国外海军集成桅杆技术发展浅析

刁端信陈 豪

（1.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

国外海军集成桅杆技术发展浅析

刁端信1陈 豪2

（1.海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］现代舰船电子信息设备的大量使用，需要增设各种天线，给舰船上层建筑设计带来诸多困难。为解决天线布置、电磁兼容和雷达散射截面积（RCS）增加等问题，集成桅杆是现代舰船设计的重要标志。文中介绍分析了美国、英国、德国、荷兰和意大利海军舰船采用集成桅杆的先进技术，提出采用系统集成方法将舰船设计中的隐身性、电磁兼容性和上层建筑设计有机地统一起来，使舰船平台的各项性能更好。

［关键词］国外海军；集成桅杆；技术特点

引 言

随着电子信息技术的迅猛发展，信息作战对电磁频谱的依赖越来越强，电磁频谱已成为军事作战的基本领域。海军舰船越来越多地依靠电磁频谱来执行监视、通信、情报、电子战、战斗识别、火控以及导航等任务，主要包括雷达、电子战、通信、敌我识别、数据链、信息分发、定位报告等系统设备。电子信息设备不断增加，使舰船增设越来越多的天线。舰船上部（特别是桅杆）是布设天线的最佳部位，而在桅杆上布设各种天线又必然产生各种问题，例如：天线较多难以布置；电磁干扰及电磁兼容；雷达散射截面积（RCS）增加等。集成桅杆技术为解决上述问题提供了一个很好的解决方案：在舰船上层建筑设计技术中，集成桅杆用系统集成方法采用新材料技术、集成化天线技术、综合射频技术等新技术，将舰船设计中的隐身性、电磁兼容性和上层建筑设计有机地统一起来，使舰船平台具有良好的隐身性、电磁兼容性和作战性能。

1 国外海军集成桅杆项目

由于集成桅杆被当作水面舰船设计的又一次重大变革，美国、英国、德国和荷兰等国家海军对集成桅杆技术高度重视。许多国家的海军都希望能得到包含雷达、光电/红外（EO/IR）传感器、敌我识别（IFF）、通信和电子战系统在内的集成桅杆解决方案。21世纪以来，国外海军进行了大量研究，尤其是美国和欧洲，分别形成美国海军的综合上层结构（InTop）项目、英国先进技术桅杆（ATM）项目、德国集成多探测器桅杆（IMSEM）项目、荷兰海军的“I-桅杆”（I-MAST）项目、意大利集成模块化桅杆（MITOS）项目。

1.1 美国AEM／S系统和综合上层结构（InTop）项目

20世纪90年代中期，美国海军就对集成桅杆技术进行研究，把先进封闭式桅杆/传感器系统（AEM/S）作为舰船集成化设计的重点。“圣·安东尼奥”号两栖船坞运输舰（见图1）上安装了前后两部AEM/S系统，均采用上小下大的八棱柱外形，侧面倾斜角相对于垂轴为10°，桅杆和舰平台连成一体。舰首部的桅杆较低，布置有通信天线和SPQ-9B水平搜索雷达；舰尾部的桅杆较高，布置有SPS-48E三坐标对空搜索雷达以及附带的传感器和天线。桅杆采用复合材料制成，既可支撑传感器，又可作为天线和雷达的外壳。桅杆中的复合频率选择层，既可以通过己方的通信及雷达信号，又可以阻止敌方干扰信号的进入，从而使通信系统及传感器免受外界信号干扰，性能得以提升，同时还能有效减小本舰船的雷达散射截面积（RCS）。

图1 “圣·安东尼奥”号两栖船坞运输舰

美国DDG 1 000多用途驱逐舰（图2）代表最新一代水面舰船采用了集成上层结构（含桅杆）技术（Integrated Topside-InTop），将各种天线嵌在上层建筑的外墙上，实现了上层建筑与桅杆的共型集成。在DDG 1 000的上层建筑设计集成方案中，采用了整合式船楼组合（Integrated Deckhouse Assembly），这是一个一体成型、模块化的单一船楼结构，整体造型由下往上向内收缩以降低雷达反射截面（RCS）。DDG 1 000运用射频集成技术，在上层建筑上除布置各种雷达天线以外，还装设了微波通信天线、全球定位系统天线、UHF卫星通信天线、协同作战能力（CEC）系统天线、联合战术无线电系统天线和数据链天线等多种设备。DDG 1 000还在各天线孔经面上涂覆频率选择材料（FSS），仅限于特定的电磁信号通过。通过频率选择材料和简洁平滑的外型，进一步降低了舰船雷达反射面积［1］。

