新技術(shù)、新體制的發(fā)展不斷推動著雷達和通信技術(shù)的不斷發(fā)展,電子對抗的內(nèi)涵也在不斷拓展,綜合射頻一體化體系在不斷深化。
雷達
雷達是探測、定位和識別目標以及確定目標運動特性的有效工具,雷達已然成為火炮瞄準、導(dǎo)彈制導(dǎo)、轟炸瞄準等武器系統(tǒng)的核心。雷達對抗則是以雷達作為對象,通過電子對抗偵察設(shè)備獲取敵方信息,利用電子壓制、欺騙以及反輻射攻擊作為手段,達到削弱和破壞敵方雷達作戰(zhàn)效能的目的。
通信
隨著現(xiàn)代通信朝著多頻譜、多體制、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,通信對抗也發(fā)展成為一個內(nèi)涵豐富的專業(yè)。跳頻通信、直擴通信、數(shù)據(jù)鏈通信、猝發(fā)通信、移動通信、衛(wèi)星通信等各種新體制的出現(xiàn),使通信的重要性更加提高。
電子戰(zhàn)
雷達設(shè)備主要用于目標探測和軌跡跟蹤;通信設(shè)備主要用于信息和情報的傳輸;電子對抗設(shè)備用于監(jiān)視、截獲信息、識別危險和告警,引導(dǎo)進行干擾;隨著各系統(tǒng)各自的發(fā)展,性能都得到了提高,每個系統(tǒng)的成本、重量、平臺空間占用增大。
雷達通信一體化
雷達通信系統(tǒng)在原理上都是通過電磁波的發(fā)射和接收過程實現(xiàn)各自不同的功能,在頻段、天線、發(fā)射機、接收機、信號處理器均會出現(xiàn)重疊,那么在重疊的部分進行一定程度的共享,雷達和通信可以通過時分的方式來利用發(fā)射/接收系統(tǒng)。
通信也可以共享雷達的天線,利用雷達天線的方向性提高通信的保密性,但由于受到雷達天線頻段和帶寬的限制,需要合理選擇通信的上行和下行頻率。
雷達電子戰(zhàn)一體化
隨著有源相控陣雷達的廣泛應(yīng)用,雷達與干擾不僅可以在硬件上共享,還可以在信號上共享。有源相控陣雷達可以分出若干發(fā)射/接收組件在某個頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生較大功率的干擾波束而不影響雷達的的基本任務(wù)。
另外信號的共享也是可能的,例如通過隨機多元碼脈位調(diào)制和脈間二項碼調(diào)制的混合波形來實現(xiàn)干擾/雷達信號的共享,發(fā)射出去的干擾信號可以進入對方雷達接收機,同時也接收對方雷達的反射回波來對對方的雷達平臺進行定位。
綜合射頻一體化
采用綜合射頻系統(tǒng)將電子系統(tǒng)成本、重量和空間占用都會有所降低。雖然各系統(tǒng)的工作頻段、工作帶寬不盡相同,涉及到系統(tǒng)平臺、雷達、通信、電子戰(zhàn)等很多技術(shù)層面,但是矛盾也不是不可調(diào)和的,一體化是一大趨勢。
將雷達通信電子戰(zhàn)等多種功能集成在一起,利用一個共用的多通道數(shù)字式接收機和數(shù)字信號處理硬件平臺來同時完成各種不同的任務(wù)。
在一個共同的射頻孔徑天線上使用多個波束實現(xiàn)雷達、通信、電子戰(zhàn)功能,每個波束的方位角、仰角、頻率、波束寬度、形狀和功率都可以單獨控制。每個波束都可用來進行通信、偵察、成像、跟蹤目標、照射目標、導(dǎo)彈指揮和制導(dǎo)、干擾、欺騙、敵我識別等戰(zhàn)場要求。
先進多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)
AMRFS通過利用寬帶射頻多功能、共用孔徑技術(shù)可以大幅縮減了艦船頂部的射頻孔徑的數(shù)量,有效增加了其功能和帶寬。
發(fā)射和接收孔徑分開
在雷達應(yīng)用的單個收/發(fā)孔徑中,主要的時間線用于接收,并且對收/發(fā)通道的隔離度要求較高,收發(fā)在時間上不重疊。而在多功能孔徑中,通信功能和電子進攻需要較多的時間,甚至要連續(xù)工作,因此將收發(fā)孔徑分開可以對時間充分利用,可減少孔徑數(shù)量。
