瓦片式直升机智能蒙皮雷达技术研究

李 刚 李 涛

(1.中国电子科技集团公司第二十研究所 西安 710068；2.陆军驻二〇六所军代室 西安 710100)

0 引言

直升机具有快速机动、精确打击以及信息作战的特点，能够执行侦察、攻击、无线电通信以及电子对抗等任务，是现代陆战场的核心装备[1]。传统上根据作战任务需要在直升机上安装成像、搜索、跟踪等不同功能雷达以及无线电通信和电子对抗等设备，由于直升机体积小、载重量受限，难以承载过多独立工作的航电设备，且外置天线会对直升机的飞行气动性和隐身性能造成影响。

智能蒙皮技术可以有效解决当前直升机面临的问题。所谓智能蒙皮主要包含“蒙皮”和“智能”两层含义[2]，“蒙皮”是指共形天线技术，即把相控阵天线和飞机蒙皮相结合，构成与载机外壳共形的阵列天线，解决直升机隐身、气动性问题。“智能”是指通过后端控制处理组合实现波束自适应、多功能任务分配等。美军率先提出智能蒙皮概念并展开研究[3]，目前该技术已经应用于第五代战机，国内目前尚无智能蒙皮应用的报道。西安电子科技大学等针对共形阵列天线技术开展了深入研究[4]，中国电科20所成功研制出集成了射频信号产生、上变频、发射、接收、下变频、采样等功能的瓦片式数字子阵[5]，并以火炮为平台进行了共形天线设计，具备了共形雷达设计基础。

图1 瓦片式数字子阵

本文提出一种基于瓦片式数字阵列天线和后端通用处理机的直升机智能蒙皮雷达设计思路，并对系统组成和工作原理进行了介绍，给出了关键技术的解决思路，并基于综合射频思想提出兼具多功能的新型智能蒙皮雷达系统，指出了瓦片式直升机智能蒙皮的下一步研究方向。

1 瓦片式直升机智能蒙皮雷达

瓦片式智能蒙皮雷达由射频分系统、数字多波束分系统、信号/数据处理分系统、任务管理和智能控制分系统以及电源、频率源等组成。其中射频部分与直升机蒙皮实现共形，完成雷达前端功能，后端通用信号/数据处理机包含数据存储、信号处理、波形控制、任务管理、智能控制等模块，主要完成信号/数据处理功能、波形控制及雷达任务的智能管理等，如图2所示。

图2 直升机载智能蒙皮雷达系统组成

瓦片式智能蒙皮雷达根据直升机外形特点合理布置子阵，构成与机身蒙皮共形的阵列天线，其构成的射频前端不仅能够完成波形的产生、发射及回波信号的接收，而且能够对回波信号进行预处理及A/D采样，输出数字中频信号或者基带信号。

频率源、电源以及信号/数据处理机采用隔震设计安装在机舱内。频率源为雷达系统提供本振信号、频率基准和各种时钟，电源为各分机供电。通用信号/数据处理机采用标准CPCI机箱，统一接口，高速光纤传输，包含信号处理、数据处理、波形控制、雷达管理等功能模块。

信号处理模块接收射频前端传回的I/Q信号，根据雷达任务管理器指令进行常规信号处理或者成像识别处理，判断目标类型、位置、运动轨迹并对其进行跟踪。

数字多波束系统具备分布式波形控制、多波束发射及自适应波束形成技术，能够形成灵活多样的波束形式，保证了多种工作模式的实现。

任务管理模块根据雷达工作的不同模式如对地、对海、对空搜索、跟踪以及成像、动目标检测等，将控制产生不同的波束以及决定采取何种信号处理方法。智能控制模块根据探测到的干扰源，控制波束自适应，实现抗干扰功能。当战斗中部分蒙皮受损失时，智能控制模块能对剩余资源进行重新分配、组合和功能重构。

2 关键技术及解决思路

2.1 共形天线技术

基于瓦片式数字子阵的共形天线分布式配置是瓦片式直升机智能蒙皮雷达的核心。由于直升机蒙皮面积相对较小并且包含许多曲面、异形面，因此需要在不影响载机的气动特性和隐身特性的前提下布置共形天线，同时综合考虑载机的外形特点、承重能力、波束照射区域、数字阵形成的波束形状、增益和指向等最优地配置阵列天线。如图3所示，在直升机的不同部位配置天线阵元，以实现不同雷达功能。

图3 直升机共形阵列天线组阵示意图

2.2 数字阵列天线波束形成技术

瓦片式数字阵列天线的阵元数量众多，且在三维空间任意分布，为形成目标波束，需要有多个自由度被约束，如单元的空间位置、间距、激励状态(开/关)、幅度和相位加权等，波束综合较为困难。

考虑到直升机智能蒙皮雷达组阵复杂，需要使用智能优化算法求取全局最优解。采用遗传算法[6](GA)作为瓦片式数字阵列天线波束综合优化工具，在球面坐标系下建立3D 空间随机分布天线单元波束综合数学模型，以该模型设计遗传算法(GA)目标函数(即适应度函数),并通过多参数(如主瓣宽度、旁瓣电平、波束指向等)约束设计，实现方向图的综合优化。