图2 DDG 1000多用途驱逐舰

1.2 英国先进技术桅杆ATM项目

1992年，英国奎奈蒂克（QinetiQ）公司就在皇家海军支持下研究先进技术桅杆（ATM，Advanced Technology Mast）。设计人员均衡考虑了舰船安全环境要求、系统性能和结构形式，将天线置于封闭式结构中，外壳采用频率选择材料，可以通过本舰的通信及雷达信号，阻止外界干扰辐射信号进入桅杆，减少电磁干扰，使作战系统的性能得到提高。外壳在造船厂利用现有的成熟技术制造，能大大降低成本。英国45型驱逐舰（图3）采用集成桅杆技术（ATM），能够不断加入新的传感器，由于采用吸收雷达波的复合材料制造，不仅降低了雷达反射面积，而且其重量比钢结构减少10%～ 30%。

英国海军明日战舰UXV的设计基于45型舰而来，该舰作为无人飞机隐身航母，舰体的中部采用集成桅杆技术（ATM）的大型舰岛建筑。UXV具有足够强大的火力，根据不同的作战任务可搭载即插即用的模块化任务舱，承担扫雷、登陆支援或反潜任务，UXV 将于2020年左右部署到英国海军［2］。

1.3 德国集成多探测器桅杆IMSEM

德国海军的FDZ-2020计划（图4）是除美国DD（X）计划之外最值得关注的水面舰船发展计划。作为隐身战舰，FDZ-2020采用了集成全封闭桅杆也称为“集成多探测器桅杆”（IMSEM），实现了探测、通信系统的“孔径集成”。 其顶部的小球体是红外、激光和雷达告警设备的接收天线，下面是通信设备、X波段数据链及相控阵雷达、C波段雷达、L或S波段雷达等设备的天线。桅杆中集成了通信、导航、对空搜索、对海搜索、火控、电子对抗、数据传输，以及红外、激光和雷达告警等设备的天线。集成多探测器桅杆将各探测器和天线统一集中起来，既降低雷达反射截面积，又比较好地解决了电磁兼容问题。

图3 采用集成桅杆技术（ATM）的英国45型驱逐舰和明日战舰-UXV

图4 德国FDZ-2020未来护卫舰想象图和集成多探测器桅杆（IMSEM）

1.4 荷兰舰用综合桅杆I-MAST

图5 装备I-MAST 400的荷兰巡逻舰

图6 I-MAST系列舰用综合桅杆

2007年12月，荷兰皇家海军新型“晗兰德”（Holland）级巡逻舰（图5）开始装配、测试泰利斯荷兰公司的I-MAST400舰用综合桅杆（图6）。I-MAST 400结构从上至下包括：泰利斯公司的军用双波段（X/Ku）超高频卫星通信（SATCOM）（提供高数据率超视距通信）；基于非旋转圆桶形天线阵的敌我识别天线（罩内还包含ESM天线）；“海上哨兵”（Sea Watcher）100 X波段有源相控阵海上监视雷达；“看门人”（Gatekeeper）360°全景IR/EO监视与告警系统；综合通信天线系统（ICAS）（便于应用的标准VHF/UHF通信设备以及与Link 16的集成）；用于空海监视的非旋转“海上主人”（Sea Master）400 S波段三坐标有源相控阵雷达；UHF卫星通信和船用探照灯。

I-MAST 400解决了传统桅杆结构所固有的电磁冲突和视距障碍，在提高作战性能和降低造船风险方面提供了很大优势。在I-MAST 400装备首艘巡逻舰的同时，泰利斯荷兰公司还在开发可升级的模块化I-MAST解决方案，包括从非旋转X波段有源相控阵雷达的I-MAST 500到用于低强度威胁和中型船的-MAST 400，以及用于小型轻护舰的I-MAST100。

1.5 意大利集成模块化桅杆项目（MITOS）

意大利海军的集成模块化桅杆项目（称为MITOS），旨在装备其新型多任务远洋作战巡逻舰PPA。这些巡逻舰将替代一系列护卫舰、轻护舰和近海巡逻舰，并将成为舰队的骨干。MITOS项目重点研究如何集成意大利本国开发的传感器和系统，包括雷达、IFF、IR/EO、通信和电子战系统，分析新型桅杆的不同解决方案，以便意大利海军为新型舰船选择最成熟的组件。

