机载预警雷达七十年发展回顾与展望

曹　晨

(中国电子科学研究院，　北京 100041)



机载预警雷达七十年发展回顾与展望

曹晨

(中国电子科学研究院，北京 100041)

摘要：回顾了机载预警雷达自1945年以来的发展历程，并以任务适应、环境适应和平台适应为主线，将其划分为三个阶段。然后，结合未来预警机必须满足的军事需求，阐述了发展中的机载预警雷达可能具备的“宽频带、一体化、智能化和网络化”的技术特征。总体而言，未来机载预警雷达将进一步改善对任务、环境和安装平台的适应性，概念进一步拓展，在打击链中的作用将不断向后延伸，与系统和体系的交联也将更加紧密，从而为形成基于信息系统的体系作战能力作出更多贡献。

关键词：机载预警雷达；打击链；探测；识别；通信

0引言

1945年3月，世界上第一架预警机——TBM-3W开始服役[1]，开启了雷达军事应用的崭新发展阶段。70年来，预警机逐渐从单一的空中雷达站演变为集成多种传感器、通信/数据链和其他各类信息系统的空中指控平台。而机载预警雷达因其主动探测特征，一直被认为是预警机最为重要的传感器。在军事需求与技术发展的双重驱动下，未来的机载预警雷达仍将在预警机中发挥无以替代的作用，并具备新的技术特征。

1机载预警雷达七十年发展概况

1.1机载预警雷达发展的基本驱动因素

机载预警雷达的研制需要解决两大基本问题。首先是雷达能量在时域、空域和频率域的分配，分配的基本依据是针对不同的环境与目标，如何实现不同的作战任务；其次，由于这种分配必须在飞机平台所提供的条件与限制下才能完成，机载预警雷达在设计上必须同时解决雷达的平台适装性问题。这两个基本问题的内涵实际上向雷达提出了三个方面的基本要求，即任务适应、环境适应和平台适应。这些基本要求既覆盖了雷达发展的军事需求因素，也需要技术进步提供实现条件，因此构成了机载预警雷达发展的基本驱动因素。

1) 任务适应

从打击链的观点来看，机载预警雷达在“侦、控、打、评”或“发现、跟踪、识别、决策、打击和评估”的打击链中需要对空中和海面目标进行发现与跟踪。由于雷达平台的升高允许有更大的视距，因此，对于低空目标的探测，是机载预警雷达最为主要的任务，也是预警机和机载预警雷达作为一种装备类型独立发展的根本原因。随着雷达的技术进步，回波能够携带更多的信息，初步具备了对目标的识别能力，展现出雷达功能逐步向打击链后端扩展的趋势。同时，雷达的目标特征日趋复杂，对“隐、低、慢、小、高、快”等复杂目标普遍存在看不远、看不高、预警时间压缩、稳定跟踪困难和难以识别等问题。特别是隐身目标，由于雷达散射截面(RCS)缩减约两个数量级，将导致现役雷达对其探测距离下降1/3以上，雷达的任务适应性面临巨大挑战。

2) 环境适应

为了适应各类地理环境，机载预警雷达工作区域从低空近距向远距拓展，从海面向陆地扩展，由此机载

预警雷达需要不断提升反杂波能力；为了适应复杂电磁环境，其抗干扰能力也在逐步改善。虽然技术进步使现役机载预警雷达的环境适应性显著提升，但是在高原、山地和城市等强杂波背景以及有意、无意等电子干扰条件下探测距离仍然下降明显，并且随时投入战场能力弱，地面无支援条件下独立作战能力差。新一代电子战飞机应向宽频带、大功率、多波束、智能化方向发展，以及未来的预警机需要全疆域作战，在高山、滨海和远海等各种地形条件下，雷达都应该快速适应未知地形和复杂地形。因此，雷达需要在各种复杂环境下都能较好地完成各项作战任务。