2.3 载机振动影响及运动补偿

直升机与固定翼飞机相比存在着振动大、速度低、姿态稳定性差等特点。振动会造成雷达等电子设备疲劳甚至损坏，并且会对雷达的探测性能造成影响。使用隔振器将雷达舱内设备与支撑座相隔开，可以有效减小振动冲击的影响。共形天线分布在载机表面，受到空气阻力和机体振动的共同作用会发生形变与位置扰动，因此必须对其进行运动补偿。

西北工业大学雷娟[7]、空军工程大学侯青松[8]等人研究了共形阵列天线振动的影响及运动补偿方法，基于前人研究基础，本文提出通过对共形阵列天线建模，采用时变的导向矢量在一个振动周期内计算MUSIC谱，搜索时空二维的MUSIC谱的谱峰，得到共形天线振动条件下的方位估计和位置误差，依此对其进行校正和补偿。

2.4 高密度子阵散热技术

瓦片式子阵涉及高频、高密度组装技术，因此由瓦片式子阵构成的阵列天线热设计是一项关键技术。当前，强迫风冷已经在机载平台上广泛应用，考虑到液冷设备重量较大，因此子阵散热方式首选风冷。在实际应用中，由于瓦片式智能蒙皮采用高频、宽频段、多功能设计，为了保证瓦片阵列正常工作，若经计算仿真显示风冷无法满足散热要求，即考虑对瓦片式子阵进行改造，在T/R组件及多功能芯片下埋设液冷管道外加小型冷却泵以提高散热能力。

2.5 智能控制技术

智能控制分系统主要包括健康监测子系统、电磁调控子系统及功能维护子系统，通过对智能蒙皮雷达中射频部分、信号处理部分、波形控制部分等的控制，使系统保持高效工作。健康监测子系统采用传感器监测和发送指令询问的方式实时监测各功能模块是否正常工作；电磁调控子系统根据不同工作模式执行不同的发射波形和信号处理方法，根据监测到的干扰源参数自适应调节波束形成，实现抗干扰；功能维护子系统在收到单元受损报告后启动备用单元或启用备用算法，进行硬件补偿或软件补偿，完成资源的重新分配、组合以及功能重构，保障系统功能继续正常发挥。

3 基于综合射频的新型多功能智能蒙皮雷达

综合射频技术可以将飞行器上众多天线用一部分布式宽带多功能孔径天线替代[9]，该天线产生多个单独控制的波束，由后端通用多功能中心机控制波束，实现多功能。采用综合射频技术在减小重量的同时可以显著减少成本并提高可靠性。

图4 多功能智能蒙皮雷达架构

基于综合射频的新型多功能智能蒙皮雷达以分布机身的瓦片式共形阵列天线作为通用射频模块，由后端计算机控制发射多波束，并将回波数据解调和数字化后通过光纤送入信号预处理器进行数字波束形成、脉冲压缩等处理，之后交由中心航电系统进行综合处理。信号预处理和中心航电系统采用通用标准机箱，统一通讯协议，光纤高速传输，标准化接口，支持即插即用，配备多块冗余处理板和多块大容量存储器，基于软件编程进行波束控制、信号处理的智能协调、分配，形成一个兼容探测、识别、火力控制、数据链、电子对抗等综合功能的航电系统。采用综合射频技术的瓦片式智能蒙皮能够大幅减轻机载航电设备重量、显著降低成本并提高可靠性，是未来研究发展的方向。

4 结束语

本文提出了一种基于瓦片式数字子阵的直升机智能蒙皮雷达方案，通过与机身蒙皮一体化设计的瓦片式阵列天线可实现大口径、多功能雷达功能，并且不影响直升机气动性，通过后端智能化控制实现波束自适应及多功能任务分配。文中针对瓦片式智能蒙皮雷达的关键技术给出了解决思路。未来直升机智能蒙皮雷达将朝着多功能方向继续发展，实现与通信、导航、电子战一体化设计，具备综合感知和自主决策能力，显著提高作战能力。

参考文献:

[1] 石智新．国外直升机载雷达[J]．四川兵工学报, 2012,33(3): 115 - 118.

[2] 何庆强，王秉中，何海丹．智能蒙皮天线的体系架构与关键技术[J]．电讯技术, 2014,54(8):1039-1045.

[3] Lockyer A J, Alt K H, Kudva J N, et al. Structural finite element modeling strategies for a conformal load bearing antenna structure (CLAS)[C]//Proceedings of SPIE 1997. San Jose, CA: IEEE, 1997:166-172.

[4] 齐飞林．复合制导体制下毫米波共形阵列的数字波束形成方法研究[D]．西安: 西安电子科技大学.2010．

[5] 张慧锋，季帅，严少敏．小型化Ku波段瓦片式TR组件设计[J]．中国西部科技, 2015, 14(5): 45-47.

[6] 王黎莹．基于GA-PSO混合算法的阵列天线优化[D]．西安: 西安电子科技大学,2014．

[7] 雷娟，王惠刚，麻军伟等．一种振动条件下的方位估计及补偿技术[J]．计算机测量与控制, 2013, 21(1): 204-206.

[8] 侯青松，郭英，王布宏等．共形阵列天线振动条件下稳健的DOA估计及位置误差校正[J]．信号处理, 2010, 26(11): 1756-1760.

[9] 薛慧，张昊．机载多功能综合射频一体化发展研究[J]．中国电子科学研究院学报, 2016, 11(5): 532-539.