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

趙飛　郭凱麗

面對(duì)導(dǎo)彈技術(shù)的擴(kuò)散、五代機(jī)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(shí)別難題也更加嚴(yán)重。為進(jìn)一步提升探測(cè)跟蹤及目標(biāo)識(shí)別能力，增強(qiáng)防空反導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，美國(guó)近年來(lái)從雷達(dá)新體制、新器件等多個(gè)方面，加大雷達(dá)新技術(shù)的研究力度。

美國(guó)防空反導(dǎo)雷達(dá)部署及不足

導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)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(dá)主要包括固定陣地的3部升級(jí)型早期預(yù)警雷達(dá)、2部鋪路爪雷達(dá)、1部丹麥眼鏡蛇雷達(dá)，以及移動(dòng)型?；鵛波段雷達(dá)、前置型X波段雷達(dá)AN/TPY-2、巡洋艦和驅(qū)逐艦裝備的宙斯盾系統(tǒng)雷達(dá)AN/SPY-1、陸軍愛(ài)國(guó)者系統(tǒng)雷達(dá)AN/MPQ-53/65等。

其中，早期預(yù)警雷達(dá)、鋪路爪雷達(dá)和丹麥眼鏡蛇雷達(dá)是地基中段防御系統(tǒng)的預(yù)警雷達(dá)，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(shí)別能力。前置型AN/TPY-2雷達(dá)對(duì)來(lái)襲彈頭的識(shí)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(dá)工作在S波段，“愛(ài)國(guó)者”系統(tǒng)的AN/MPQ-53/65雷達(dá)工作在C波段，頻率低且作用距離有限，用于對(duì)攔截彈的末段制導(dǎo)。?；鵛波段雷達(dá)具有高分辨能力，但最初建造目的是用于試驗(yàn)，不具備作戰(zhàn)系統(tǒng)所需的可靠性和實(shí)用性，且雷達(dá)波束角度范圍（即電子視場(chǎng)）只有25°，限制了雷達(dá)處理呈大角度分散的多目標(biāo)的能力。因此，美國(guó)防空反導(dǎo)系統(tǒng)利用現(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的能力尚有欠缺。

美軍目前主要依靠X波段雷達(dá)解決防空反導(dǎo)系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別的問(wèn)題。2012年以來(lái)，美國(guó)相繼提出多項(xiàng)方案，以改善對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈的目標(biāo)識(shí)別性能，主要包括：在早期預(yù)警雷達(dá)附近部署堆疊式AN/TPY-2雷達(dá)或X波段非相控陣?yán)走_(dá);將夸賈林靶場(chǎng)的GBR-P雷達(dá)樣機(jī)升級(jí)后部署至東海岸;以及新建S波段遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)（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(shí)別雷達(dá)等。

美國(guó)雷達(dá)新體制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

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

發(fā)展數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)，提升雷達(dá)多功能和小目標(biāo)檢測(cè)能力。數(shù)字陣列雷達(dá)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(dá)，通過(guò)在數(shù)字域?qū)Πl(fā)射/接收信號(hào)進(jìn)行幅相加權(quán)來(lái)形成所需波束，具有超低副瓣、多功能、小目標(biāo)檢測(cè)能力強(qiáng)、低截獲概率、易于實(shí)現(xiàn)軟件化和寬角度掃描等優(yōu)點(diǎn)，可用于搜索、監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤、火控、天氣監(jiān)測(cè)等各種應(yīng)用。

目前，美國(guó)陸軍、海軍都發(fā)展了數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)。2010年，美國(guó)陸軍通信電子研究、開(kāi)發(fā)與工程中心啟動(dòng)數(shù)字陣列雷達(dá)項(xiàng)目，旨在驗(yàn)證如何運(yùn)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(zhǎng)的商業(yè)數(shù)字組件生產(chǎn)高性能、低成本的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。2006年，美國(guó)海軍研究生院提出“反導(dǎo)反隱身機(jī)會(huì)數(shù)字陣列雷達(dá)”概念，旨在以數(shù)字陣列技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)會(huì)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(dá)，設(shè)想用于DDG-1000朱姆·沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦。2014年—2018年，雷神公司設(shè)計(jì)靈活分布式陣列雷達(dá)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)數(shù)字天線，用于雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)發(fā)送和接收射頻信號(hào)。2017年，世界首部采用大孔徑子陣級(jí)數(shù)字陣列技術(shù)的S波段艦載防空反導(dǎo)雷達(dá)AN/SPY-6在夏威夷成功完成3次實(shí)彈攔截測(cè)試，進(jìn)入低速率初始生產(chǎn)階段。

發(fā)展MIMO雷達(dá)與分布式相參孔徑處理技術(shù)，提升雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)威力。MIMO雷達(dá)是一種多通道發(fā)射、多通道接收的新雷達(dá)技術(shù)體制，是雷達(dá)組網(wǎng)的最高層次，能夠增大功率孔徑積，提高對(duì)目標(biāo)探威力，提高對(duì)隱身目標(biāo)探測(cè)的效能，具有優(yōu)良的抗摧毀、抗干擾性能和目標(biāo)識(shí)別能力，可用于構(gòu)建岸基預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離微小目標(biāo)以及機(jī)載/星載動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)等。該技術(shù)得到了美國(guó)空軍的高度重視，并取得了一系列進(jìn)展。