3) 平台适应

在提高雷达任务和环境适应性的同时，需要兼顾解决适装性问题，以及平台安装条件下雷达的性能限制问题。首先，最为主要的是如何解决尽可能大的功率孔径与飞行安全性之间的矛盾。因此，雷达天线罩体的构型与雷达技术体制共同演进，先后出现了多种气动外形，雷达的主要组成部分则不断减轻重量、减小体积，并提高对平台能源的利用效率。其次，安装平台还不可避免地会对雷达波束产生遮挡，造成能量在空间分布的变化，从而引起全方位探测距离同设计值的偏差，因此，需要通过布局设计减轻遮挡，必要时还要考虑对由遮挡造成的回波信号畸变进行补偿。第三，飞机自身的运动将对雷达设计产生重要影响：一方面，飞机自身的运动速度需要在设计上予以补偿；另一方面，飞机的姿态变化有可能造成雷达波束偏离目标，允许时需要考虑波束的俯仰稳定设计。

1.2机载预警雷达的发展阶段划分

20世纪40年代中期到20世纪70年代初期可以认为是机载预警雷达的第一代发展阶段，其技术特征为常规脉冲体制，代表性型号为AN/APS-20及其改进型[2]。这一阶段预警雷达发展的主要意义在于，雷达安装高度的增加，使得对低空目标的探测视距显著增大。雷达虽然采用常规脉冲体制，但在海面上空对低空飞行目标具备了发现与跟踪能力。这一阶段，由于预警机主要为海军使用，且大部分需要配备航母，因此，其载机规模普遍不大，升限较低，雷达天线罩体大多布置在前机身下方，无论是探测视距还是功率孔径积均较小[3]。雷达天线普遍采用抛物面形式，大部分雷达均工作在S波段。天线罩体构型多样，先后出现机腹鼓包、背负式鼓包、背负式水滴形和背负式椭球形(圆罩)[4]；天线罩体安装位置从机腹向机背发展，主要是因为增加雷达功率孔径积的需要，在机背布置天线比在机腹有着更大的空间。水滴形罩体因为在机械扫描条件下，天线尺寸只能依据罩体最短边设计，不能充分利用空间而不再采用；背负式椭球形自E-1B后逐渐成为主流。虽然这一阶段的机载预警雷达只是地面雷达简单地在飞机上集成，在强杂波条件下不能较好地工作，环境适应能力差，但是它代表了雷达军事应用的崭新阶段，促进了雷达技术的重大变革，在信息化武器装备发展史上具有划时代的意义。

20世纪70年代初期至20世纪90年代末期，为机载预警雷达的第二代发展阶段，其主要技术特征为采用脉冲多普勒(PD)体制，代表性雷达型号为E-2C系列的AN/APS-145和E-3C系列的AN/APY-1/2[5]。这一阶段，在预警机装备规模持续扩大的同时，预警机型号数量急剧压缩。以美军为例，型号数量由早期发展阶段的10余种逐渐收敛到E-3和E-2系列两种，均采用背负式椭球形天线罩。因此，可以认为在机械扫描条件下，背负式椭圆形天线罩形式是最佳构型。在预警机型号数量压缩的同时，机载预警雷达型号多年来根据适应任务和环境的需要，一直持续改进，“一代平台、多代电子”的特征日益显现，这也表明信息系统在适应平台的同时通过改进持续提升任务适应性和环境适应性，构成了预警机装备发展的重要途径。

第二代发展阶段的机载预警雷达以脉冲多普勒技术的运用为主要手段，具备了在陆地和城市等复杂地形上空工作的能力。雷达环境适应性的改善，推动预警机主要由装备海军向同时装备海军和空军发展，甚至使空军成为装备预警机最多的军种。这一阶段，由于空军预警机无需上舰，机载预警雷达平台开始往大规模发展，升限更高，电力更充足，空间更充裕，从而为雷达提供了更大的探测视距以及功率孔径，探测威力显著增长。雷达天线普遍采用阵列形式，大型平台上S波段继续使用，有助于提供更低的副瓣(AN/APY-1雷达采用了世界上第一部超低副瓣天线)，保证下视性能；舰载平台上开始采用P波段替代S波段(E-2A的AN/APS-96)，其主要原因在于雷达适装性与环境适应性二者的兼顾与折衷。虽然P波段相比S波段，在同样孔径的条件下的副瓣较高，但海杂波电平较弱，在一定程度上弥补了由副瓣较高带来的杂波较强的问题；另一方面，由于舰载平台的规模扩大，允许有更大的载机，从而允许提供更大的天线孔径，又在一定程度上弥补了副瓣较高的不足。而采用了P波段后，由于变频模块的减少，雷达整机重量大幅下降，特别是采用八木端射天线，天线重量降低显著，从而显著改善了在舰载平台上的适装性。在这一阶段，由于PD技术的成熟，雷达回波增加了速度信息，既构成了反杂波的技术基础，也使雷达具备了粗分类的识别能力。

