有源相控陣技術

從上世紀60年代開始，歷經40餘年的努力，有源電子掃描陣(AESA)，通常也稱為有源相控陣技術，終於在機載雷達上取得了成功的套用。 國際線上報導：美國國防部國防科學委員會主席的一份關於發展美國軍用機雷達的建議報告中特彆強調了有源相控陣技術可以極大地擴展雷達的功能和提高雷達的性能， 21世紀美國的戰鬥機雷達、預警與監視飛機的雷達都應是AESA體制的。

基本介紹

• 中文名：有源相控陣技術
• 隸屬：有源電子掃描陣
• 簡稱：AESA
• 開始研究：上世紀60年代
• 屬性：軍事技術

分類

事實上，除了F-22和F-35等新一代戰機都毫無例外地裝備AESA雷達外，美國對第三代現役戰鬥機、轟炸機、預警和監視飛機的AESA改進都已列入計畫，並得到了相應的財政支持。業內一種普遍的觀點認為：從現在起再過十年，不掌握AESA雷達製造能力的廠商將沒有立足之地。除美國之外，俄國、法國、德國、荷蘭、瑞典、英國、以色列等西方國家也正在這一技術領域進行廣泛的合作開發和大量的資金投入。

近50多年來，機載雷達不斷注入新的技術成果，性能大幅度提高。新技術是提高雷達探測能力的原動力。在單脈衝跟蹤體制未獲使用前，圓錐掃描體制的雷達很難對付敵方施放的角度欺騙干擾；沒有相參體制的脈衝都卜勒雷達，就無法對付借著強大的地雜波掩護的低空入侵的飛機和飛彈；沒有頻率捷變體制的雷達，就很難同現代戰爭中廣泛採用的各種雜波干擾相抗衡。相控陣技術是近年來正在發展的新技術，它比單脈衝、脈衝都卜勒等任何一種技術對雷達發展所帶來的影響都要深刻和廣泛。進入上世紀80年代，機載相控陣雷達才初獲套用。先進的機載有源相控陣雷達是近期，即本世紀初才進入服役。AESA的成功套用是對傳統機載雷達的一次革命，她極大地擴展了雷達的套用領域和提高了雷達的工作性能，進而提高和豐富了作戰飛機執行任務的能力和作戰模式。

性能突破

採用AESA技術的機載雷達將會至少在以下方面實現巨大的性能突破：

·雷達作用距離大幅度增長：由於AESA雷達T/R模組中的射頻功率放大器（HPA）同天線輻射器緊密相連，而接收信號幾乎直接耦合到各T/R模組內的射頻低噪聲放大器（LNA），這就有效地避免了干擾和噪聲疊加到有用信號上去，使得加到處理器的信號更為"純淨"，因此，AESA雷達微波能量的饋電損耗較傳統機械掃描雷達大為減少。

·解決了可靠性的瓶頸問題：由於信號的發射和接收是由成百上千個獨立的收/發和輻射單元組成，因此少數單元失效對系統性能影響不大。試驗表明，10%的單元失效時，對系統性能無顯著影響，不需立即維修；30%失效時，系統增益降低3分貝，仍可維持基本工作性能。這種"柔性降級"(graceful degradation）特性對作戰飛機是十分需要的。

·解決了同時多功能的難題：所謂同時多功能，即指有源相控陣能在同一時間內完成一個以上的雷達功能。它可以用一部分T/R模組完成一種功能，用另外的T/R模組完成其它功能；也可用時間分隔的方法交替用同一陣面完成多種功能。如雷達在進行地圖測繪（SAR/GMTI）、地物迴避、地形跟隨、威脅迴避的同時，還可實現對空中目標的搜尋和跟蹤，並對其進行攻擊。由於AESA是由多個子陣組成，而每個子陣又是由多個T/R模組組成，因此，可以通過數字式波束形成（DBF）技術、自適應波束控制技術和射頻功率管理等技術，使雷達的功能和性能得到極大的擴展，可以滿足各種條件下作戰的需要。並能因此而開發出很多新的雷達功能和空戰戰術。