分布式相參合成孔徑雷達(dá)是將若干部（設(shè)為N部）機(jī)動(dòng)式雷達(dá)進(jìn)行信號(hào)級(jí)合成處理，實(shí)現(xiàn)N3信噪比增益（MIMO雷達(dá)只能獲得N2信噪比增益），等效形成一個(gè)大威力的機(jī)動(dòng)式雷達(dá)，滿足大威力、高精度探測(cè)與機(jī)動(dòng)靈活部署等需求。

發(fā)展雷達(dá)自適應(yīng)對(duì)抗技術(shù)與認(rèn)知雷達(dá)，提升雷達(dá)電子戰(zhàn)能力和智能化水平。雷達(dá)自適應(yīng)對(duì)抗技術(shù)是可識(shí)別敵方未知雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)特征，利用實(shí)時(shí)生成的對(duì)抗措施進(jìn)行電子干擾，并可進(jìn)行效果評(píng)估的一種電子戰(zhàn)技術(shù)。2012年7月，美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)自適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗（ARC）項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)一種新型電子戰(zhàn)能力，有效識(shí)別敵方不斷變化和不清晰的雷達(dá)信號(hào)，并快速采用有效手段對(duì)其進(jìn)行干擾。ARC技術(shù)采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，算法和信號(hào)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(xiàng)目分為3個(gè)階段，研發(fā)周期為5年，重點(diǎn)進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)和部件級(jí)測(cè)試，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，研制一個(gè)實(shí)時(shí)自適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗樣機(jī)，并進(jìn)行飛行測(cè)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(xiàng)目的第二、三階段。BAE系統(tǒng)公司計(jì)劃2018年推出ARC樣機(jī)。

位于阿拉斯加的美軍早期預(yù)警雷達(dá)

鋪路爪雷達(dá)相控陣天線陣列

氮化鎵器件能顯著提升有源相控陣?yán)走_(dá)組件性能

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

發(fā)展雷達(dá)綜合射頻技術(shù)，提升雷達(dá)多功能水平。現(xiàn)代化體系作戰(zhàn)要求作戰(zhàn)平臺(tái)的載荷具有雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等多種射頻功能。為此，美軍近年來(lái)開(kāi)展了多個(gè)雷達(dá)綜合射頻項(xiàng)目。雙波段（DBR）雷達(dá)是為DDG-1000驅(qū)逐艦研制的雷達(dá)，由洛克希德·馬丁公司的AN/SPY-4體搜索雷達(dá)和雷神公司的AN/SPY-3多功能雷達(dá)綜合而成。DBR同時(shí)工作于兩個(gè)頻段，首次實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)資源管理器協(xié)調(diào)兩個(gè)頻率的操作。能夠在波形級(jí)對(duì)任一部雷達(dá)進(jìn)行控制，對(duì)兩個(gè)頻段進(jìn)行綜合優(yōu)化利用，使雷達(dá)時(shí)間線的使用達(dá)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(duì)電子攻擊的敏感性。AMDR雷達(dá)由X波段雷達(dá)、S波段雷達(dá)以及1個(gè)雷達(dá)套件控制器組成。雷達(dá)套件控制器為2部雷達(dá)提供接口，協(xié)調(diào)管理2部雷達(dá)，使AMDR作為一個(gè)整體工作，保證AMDR雷達(dá)在反導(dǎo)、防空及海面戰(zhàn)等不同角色中快速轉(zhuǎn)換，未來(lái)將取代宙斯盾系統(tǒng)雷達(dá)。未來(lái)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(lái)執(zhí)行完成。

DARPA的雷達(dá)和通信共享頻譜計(jì)劃。DARPA的雷達(dá)和通信共享頻譜計(jì)劃旨在提高雷達(dá)和通信共享頻譜的能力，主要支持兩種頻譜共享：軍用雷達(dá)和軍用通信系統(tǒng)（軍用/軍用共享）之間頻譜共享;軍用雷達(dá)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(duì)宙斯盾系統(tǒng)中的AN/SPY-1雷達(dá)和AN/TPS-80雷達(dá)進(jìn)行了研究，運(yùn)用仿真和分析手段驗(yàn)證在保證雷達(dá)和通信系統(tǒng)性能的同時(shí)，頻譜共享是否具有可行性。2015年3月，第二階段工作重點(diǎn)關(guān)注2～4吉赫茲間的S波段。該計(jì)劃在雷達(dá)研究方面要使多功能雷達(dá)實(shí)現(xiàn)空中監(jiān)控、空中跟蹤、非合作目標(biāo)識(shí)別并且同時(shí)監(jiān)測(cè)天氣，通信系統(tǒng)研究重點(diǎn)關(guān)注軍用移動(dòng)自組網(wǎng)和商用小型基站寬帶。

