则相反，目标动而雷达不动，对动目标或者非合作目标成像效果好。ISAR采取“敌动我不动”策略，对目标进行持续稳定的照射，后续对回波自动补偿，并精确地估计目标运动参数，进而获得目标多维形状信息，自动识别目标。其优势在于分辨率高、成像效果好，对隐身飞机等非合作目标的检测能力强。

图1 F-22逆合成孔径雷达成像图

ISAR（逆合成孔径雷达）的核心算法极为重要，目前除了中美俄三方掌握外，其他国家很少有报道。ISAR雷达是远程战略预警雷达，海面空中均可探测，美军ISAR -般精度可达0.12米，最高可达3厘米级别，从太空卫星到海上飞机导弹都能探测，包括隐形飞机。美国研发的航空母舰，装备了这种逆合成孔径雷达，强化探测、识别能力，但对其原理和雷达外形都高度保密。美国利用ISAR系统分别对F-22、欧洲台风战斗机、米格-29、F-104战斗机进行成像测试，取得了惊人的效果。美国最高保密的ISAR对F22成像如图1所示，外观清晰可认。根据官方报道，中国第一台ISAR系统在山东进行试验，成功探测到了飞机舰船，随后国家立项开展技术研究，十余年后技术逐渐成熟，目前已装备沿海一线，发展出了一种基于ISAR图像神经网络分类的飞机型号自动识别系统。

1.4 超视距雷达

传统的陆基或海基雷达由于受到地球曲率的影响，对海平而高度的目标（包括水面舰艇和超低空飞行的飞机）的探测距离最大约为40公里。对空搜索雷达受曲率的影响，对于远距离低空／超低空目标探测效果不佳，而对海雷达则会因此无法探测远距离目标。针对远距离目标，需要研制新体制雷达进行探测和识别。超视距雷达应运而生，目前主要有三种类型的超视距雷达系统，分别是高频天波超视距雷达、高频地波超视距雷达以及微波大气波导超视距雷达，天波、地波、微波的形态如图2所示。

高频天波超视距雷达：主要原理是利用电磁波在电离层与地而之间的折射，向电离层发射电磁波，经过电离层折射后由上向下探测目标，目标信号再经过电离层反射回接收机。从而将电磁波投射到地平线以外的距离上，理想条件下可实现最远5000公里的探测。天波雷达造价昂贵，但是探测距离最远。近年来，国外装备以美国TPS-71、澳大利亚“金达莱”为代表，可以探测弹道导弹发射、空中目标特别是隐身的以及海上目标等远距离目标。

高频地波超视距雷达：与天波超视距雷达不同，其主要是向海面发射高频电磁波，利用该波在导电海洋表面传播时衰减较小的特点。目前国外系统可实现400公里以内的海面及其上空目标的探测，可以大致弥补天波超视距雷达对海目标探测的近距盲区；且具有抗隐身、反辐射导弹的能力；另外，相比于预警机雷达，该型雷达的造价便宜的多，且可以全天时全天候的进行预警探测，故是一种高性价比的探测手段。

图2 三种雷达波，天波、地波和微波

微波大气波导超视距雷达：主要是利用海水和大气之间超折射效应，目前早己应用于舰载，但其探测距离覆盖范围小，受天气影响大，还需要进一步探索和研究，实现性能更佳的新体制雷达。典型的例子是苏联研制的多功能对海超视距探测雷达：“音乐台”火控雷达，大量装备于俄罗斯的各型水面舰艇上。

未来的发展则可利用天波超视距雷达、地波超视距雷达构成高频雷达协同探测网，由地波雷达接收目标反射的合作或非合作高频天波信号，实现寂静探测；还可充分利用地波雷达，消除天波雷达探测盲区，实现对海面目标探测的全覆盖探测，法国ONERA实验室、澳大利亚DSTO、加拿大等开展了相关的实验。

1.5 太赫兹雷达

近年来，随着光子学和纳米技术的不断革新，太赫兹技术得到了飞速发展，被誉为“改变未来世界十大技术”之一。太赫兹波在雷达系统中的应用也越来越受到重视。随着四／五代隐身战机技术的逐渐成熟与应用，各个军工强国开始了六代机的研发。

太赫兹雷达凭借其优势在军事领域有着良好的应用前景，对国防和国家安全有着重要的应用价值。如2006年美国Jet Propulsion Laboratory（JPL）成功研制了具有高分辨率测距能力的太赫兹雷达成像系统。当目标距离为4m时，一维测距分辨率大约为2cm。2008年，提出了改进的三维成像探测系统，成像分辨率小于0.6cm，4m距离上的测距分辨率为0.5cm。2010年的太赫兹频段快速高分辨雷达，在5s内探测25m外的隐藏武器，成像速率大大提高，成像距离也由4m变为了25m，该系统有望在人体安检和反恐维稳方而获得广泛的应用。此外，由航天科工二院23所主导研发的国产第一部太赫兹视频合成孔径雷达成功获取国内首组太赫兹视频影像成果。与我军现役歼20隐身战机应用的分布式合成孔径雷达相比，“其具备更强的穿透力，不受日照条件影响，在复杂气象条件下也能正常对地面目标成像”。