20世纪90年代初期至今，为机载预警雷达的第三代发展阶段，其主要技术特征是开始普遍采用有源相控阵体制，极大地提高了任务适应性，既能拓展对目标的探测距离，又能改善高机动目标的跟踪性能。AN/APY-1雷达是世界上第一型采用相控阵体制的预警机，它采用无源相控阵，且用于俯仰方向扫描，但方位上仍是机械扫描。瑞典和以色列几乎同时开展了有源相控阵机载预警雷达的研制，从形成产品的时间看，以色列装备波音707“费尔康”预警机的EL/M-2075雷达要早于瑞典装备S-100B预警机的PS-890雷达[6]，前者工作在L波段，三个天线阵面分别布置在前机身两侧和机头部位，各阵面分时工作，完成280°方位覆盖，俯仰方向上采用频率扫描，采用256个收发组件，每个组件功率15 W；后者工作在S波段，2个天线阵面分别布置在机背平衡木型天线罩内，双阵面分时工作，俯仰方向上不扫描，采用192个收发组件，每个组件功率15 W。此后，中国的空警-2000机载预警雷达、以色列“海雕”预警机的EL/M-2085、美国E-737预警机的多功能电子扫描阵列(MESA)、E-2D预警机的AN/APY-9机载预警雷达和中国空警-500预警机雷达均采用二维有源相控阵体制，在设计上各具特色。空警-2000在世界上率先实现二维有源相控阵扫描工程化，并首创采用三面天线背负式圆罩构型，后被装备印度的伊尔-76“费尔康”机载预警雷达采用。MESA采用机身背部两面侧射天线阵(7.3 m×2.7 m)结合机身顶部单面端射天线阵(10.8 m×3.4 m)(即T型阵)，在两个方面弥补了平衡木双阵面相控阵扫描的缺陷：(1)将平衡木的支腿部分全部更改设计为天线阵面，天线罩体既能提供天线孔径，又是天线的支撑结构，天线面积显著增大，也为安装更多收发组件提供了空间，从而显著增大了功率孔径，也为实现高度上的扫描和测量创造了条件；(2)通过端射阵的应用，在一定程度上弥补了平衡木两部相控阵天线阵面存在的头尾盲区。EL/M-2085型雷达采用L和S双波段，其中，L波段主要用于机身侧面的空域监视，对应天线孔径较大；S波段用于机头机尾部位的扫描，对应天线孔径较小。AN/APY-9雷达则是在机载预警雷达发展史上第一次采用机相扫体制，同时获得了单面阵机械扫描孔径大和有源相控阵扫描时间能量分配灵活的优点。如果完全采用相控阵并且实现全方位覆盖，至少需要三个天线阵面；如果采用圆罩构型，在圆罩尺寸不足的情况下势必造成每个天线阵面孔径过小。中国空警-500预警机雷达则采用数字阵列雷达技术，这种技术以数字直接频率合成(DDS)、数字波束形成(DBF)和光纤传输为主要特点，对雷达的核心部分——收发组件而言，其重量减轻、体积减小、功耗降低，抗干扰性能更好，从而为在中小平台上实现大型预警机的功能和性能创造了条件。

值得指出的是，虽然相控阵技术催生了多种新型预警机雷达天线罩形式，但由于全方位扫描的需要以及现有技术解决这个问题的局限性，“圆盘”正在日益重新成为主流，特别是机相扫体制，为在相控阵条件下解决全方位覆盖问题提供了重要技术措施。共形天线、平衡木和T型阵等形式虽然相对圆盘型可以获得更大的孔径，但头尾的探测问题始终不能较好解决，无法获得与侧向相同的探测威力与精度。因此，全方位探测性能难以均衡，机相扫技术是任务适应和平台适应矛盾的一个较好折衷。在近年研发的EC-295和新近服役的E-2D预警机上均采用了“机相扫”体制，而在类似20×103kg最大起飞重量的载机平台上，之前普遍采用的却是平衡木型。即使在圆盘型全相扫的三个至四个面阵造成孔径不足的条件下，通过采用多个天线阵面同时工作，以时间换能量，也可能是有效的解决措施。