图7 Selex ES公司的UNIMAST系列集成桅杆

MITOS项目将采纳Selex ES公司的UNIMAST项目（图7）的成果。Selex ES公司正在UNIMAST项目中开发一系列集成桅杆，该系列集成桅杆结构的组成部分包括多功能三坐标有源电子扫描阵列雷达、相控阵敌我识别系统、光电系统、通信组件（包括战术数据链）以及电子战系统，并可根据不同船型对各模块重新配置。其中的UNIMAST 300采用综合了GaN（C波段）和GaA（X波段）收发模块的AESA雷达、360°全景IR/EO传感器、采用平面天线的无线电通信、卫星通信和ESM/ECM系统。

2 技术特点

集成桅杆是舰船设计、电子、电磁兼容、结构、材料等各学科交叉的系统工程项目，其关键技术主要有：天线集成、综合射频、新材料、结构设计和电磁兼容等技术。

2.1 天线集成技术

天线集成技术就是将各自独立的天线集成为综合的多功能天线，并与上层建筑融为一体的现代舰船设计技术，可有效解决越来越多的天线的布置问题和由此引起的电磁兼容问题。美国在舰船集成天线方面有许多重要进展，在先进多功能射频系统（AMRFS）项目中，开发了通用宽带有源阵列天线体系结构，能同时收发多个雷达、电子战和通信用的独立波束。在多功能电磁辐射系统（MERS）中，将VHF、UHF的通信天线、敌我识别器天线、战术信息系统的天线和测向天线等整合为一个综合型天线。在多功能隐形烟囱（LMS）集成化上层结构设计中，将多功能阵列卫星通信天线安装到甲板的舱式结构中。美海军研究局实施可承受性集成结构孔径（AISA）计划，开发舰船外部复合结构中嵌入式天线的最佳制造方法，它使舰船外体既可以当作天线也可以当作承载结构使用［3］。

2.2 综合射频技术

综合射频技术是用较少的多功能孔径代替现有的多个天线孔径，用开放式的模块化结构实现各射频传感器体系的重构，从而用较少的射频模块搭建出一个具有通信、导航、警戒、探测、识别和跟踪等多种功能的综合射频。舰载多功能一体化综合射频系统将作战系统的探测感知（包括警戒和搜索、敌我识别、电子侦察、航管引导和任务控制单元等）、指挥通信（包括联合信息分发、数据链、卫星通信和超短波通信等）、交战打击（包括目标跟踪、火控跟踪、弹丸或弹流跟踪、有源干扰和舰空导弹的跟踪、制导及控制等）三大功能融为一体（见图8），使作战系统的射频实现“综合”。综合射频所涉及的关键技术包括超宽带技术、重构性技术、数字波束合成技术等［4］。

图8 基于综合射频技术的集成桅杆与作战系统功能覆盖图

2.3 复合材料与结构设计技术

由于复合材料具有较高的比强度、比刚度，良好的耐腐蚀性、各向异性、抗疲劳以及设计性强等性能特点。集成桅杆采用钢质与复合材料的混合结构可以减少雷达波反射，还可以采用表面涂敷吸波材料或屏蔽遮挡的措施，消除外界的雷达波散射源。为有效解决电子设备天线隐身问题，集成桅杆局部复合材料内部还需嵌入频率选择层（FSS），屏蔽电子设备非工作频带入射。

由于考虑到隐身等要求，集成桅杆结构形式比传统桁架式桅杆有较大改变，将导致其绕流特性发生很大变化。集成桅杆采用透波性能优越的复合材料层合板，将导致桅杆力学性能发生很大改变。以往的桁架式桅杆的结构静动力学性能设计计算方法和设计准则可能不再适用。集成桅杆采用钢质材料与复合材料的混合结构，过渡区域载荷的传递需通过相应连接结构来实现，复合材料的各向异性特点导致连接部位的应力分布较金属结构复杂得多。这些问题都给集成桅杆的结构设计带来挑战。［5］

2.4 电磁兼容设计技术

由于集成桅杆与传统桅杆的射频天线布置方式不同，其综合射频系统可能产生新的电磁兼容性问题，如在集成桅杆各天线的阵面及孔径窗口的边缘可能产生表面耦合现象。集成桅杆中布置了较多的阵面和孔径窗口等，有些辐射特性和尺寸相近的，就有可能形成周期性结构效应。集成桅杆将不同频率、不同种类和功能各异的天线封闭在一个综合体内，内部有较多的辐射源，由于电磁波无法向外释放，在内部可导致产生自干扰现象。由于集成桅杆内的空间很小，且布置有很多的波导及电缆，它们之间很可能产生串音干扰。这些问题都给集成桅杆的电磁兼容设计带来挑战［6］。