·隱身飛機和現代空戰需要相控陣雷達：隱身飛機配裝相控陣雷達（PESA 或者是AESA）幾乎是唯一的選擇。迄今為止還沒有出現使用機械掃描雷達的隱形飛機，也說明了這一點。低攔載機率(LPI）和低觀測特性（LO）是隱身飛機能否實現隱身和順利完成作戰任務的關鍵。在當前極為嚴峻的電子干擾環境中，"LPI"，即機載雷達輻射的電磁波被敵方攔截機率的高低是一項重要的性能指標。在攻擊有專用電子干擾飛機掩護的機群或單機時，強烈的電磁干擾將使傳統的雷達無法正常工作。AESA天線口徑場的幅度和相位都可以隨意控制，可使天線旁瓣的零值指向敵方干擾源，使之不能收到足夠強度的雷達信號，從而無法實施有效干擾。通過數字波束形成（DBF）技術，可以使主波束分離成兩個波束，使其零值對準敵方干擾源；若干擾源位於雷達旁瓣方向，則在該方向也可以形成零值，使敵方收不到雷達信號，從而無法實行有效干擾。AESA的自適應波束形成能力是機載雷達在複雜的電磁環境中得以保持其作戰能力的重要因素。

主要分類

目前正在研製和開始裝備的有代表性的戰鬥機AESA雷達主要有：

⑴ F-22 機載雷達（AN/APG-77）：人們常常問什麼是第四代戰鬥機F-22令人印象最深的特性？它在什麼領域具有最重要的技術突破？通常的回答是它的隱身和超音速巡航特性。但這些特性實際上在以前的戰鬥機上已經分別在F-117和SR-71上實現了。談不上突破。業內人士和F-22飛行員們則普遍認為F-22最大的突破是它的航空電子系統實現了更高程度的綜合，AESA雷達首次在戰鬥機上採用。它使飛機具有更為銳利的眼睛，更為豐富的作戰功能。對戰鬥機目標的作用距離超過200km。可以實現"先敵發現、先敵發射、先敵命中"。F-22雷達可以進行脈間變頻、快速掃描，敵方很難檢測和定位。同時還可以用時分的方法進行電子情報蒐集、實施干擾、監視或通信。這些是以前戰鬥機雷達所無法實現的。下圖為F-22的雷達AESA陣面照片。

F22戰鬥機

F-22雷達採用AESA體制，它由美國諾·格公司（Northrop Grumman Corp）和雷神公司（Raytheon Systems Company）共同研製。該雷達將用於21世紀初在美國空軍服役的F-22先進戰術戰鬥機，目前F-22是世界最先進的戰鬥機。F-22能在多種威脅環境下，以低可觀測性、高機動性和高靈活性對超視距敵機進行攻擊，也能進行近距格鬥空戰。1998年4月，諾·格公司已交付第一套APG-77雷達硬體和軟體給波音飛機公司F-22航空電子綜合實驗室，對F-22的航空電子設備進行系統綜合測試和鑑定試驗。作為APG-77計畫的工程發展（EMD）階段的首批11部雷達已交付給諾·格公司馬里蘭州測試實驗室進行系統級綜合與測試。全尺寸雷達自1999年開始生產，預計到2004年11月具備初步作戰能力（IOC），2005年開始服役。

AN/APG-77雷達主要功能

AN/APG-77雷達是一部典型的多功能和多工作方式的雷達，其主要的功能有：

● 遠距搜尋（RS)

● 遠距提示區搜尋（cued search)

● 全向中距搜尋（速度距離搜尋）（velocity range search)

● 單目標和多目標跟蹤

● AMRAAM數傳方式（向先進中距空空飛彈傳送制導修正指令）

● 目標識別（ID)