在这一阶段，为了增强任务适应性，雷达与预警机中其他系统的关系在逐步扩展，弥补雷达情报的不足，获得更多的战场态势并不断提升系统的情报质量。由于传感器种类的增加，雷达情报开始与本机的其他情报源甚至是外部情报源进行综合[7]。1995年，E-3A预警机增配ESM系统，雷达情报开始与本机ESM系统进行航迹关联，在E-3A的持续改进中，E-3C增配多源战斗识别系统，基于雷达情报进一步提升战场的态势感知能力。

2未来机载预警雷达的主要技术特征

进入21世纪以来，世界范围内新军事变革蓬勃发展，信息化进程加速推进。机械化战争条件下的武器装备可以视为人类肢体的延伸，信息系统则使得战争的装备要素向人类感官、神经和枢纽不断演进与拓展，驱动战争走向更高级形态。无论何种战争形态，均存在“侦、控、打、评”的打击链。在信息化战争条件下，信息系统作为打击链中的必备要素，在纵向的各环节中分别发挥感官、神经与枢纽的作用，同时又不断压缩打击链的各个环节，甚至使某些环节合并为一体；信息系统在横向则连接各个作战单元，最终构成作战体系。随着信息技术的发展与战争形态的演变，信息系统不仅主导了打击链中物质与能量的流动，甚至能够部分代替火力系统执行非火力打击任务。信息系统在打击链中的“贯纵、联横与非火力打击”三个方面的作用，正是信息系统发挥主导作用的主要体现。预警机由于集成了多类传感器、通信和指挥控制等信息系统，其发展趋势将为信息系统在打击链中三方面的作用提供更多支持。未来的机载预警雷达作为预警机的主要传感器，将具备宽频带、智能化、一体化和网络化的特征，从而进一步增强任务适应能力、环境适应能力和平台适应能力。一方面，可为实现战场态势更加透彻地感知作出贡献，充分体现雷达系统向感官演进与拓展的趋势；另一方面，必将持续和深层次地介入打击链的更多环节，并且推动缩短这些环节的时间或促使其合并，甚至与其他信息系统高度融合，有限但全面地发挥“贯(压)纵、联横与非火力打击”的作用。

2.1宽频带

未来的机载预警雷达自身工作频段将进一步扩展，雷达概念进一步延伸，预警机系统使用的电磁波频率资源更加丰富，时间、能量和频率资源的分配更加复杂。以分米波和厘米波等微波波段为主的机载预警雷达，将向电磁波频段的低端和高端不断扩展。对解决反隐身任务而言，低频段雷达的应用将更为普遍，而利用高频段雷达高增益和高精度的优势，可以在一定程度上弥补低频雷达测量精度较低、天线副瓣较高的弱点，从而增强任务适应性和环境适应性。特别是机载预警雷达的高精度，可能提供火控能力，从而为打击平台在自身雷达尚未探测到目标的情况下提供“未发现便攻击”的能力，支撑雷达功能向打击链后端扩展。在频率的高端，红外光学系统具有很好的反隐身潜力，将成为预警机雷达的重要补充。机载远程红外预警雷达将成为机载预警雷达概念拓展的主要体现。这是因为红外系统在如下两个方面具有与雷达类似的特征：

(1)与目标意志的无关性。虽然雷达探测与目标意志的无关性是由雷达自身提供电磁波照射造成的，而红外系统不发射电磁波，只是被动接收，但任何物体无论采取任何红外隐身措施，与雷达类似，只是可以降低探测所需要的能量，但不能完全消除，因为任何物体的热辐射均不可避免，从这个意义上说，二者具有本质相同的属性。

(2)在基本特征上，虽然红外系统是被动接收系统，通常情况下缺乏距离信息，但是通过不同波段协同测距、空中多单元协同测距以及引入激光测距，有可能使红外系统获取三维目标数据，从而具备与雷达类似的信息提供能力。