3 集成桅杆带来的益处

总结外军集成桅杆技术的发展情况，集成桅杆技术为舰船设计带来以下几个方面的益处：

（1）与舰船共外形的阵面式天线和平板式天线取代了机械旋转天线，把众多奇形怪状的天线利用主流有源相控阵技术或复合天线技术实现阵面化（至少实现平板化）并与舰的上层建筑（含桅杆）共形，使舰船隐身性得以提高，雷达散射截面积（RCS）可减少50% ～ 80%，降低了舰船被敌精确制导武器命中的概率。

（2）多个射频设备共用天线孔径既可大大减少全舰射频天线数量，又可优化探测视界、改善舰艇电磁环境、提高电磁兼容性，从而使每个射频设备都能充分发挥最大性能。原先被密集天线所占用的位置被腾出，不仅提高舰艇的有效载荷，也减少了分布在甲板下电子设备的数量。

（3）集成桅杆采用的轻型复合材料，一是有效减轻上层建筑质量，二是其嵌入的频率选择层提高了电子设备在复杂电磁环境中的工作效能，三是能有效减小舰船的雷达散射截面积（RCS）。

（4）更便于综合控制全舰射频设备的功率资源、频域资源、时间资源，作战效能更优。根据作战系统的总体效能、作战流程、信息流程来对全舰的射频设备进行资源最佳分配和调度。

（5）可统一进行全部射频天线与舰共形结构设计和天线冷却设计，从而卓有成效地实现振动抑制、电磁兼容、防腐防漏、热红外隐身、雷达反射截面RCS减小、减少风阻、提高稳性，优化效果更佳。

（6）舰船制造与舰载电子系统的测试和集成可分开进行，从而降低造船过程中的技术风险。

4 结 论

要改变舰载雷达、通信和电子战系统等众多林立的天线对舰船隐身性和电磁兼容性的影响，采用新材料、集成天线、综合射频等新技术，实现舰船射频系统的集成和资源共享，并将一体化的射频集成系统与舰船上层建筑或桅杆综合集成、融为一体，可解决舰船天线拥挤难以布置、隐身性差和电磁兼容性差等问题，从而有效提升舰艇的作战能力。集成桅杆是舰船设计中的一个重要里程碑，也是未来舰载电子信息系统的关键点，集成桅杆技术是一项系统工程，在国外海军舰船上已得到一定应用，并取得较好的效果。为适应新时期海军建设需要，我国海军应积极开展集成桅杆技术研究，不断提升我海军水面舰船的综合作战效能。

［参考文献］

［1］ 寇艳玲，翟爱芬，何美珍，等.舰船上层结构集成化及天线技术发展动态［J］.测控与通信，2007（3）：30-34.

［2］ 胡锦洋. UXV-英国海军明日战舰［J］.现代舰船，2008（4）：30-32.

［3］ 汪惠林.舰船集成上层建筑技术介绍［J］.船舶，2006 （4）：28-31.

［4］ 张昀.国外海军先进射频集成系统分析［J］.电讯技术，2009（6）：77-80.

［5］ 李刚，佟施宇，丁建军，等.封闭式综合集成桅杆风载分布特性研究［J］.船舶，2012（2）：35-40.

［6］ 吴楠，宋东安，郑生全，等.舰船射频综合系统的电磁兼容分析［J］.舰船科学技术，2007（6）：101-103.

［中图分类号］U663.6

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0097-06

［收稿日期］2014-11-03；［修回日期］2014-11-10

［作者简介］刁端信（1962-），男，高级工程师，研究方向：舰船设计与质量监督。陈 豪（1983-），男，工程师，研究方向：舰船设计。

Integrated mast technology of foreign navies

DIAO Rui-xin1CHEN Hao2

(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：The wide adoption of the electrical equipments in modern warships requires various antennas to be installed， which bring many diffi culties for superstructure design. As an indicator of modern warships， integrated mast can solve the problems of antennas arrangement， electromagnetic compatibility （EMC） and increased radar cross section （RCS）， etc. This paper introduces and analyzes the advanced technologies of the integrated mast in the Navies of US， UK， Germany， Holland， and Italy. It presents an integrated method by the systematically combining stealth design， EMC design and superstructure design to achieve the better stealth， EMC and combat capability.

Keywords：foreign navies； integrated mast； technology features