頻段劃分
AMRFS測試平臺采用4部低頻段和高頻段收發(fā)陣列孔徑,頻率覆蓋范圍是1~5GHz和4~18GHz二個頻段。AMRFS后來進一步發(fā)展成為“先進多功能射頻概念(AMRFC)”項目,頻率覆蓋調(diào)整為6~18GHz。
發(fā)射子系統(tǒng)
每個發(fā)射子系統(tǒng)包括發(fā)射陣列、RF上變頻、波形產(chǎn)生合成、支持同時及分時多功能發(fā)射的處理及控制系統(tǒng)。
將子陣劃分為不同的塊,以形成同時多波束。寬帶多功能發(fā)射陣列包括分布于四個象限中的1024個多極化輻射源、每個象限再分成四個子陣(共16個子陣),每個子陣(64個陣元)由16個射頻輸入端中的一個單獨驅(qū)動。
由于目前一個功率放大器不能同時存在不止一個信號,因此,發(fā)射子陣在任一時刻只能用于一項功能。由于每個象限為分配射頻發(fā)射功能的最小孔徑尺寸,因此同時可形成4個發(fā)射波束,可以給不同象限的子陣分配雷達、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈、電子攻擊等功能。
接收子系統(tǒng)
每個接收陣列均包括接收陣列子系統(tǒng)、RF下變頻子系統(tǒng)、數(shù)字接收機、支持同時或分時多功能接收的處理及控制系統(tǒng)。接收天線包括天線陣元、接收模塊和為實現(xiàn)同時多波束需要的射頻合成器,共9個子陣,每個子陣有128個雙極化陣元,共1152個陣元。對于接收陣,可同時存在不止一個信號,因此可以使用接收的全部或一部分來產(chǎn)生同時多功能,同時可形成36個接收波束。
多功能相控陣系統(tǒng)(M-AESA)
M-AESA項目始于2005年,是瑞典和意大利合作研制的,其融合了雷達、通信、電子戰(zhàn)等多種功能,能夠自動適應(yīng)動態(tài)條件。
M-AESA系統(tǒng)采用可縮放的開放式結(jié)構(gòu),易于升級,并且兼容海陸空的指控系統(tǒng)。其主要研發(fā)目標就是探索利用寬帶共享孔徑來集成雷達、通信和電子戰(zhàn)的可能性,在降低使用和維護成本的條件下,為決策者提供更豐富的戰(zhàn)場態(tài)勢感知。
M-AESA項目的實施分為3個階段(如下圖),按照愿景、方案設(shè)計、樣機模塊、集成驗證、樣機演示的主活動線開展,完成關(guān)鍵技術(shù)開發(fā),測試臺建設(shè),壽命周期成本分析。
項目設(shè)計一個共同的射頻子系統(tǒng)(EXR + BF +天線+ TRM)的頂層架構(gòu)為所有系統(tǒng)執(zhí)行所有接收和發(fā)送功能。天線的配置(A1,A1',A2和A3)給RF子系統(tǒng)的前端部分形成了一定的制約。
項目研制成功并經(jīng)過評估了2個天線陣,下圖為具有37單元*64單元的單極化陣:
下圖是25單元*25單元的雙極化陣:
M-AESA項目開發(fā)的寬帶接收機模塊的高功率放大器采用了砷化鎵技術(shù),實現(xiàn)了不同頻率范圍的放大。1GHz的瞬時帶寬也為合成孔徑雷達(SAR)和高距離分辨率(HRR)工作模式提供了0.3m的高分辨力,同時也為電子戰(zhàn)模式提供了寬瞬時頻譜的覆蓋,也為通信模塊提供高的數(shù)據(jù)率。
荷蘭“集成桅桿”(I-MAST)系統(tǒng)
許多國家的海軍都希望能得到包含雷達、光電 / 紅外(EO/IR)傳感器、敵我識別(IFF)、通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)在內(nèi)的集成桅桿解決方案。下面簡單介紹下泰雷茲荷蘭公司研制的“集成桅桿”(I-MAST)系統(tǒng)IM-400和IM-500
IM-400 系統(tǒng)
S波段Sea Master-400 警戒雷達;
X波段Sea Watcher-100有源相控陣雷達;
雷達/通信ESM;
非旋轉(zhuǎn)敵我識別系統(tǒng);