2.2一体化

未来的机载预警雷达将在功能及其与平台的集成两个方面具备显著的一体化特征，雷达资源就是系统资源，雷达将为预警机中其他系统提升自身能力创造条件。如果说雷达的宽频带不仅为雷达自身提供频率资源，也为预警机中的其他设备提供了频率资源，在此基础上，雷达的功能将向通信和电子战等其他信息系统拓展[8]，雷达的大口径也将成为系统的大孔径，由此带来的能量集中特性将显著提升通信/数据链的传输带宽和抗干扰能力，将显著改善敌我识别系统的抗多径效应和副瓣干扰的能力，也将为电子侦察系统提供更高的系统灵敏度，从而为未来预警机提供更优良的任务适应能力，进一步体现信息系统向打击链后端不断延伸的趋势。此外，一体化设计将显著降低装机代价，明显改善平台适装性，提高对各种平台的适应能力。

首先，一体化为雷达在系统层面提升通信系统的抗干扰能力提供了重要手段[9-10]。雷达天线高增益特性导致通信系统将由全向变为定向，而通信系统的对象本来也仅为合作目标，而且通信系统无论360°方向上有无通信对象均需要辐射能量，这些带来了能量的浪费，同时也降低了通信系统的抗截获能力。为了确定通信对象，预警机可以利用自身的多传感器，在发现目标并确定目标属性后进行通信。另外，由于宽带器件技术、先进信号处理技术的进步和反隐身的需要，预警雷达的工作频段可能从常用的L、S等频段向低端扩展。因此，为在P波段和L波段的雷达与现有通信设备兼容提供了技术基础。

其次，鉴于机载敌我识别系统有别于地基敌我识别系统的特殊性，雷达在自身提供更多识别功能的同时，有可能为独立配备的敌我识别器性能的提升作出更多贡献。由于工作在下视条件并面临干扰，敌我识别器仍需要提高增益、改善副瓣性能，然而受限于安装条件，其天线规模受到严重限制；虽然在信号处理上可以进行改进来提升敌我识别系统的性能，但是利用雷达天线的大尺寸和高增益来优化波瓣性能，有利于从先天上降低敌我识别系统在复杂地形条件和复杂电磁环境下受到干扰的可能。此外，以一维或二维距离像以及目标精细识别等技术手段为代表，机载预警雷达将在实现预警探测功能的同时，具备更强的识别能力。

第三，雷达和电子战的一体化有可能在重合频段上显著提升雷达侦察系统的灵敏度。未来的机载雷达侦察系统为对抗四代机的射频隐身能力，将具备超宽带条件下的副瓣侦收功能。除了将信号处理提升至光频段增加可用频带宽度之外，还可以利用雷达天线的大口径和高增益，弥补敌方雷达主瓣和副瓣30 dB以上的差异，将主瓣侦收改善为副瓣侦收，提升系统灵敏度。此外，雷达的高功率特性在重合频段内也可能提供有源干扰能力。

第四，雷达自身的各组成部分以及雷达和平台正在迅速走向一体化。微电子技术按摩尔定律的发展，以及计算机和软件技术的重大进步，已分不清雷达与平台。雷达和载机机身的一体化设计正在迅速发展之中，智能蒙皮技术接近成熟，而分布式射频技术正在成为研究的热点。具备独立能力的微系统阵列，使得设备的体积向纳米量级发展，安装代价正在极小化，为在有限条件下实现系统能力的极大化准备了条件。未来的机载预警雷达，分不清天线、射频和处理，数字化不断前移，计算能力大幅提升，设备结构和系统集成架构将发生深刻变化，系统的功能将更多地由软件来配置和实现，从而大大改善雷达的适装性，显著提升雷达适应多种任务的能力。

2.3智能化

未来预警雷达必须具备全面的感知电磁环境的能力以及依据电磁环境和任务要求自动进行自我管理的能力，从传感器到人机终端形成闭环，快速地适应复杂电磁环境和特定作战任务，提高系统响应速度，并不断减轻操作员的工作负担。