● 群目標分離（入侵判斷）（RA)

● 氣象探測

雷達可能擴展的功能

● 空/地合成孔徑雷達（SAR）地圖測繪

● 改進的目標識別

● 擴大工作區（通過設定旁陣實現）

F-35(JSF）機載雷達（AN/APG-81）

2000年，美國國防部JSF項目辦公室授予諾·格公司4200萬美元契約為JSF 設計、開發和試飛AESA雷達，它是多功能綜合射頻系統/多功能陣（MIRFS/MFA）計畫的一部分。雷達系統採用最先進的AESA天線、高性能的接收機/激勵器、商用的處理機（貨架產品）。由於採用了最新的技術成果，大量減少了元器件和內部連線器數目，所以JSF雷達的成本和重量都較其前輩（F-22雷達）有大幅度地降低，重量和價格降低了約3/5，製造和維修也比較簡單。MIRFS/MFS 計畫要求T/R模組能夠實現全自動化生產；可靠性比傳統的機械掃描雷達提高一個數量級；後勤保障和全壽命費用降低50%。APG-81採用開放式結構，為將來性能增長提供極大空間。JSF的AESA雷達設計的一條重要原則是必須滿足JSF對隱身特性的要求。同時強調必須滿足軍方提出對JSF的"四性"要求，即：經濟承受性、致命性、生存性和保障性。

F/A-18E/F 雷達AESA改進型（AN/APG-79）

F-18D/C/E/F原來配裝雷達APG-65/73，其AESA改進型編號為 APG-79。該雷達仍由APG-65/73雷達的製造商雷神公司研製。APG-79採用先進的AESA體制，於2003年7月30日在美國中國湖（China Lake）海空作戰中心配裝在F/A-18上進行成功首飛。新雷達可以同現有F/A-18機載武器相匹配，同時，設計留有日後充分擴展的餘地。APG-79 AESA雷達極大地降低了載機的雷達可觀測性，即提高了飛機的隱身特性。雷達的可靠性和維護性也得到了根本的改善。雷神公司將於2005年向波音正式交付裝機的APG-79雷達。

APG-79 AESA雷達具有下述功能和特點

空對空：

·攻擊遠距目標

·通過資源管理器減輕飛行員工作負荷

空對面：

·防區外遠距高解析度地圖測繪

·同時具有多工作方式工作能力

可靠性和成本：

·系統可靠性增加5倍

·自檢系統可以把故障隔離到外場可更換模組（LRM)

·通過T/R模組的特殊設計實現系統"完美"降級

·運營成本大幅度降低

裝備F/A-18E/F的3部AESA雷達系統於2004年6月份開始在中國湖的海空作戰中心進行新一輪的試驗，並通知試飛小組制定一個有特種作戰部隊、埃格林空軍基地等單位參與的試驗計畫。還要求演示試驗飛機和指揮船之間的通信鏈路，研究F/A-18E/F和EA-18G可以向指揮船提供什麼信息。海軍已經建立了一個工作小組，目前要做的是同空軍的F-15和JSF方面的人員接觸，深入討論聯合試驗和性能鑑定等問題以及建立一個工作小組評審有關標準、結構和規約。