1.6 微波光子雷达

微波光子雷达是在微波雷达的基础上发展而来的，将光生微波技术、微波光延时与移相技术、微波光子滤波技术和全光采样量化技术等四种光学技术引入到雷达系统设计中，得到射频前端由光技术组成的新体制雷达系统。微波光子雷达利用光子技术实现信号产生、处理、传输与控制等功能，重量轻、体积小、带宽大的雷达系统，能够有效提升雷达系统的分辨率、抗干扰能力、探测距离、响应速度等关键性能，有助于实现侦察、干扰、探测、通信的一体化。

微波光子技术被美、俄、欧认为是决定“未来战场优势”的关键技术；微波光子雷达的发展历程如图3，主要包括光纤波束合成阵列、泰勒斯公司的光控相控阵样机、全光子数字雷达（PHODIR）样机、双波段微波光子雷达样机、以及俄罗斯射频光子阵列（ROFAR）开发项目。目前，美国、俄罗斯、欧盟等都在开展实用化微波光子雷达相关的研究。在我国，以中科院、南航为代表的研究所及高校均开展了一系列的关键技术攻关和探索，已经初步掌握了光子任意波形产生技术、超宽带信号光子采集技术、超宽带信号光子波束控制技术、超宽带信号光子处理技术。2019全国微波光子雷达技术研讨会上，潘时龙告诉记者，“我们已经研制出微波光子雷达成像芯片，像砂粒一样小，比传统雷达设备小一万倍。它不仅可用于安全领域，在无人驾驶汽车等也可以大展身手。”我国在微波光子雷达部分技术领域已取得较大进展，成像雷达分辨率达1.3厘米，已领先其他国家。

2 新体制雷达展望

目前我国雷达已有了新的进展和突破，但在基础研究和技术积累方面以及相应的关键技术和新的方向需要进一步的研究和探索；这样才能从根本上提高我国新体制雷达的性能。新体制雷达在应对五大威胁上发挥着重要的作用，目前针对不同的作战任务，至少可在单方面抑制威胁，探测能力也有所增强。但仍存在一些问题，如无源雷达不能自主控制、双基地雷达结构复杂不易同步、ISAR雷达补偿算法复杂、超视距雷达及微波光子雷达的关键技术实现、发射功率大，处理运算量大导致功耗大，实际装备使用困难等，如何解决这些问题是今后发展的方向。

除了上述新体制雷达外，还有认知雷达、量子雷达、超宽带雷达、雷达组网技术等，这些新体制雷达拓宽了雷达的应用领域。如智能化认知雷达系统能够解决复杂背景下的目标探测问题，并通过知识辅助智能自适应处理大幅提升雷达性能，随着人工智能等的发展有望进一步实现和发展。

3 结束语

未来信息化战争中雷达面临的五大威胁，对雷达系统设计提出了巨大的挑战，对雷达性能提出了更高的要求，如何提高雷达的反干扰、反隐身、反辐射导弹、反威胁能力，提高雷达的探测距离、距离分辨率、角分辨率、成像识别能力等是当下急需解决的重要难题。基于氮化镓半导体的前端组件，基于高速数据转换器的发射接技术基于先进FPGA的认知技术以及基于高带宽数据总线的传感器数据融合技术将在未来几年对雷达技术产生颠覆性影响。未来将继续探索多功能、多任务及组网雷达。

End

全国大学生科技创新大赛征稿函

征稿内容

机械设计等设计作品，通信作品、工程作品、机电作品、电子作品、科技作品等，可以是与之相关的论文，也可以是作品说明，只要是设计、通信、工程、机电、电子、科技等相关都可以。

征稿对象

在校大学生。

参赛时间

2019年1月1日—2019年12月31日。

稿件要求

1.文稿论点明确，无政治性错误；立论正确新颖，说理通畅，论据充分，资料详实，数据可靠。

2.电子稿请发至邮箱zgdxskjcxds@sina.com。来稿请附作者真实姓名、出生年月、性别、籍贯、民族、工作/学习单位、最高学历/学位、职称/职务、主要研究领域和详细通讯地址（包括邮政编码、电话和电子邮箱等，以便及时联系）来稿必复，因来稿众多，建议使用电子稿。

3.来稿文责自负，切勿一稿多投，严禁抄袭剽窃。文稿中摘编或引用他人作品，请在参考文献中列出其作者和文献来源。

评选方式

组委会本着“公开、公正、公平”的原则进行评审,奖项为一、二、三等奖，凡获奖作品均颁发荣誉证书。

1、由专家组成评审小组，对参赛作品进行评审。

2、部分优秀作品将在网站上宣传和表彰。

组别设置

本比赛下设组别与作品类别相同，如机械设计作品，则组别为机械设计组；通信作品，则组别为通信组，以此设置。

稿件发送

参赛作品以电子文档形式发送，邮件发送至：zgdxskjcxds@sina.com。主题为“大学生科技创新大赛+作品+作者姓名”

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