DARPA舉辦首個(gè)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(jí)增長(zhǎng)的軍用和民用無(wú)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(chǎng)”的無(wú)線試驗(yàn)臺(tái)，為下一代無(wú)線電系統(tǒng)評(píng)估頻譜共享策略、戰(zhàn)術(shù)和算法。SC2項(xiàng)目自2017年開(kāi)始，分為三個(gè)階段，每個(gè)階段為期1年。DARPA希望以此加速機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的研發(fā)，在時(shí)間尺度上實(shí)時(shí)共享頻譜。2017年12月，30支競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)在約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室參加了初賽。2018年12月，15支團(tuán)隊(duì)在第二輪初賽中通過(guò)了6種不同的射頻場(chǎng)景，這些場(chǎng)景旨在模擬協(xié)同自主無(wú)線電將在現(xiàn)實(shí)世界中面臨的挑戰(zhàn)。第二輪比賽過(guò)程中自主協(xié)同第一次超越了目前的頻譜管理水平。

美國(guó)雷達(dá)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(dá)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(kāi)始在美軍多個(gè)新雷達(dá)研制和舊雷達(dá)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)高性能和低成本。氮化鎵微波器件具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高截止頻率、良好的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)抗輻射能力等特點(diǎn)，能夠提升有源相控陣?yán)走_(dá)收/發(fā)組件性能;提高雷達(dá)的工作頻率、工作帶寬和瞬時(shí)信號(hào)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(yàn)證了世界首個(gè)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(shí)實(shí)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(dá)提升50%的作用距離，或在相同時(shí)間內(nèi)增大5倍搜索空間體積。目前美軍的遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)和地/空任務(wù)導(dǎo)向雷達(dá)都采用了氮化鎵器件，美軍還將氮化鎵器件用于新型愛(ài)國(guó)者雷達(dá)中。

發(fā)展超材料技術(shù)提升未來(lái)天線性能。超材料可用于導(dǎo)彈、機(jī)體、船體和車體等表面，實(shí)現(xiàn)寬頻、超薄隱身;可用于雷達(dá)罩，實(shí)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(lái)，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(jìn)展。2014年4月，英國(guó)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(shí)現(xiàn)了天線減重、小型化和帶寬擴(kuò)展、信號(hào)增強(qiáng)。2017年，美國(guó)杜克大學(xué)用超材料制造出一種合成孔徑雷達(dá)，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(gè)電子元件都和電磁場(chǎng)相互作用，使得雷達(dá)能夠精確地控制輻射方向，性能更加靈活高效。

美國(guó)雷達(dá)前沿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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

發(fā)展量子雷達(dá)技術(shù)，提升雷達(dá)反隱身抗干擾能力。量子雷達(dá)技術(shù)是將量子信息技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)的生成、發(fā)射、接收和處理的技術(shù)?？捎糜谔綔y(cè)隱身目標(biāo)的武器系統(tǒng)及空間探測(cè)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(dá)相比，量子雷達(dá)具有分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、靈敏度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)和易于成像等顯著特點(diǎn)。鑒于其強(qiáng)大的反隱身抗干擾能力，美國(guó)海軍、陸軍都進(jìn)行了量子雷達(dá)研究。量子雷達(dá)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(shí)踐研究仍處于探索階段。

AMDR雷達(dá)概念圖

2012年12月，美國(guó)羅切斯特大學(xué)光學(xué)研究所披露了利用量子增強(qiáng)型激光雷達(dá)，對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的試驗(yàn)情況。試驗(yàn)證明量子雷達(dá)不僅能探測(cè)到隱身飛機(jī)，還能探測(cè)具有欺騙能力的隱身飛機(jī)。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(dá)系統(tǒng)。2015年，德國(guó)亞琛大學(xué)、美國(guó)麻省理工、英國(guó)約克大學(xué)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次創(chuàng)造性提出了一種微波量子雷達(dá)系統(tǒng)形態(tài)，為量子雷達(dá)技術(shù)從光頻段轉(zhuǎn)入更適合目標(biāo)監(jiān)測(cè)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(jì)算研究院成功研制出一種新型量子雷達(dá)，能夠在大幅降低復(fù)雜背景噪聲干擾的同時(shí)剝離探測(cè)目標(biāo)，可有效探測(cè)隱身飛機(jī)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(guó)開(kāi)始加大對(duì)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(cè)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(cè)、生物醫(yī)學(xué)以及天文物理學(xué)等領(lǐng)域，未來(lái)在軍事通信、戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)DARPA開(kāi)展了多項(xiàng)太赫茲技術(shù)研究。2012年推出視頻合成孔徑雷達(dá)計(jì)劃，2014年推出成像雷達(dá)先進(jìn)掃描技術(shù)，2016年在專門雷達(dá)特征解決方案中加強(qiáng)亞毫米波目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)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(guò)光譜分析可對(duì)導(dǎo)彈尾焰進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī)時(shí)間，進(jìn)行導(dǎo)彈防御。

目前，美軍已經(jīng)在雷達(dá)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(dá)改進(jìn)和新雷達(dá)研制中得到廣泛應(yīng)用;未來(lái)美軍還將通過(guò)認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)智能化，通過(guò)與量子信息技術(shù)等前沿技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提升對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別能力。

責(zé)任編輯：彭振忠