變化和收益

美國海軍和空軍目前都在研究AESA究竟能為未來戰爭帶來一些什麼變化和收益？他們正在尋求幾個關鍵問題的答案：

·目前，AESA雷達的作用距離已經是傳統機械掃描雷達的一倍，可供選用的雷達功能已極大地豐富，這樣我們可以創造一些什麼新的戰術？

·一個雙機或4機編隊怎樣分工完成空對空和空對地的攻擊任務？

·如何由一架裝有AESA的戰機引領一批沒有裝載AESA的普通戰鬥機提高他們的戰鬥能力？

F-16(UAE）雷達AESA改進型（AN/APG-80）

F-16原來配裝APG-66/68，APG-80為其AESA改型，仍由諾·格公司研製。該公司還同時為F-16UAE研製電子戰系統。F-16UAE是為阿聯研製的F-16第60批產品，計畫生產80架。2004年到2007年完成交付。由於諾·格公司在此期間幾乎同時得到了F-22和F-35的配套雷達研製契約，因此大部分AESA技術和模組都可以移植到APG-80中來。這使其研製周期可以大為縮短。預計2004年7月，雷達可以交付到飛機承包商洛·馬公司進行雷達的驗收試驗。APG-80雷達具有先進的對空和對地兩種工作模式，這也是採用諾·格公司第4代發射/接收機模組化技術的第一種產品。APG-80可以連續搜尋和跟蹤出現在它掃描範圍內的多個目標。此外飛行員還可以同時進行空對空的搜尋與跟蹤、空對地的目標瞄準以及地形匹配飛行。

新的波束捷變技術帶來了雷達能力的巨大增長，擴展了飛行員對態勢的感知能力，使雷達對目標探測距離更遠，並具有高清晰度合成孔徑雷達成像能力。雷達的可靠性也比傳統的機械掃描雷達高數倍。

F-15改進型雷達（AN/APG-63V2/3）

F-15原來配裝AGP-63/70，APG-63V2為其改進型，採用有源相控陣體制。雷神公司已完成向波音飛機公司的最後18架F-15C的APG-63(V)2 AESA雷達的交付。這是世界上首次進入空軍服役的戰鬥機AESA雷達。該雷達消除了原來F-15雷達笨重的液壓天線驅動系統，雷達的快速掃描和多目標跟蹤能力都得到了數量級的增長。提高了飛行員對戰場環境的認知能力。該型雷達能夠同現有的飛機武器系統很好地兼容。由於作用距離的增加，使得增程的AIM-120的性能得到充分的發揮，並能在更大的視場範圍內（方位和俯仰）制導多枚空空飛彈，同時攻擊多個目標，包括雷達截面積很小的隱身目標，如巡航飛彈等。儘管APG-63(V)2雷達有上述種種優點，但將被更為先進的APG-63(V)3所代替。因為前者需要太多的冷卻和供電。飛機要為裝載這樣的雷達進行大量的改裝工作。另外，由於雷達太重，還要在飛機尾部加裝600磅（272千克）的配重，以便平衡飛機的重心。這時改裝後的飛機將比原來飛機增重1000磅（454千克）。這對飛機的航程和油耗沒有太大的衝擊，但對飛機的機動性卻有一定的影響。

雷聲公司研製的APG-63(V)3 AESA 雷達把經過實戰考驗的APG-63(V)2 AESA雷達軟體和即將投入使用的F/A-18E/F “超黃蜂”戰鬥機的APG-79 AESA雷達先進的硬體結合起來，從而形成一種高性能的新系統，它具有極佳的可靠性和經濟性。波音公司的官員表示，AESA雷達極大地改進了F-15C戰鬥機的環境感知能力以及目標定位能力和定位精度。AESA雷達可以使F-15C戰鬥機在21世紀仍然保持其空戰優勢。由於可靠性的提高，也使F-15C戰鬥機的維修成本大幅度降低。新型APG-63(V)3雷達同F-15C原型的機械掃描雷達V1相比重量基本相同，因此不需在飛機尾部加裝配重；同時，原型飛機的供電也可以滿足APG-63(V)3雷達雷達的要求。APG-63(V)3雷達的後勤保障需求大為降低，極大地增加了部隊的機動能力。APG-63(V)2雷達的AESA天線採用"磚塊"結構；APG-63(V)3雷達則採用"瓦片"結構（即為F/A-18E/F改裝APG-79AESA雷達所採用的一種更小型的AESA結構形式）。V3型的AESA陣面將可減重240磅（109千克）。同時，V3型雷達的故障診斷能力也有大幅度的改善。