未来的机载预警雷达可能是“认知型”的。认知型机载预警雷达要求在系统架构上改变现有的单向结构而成为反馈式的系统，雷达的天线性能、发射波形和信号/数据处理方式将依据环境和任务自适应地变化。同时，智能化雷达也要求雷达本身与其他机载电子系统有更多的交联，这些系统为雷达提供必要的电磁环境和地形知识，更能在雷达与这些系统进行综合探测和综合识别的基础上，通过自身调整工作模式来尽力达到系统任务所需要的探测和识别水平。例如，对特定的作战区域或作战目标，工作在某种模式下的雷达在与通信侦察、雷达侦察和红外系统等其他传感器进行协同探测时，如果达不到指定的探测概率，或者基于综合探测实现的综合识别不能达到要求的识别概率时，智能化雷达可能基于系统计算出的探测概率或识别概率自动调整至其他模式工作。

在认知雷达不断发展[11-12]的同时，可能出现不依赖于信号形式的雷达(或信号形式无关雷达，SIFIR)。这种雷达在架构上也许不同于认知雷达的反馈式，可以是单向的。由于计算技术的发展和智能化水平的提高，雷达针对不同环境和不同任务使用，将发射单一的波形和信号形式，通过信号处理和信息挖掘区分回波来自海面还是来自陆地，来自舰船还是来自飞机，以及根据需要提取出所要求的识别信息，从而极大地提高雷达的任务和环境适应能力。信号形式无关雷达可能是雷达发展继认知雷达后对雷达形态的再一次否定。

此外，智能化的雷达要求实现从机器到机器的情报综合。来自不同作战平台的雷达能够自动形成单一的和完整的综合态势，这个过程无需人工干预，从而显著提升态势形成的速度，为缩短系统响应时间作出贡献。

2.4网络化

1)机载预警雷达的网络化发展意味着未来的机载预警雷达是在网络体系中完成作战功能。一方面将为网络贡献资源；另一方面，将通过网络实现多种平台的协同探测和识别；同时，更为快速地融合基于更多平台(如天基、空基和陆基)的各种雷达数据，在此基础上形成战场态势。

2)机载预警雷达的网络化发展可能对雷达形态产生重要影响。微电子和网络技术的进步，为分布式雷达系统奠定了物质基础，天线将在子阵级甚至是单元级突破半波长的限制，更为充分地利用载机空间增大口径，同时降低重量，从而显著提升雷达的平台适应性；未来的机载预警雷达其组成部分可能在空间上完全分布。由于网络带宽和容量的剧增，无线互联与有线互联的差距在显著缩小，硬件的高度集成、占比下降和软件比例的增加，共同使得机载预警雷达作为整体将可能消失，而每个组成部分在一体化的基础上又能实现多功能，并且融入体系成为“泛在网”的节点和“尘埃”，各种物理位置上分布式但在功能上又高度协同的“尘埃雷达”系统终将出现。

3结束语

70年来，机载预警雷达始终围绕提升任务适应性、环境适应性和平台适应性三个方面而不断推进自身发展，在服从雷达自身普遍性发展规律的同时，也有着不同于其他类型雷达的特殊性。例如，更注重在平台约束下具备任务适应和环境适应能力，更注重与其他系统的交联。未来的机载预警雷达，其概念将进一步拓展，其功能将不断向打击链后端延伸，其产品形态和技术形态将发生深刻变化，在不断与预警机其他系统融入更多的同时，也必将为预警机带来更多的系统功能，从而为形成基于信息系统的体系作战能力作出更多贡献。

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Review and Prospect of Airborne Early Warning Radar Development

CAO Chen

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041, China)

Abstract：Development is reviewed of airborne early warning system for 70 years since 1945 in this paper, and its course is compartmentalized three generations based on mission-adaptability, environment-adaptability and platform-adaptability. Then, according to the military requirement,technology characteristics are expatiated for airborne early warning radar in the future, such as wide-band, integration, intelligence and network. In general, airborne early warning radar will improve the adaptability of mission,environment and platform, its concept will be extended and its effect will be important in kill chain. Airborne early warning radar will be more deeply integrated into other systems such as communication, IFF and ECM et al, for more distribution to operation based on information system.

Key words：airborne early warning radar; kill chain; detection; recognizing; communication

收稿日期：2015-08-14

修订日期：2015-10-13

通信作者：曹晨Email：caochen998@sina.com

中图分类号：TN959

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0006-05