ICAS 集成通信系統(tǒng);
SHF/UHF 衛(wèi)星通信天線;
Gatekeeper 光電監(jiān)視和告警系統(tǒng)。
IM-500系統(tǒng)
1.X波段有源相控陣多功能雷達;
2.S波段立體搜索雷達;
3.綜合通信天線系統(tǒng)(ICAS);
4.“守門員”光電偵察警戒系統(tǒng);
5.SHF 波段衛(wèi)通天線;
6.2 部UHF波段衛(wèi)通天線;
7.Vigile-400 雷達電子支援措施和電子信號情報系統(tǒng);
8.用于敵我識別和Link-16數(shù)據(jù)鏈的L波段非轉(zhuǎn)動式單脈沖圓形天線陣列系統(tǒng);
集成桅桿是艦船設(shè)計、電子、電磁兼容、結(jié)構(gòu)、材料等各學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程項目,其關(guān)鍵技術(shù)主要有 :天線集成、綜合射頻、新材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁兼容等技術(shù)。集成桅桿技術(shù)是一項系統(tǒng)工程,在國外海軍艦船上已得到一定應(yīng)用,并取得較好的效果。
天線集成技術(shù)
將各自獨立的天線集成為綜合的多功能天線,并與上層建筑融為一體的現(xiàn)代艦船設(shè)計技術(shù),可有效解決越來越多的天線的布置問題和由此引起的電磁兼容問題。
與艦船共外形的陣面式天線和平板式天線取代了機械旋轉(zhuǎn)天線,把眾多奇形怪狀的天線利用主流有源相控陣技術(shù)或復(fù)合天線技術(shù)實現(xiàn)陣面化(至少實現(xiàn)平板化)并與艦的上層建筑(含桅桿)共形,使艦船隱身性得以提高,雷達散射截面積(RCS)可減少 50%?~?80%,降低了艦船被敵精確制導(dǎo)武器命中的概率。
我國的055型驅(qū)逐艦
在外形上散布在上層結(jié)構(gòu)的各式諸如火控雷達、導(dǎo)航、通信、電子戰(zhàn)天線均被整合在了主艦橋以及一體化隱身桅桿之中,這種明顯的變化主要得益于綜合射頻技術(shù)在055上的運用,在這種新技術(shù)的助益下,可以極大的減少艦船整體所需的天線種類和數(shù)量,這是本艦在設(shè)計上的重要亮點之一。
位于正面大面積方塊應(yīng)該是S波段346多功能雷達,位于駕駛臺上方的是C波段跟蹤天線,一體化桅桿上的中間面積方塊是X波段多功能火控雷達,位于主船體兩側(cè)的突出的方塊,是米波相控陣遠程警戒雷達。
中國艦艇第一次在單艦上形成米波、X波段、S波段、C波段的全波段雷達覆蓋,從有關(guān)報道的畫面來看,艦艇最右側(cè)還有小陣面,據(jù)報道推測可能是電子對抗相關(guān)系統(tǒng)的集中陣列;位于一體化桅桿頂端的箭頭天線,推測有可能是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)天線。
綜合射頻技術(shù)
用較少的多功能孔徑代替現(xiàn)有的多個天線孔徑,用開放式的模塊化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各射頻傳感器體系的重構(gòu),從而用較少的射頻模塊搭建出一個具有通信、導(dǎo)航、警戒、探測、識別和跟蹤等多種功能的綜合射頻系統(tǒng)。綜合射頻所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括超寬帶技術(shù)、重構(gòu)性技術(shù)、數(shù)字波束合成技術(shù)等。
多功能綜合射頻一體化技術(shù)己徑成為新型艦艇裝備的發(fā)展趨勢,我國海軍在綜合射頻系統(tǒng)的應(yīng)用上,仍然還有很大的提升空間,通過055型驅(qū)逐艦的測試之后,有理由相信今后會在更多類型的水面艦艇上看到綜合射頻系統(tǒng)的出現(xiàn)。