综合射频系统技术研究进展及发展前景

2018-12-29杨勇军梅进杰雷云龙

舰船电子对抗 2018年5期

杨勇军，梅进杰，雷云龙

(空军预警学院，湖北武汉 430019)

0 引言

随着武器装备中信息化技术的发展，现代化战争对作战平台的综合作战性能的需求逐步上升，现代化武器系统必须适应多功能、一体化这一发展趋势。长期以来，机载、舰载等武器平台上装备的各类射频传感器都是单独分散地安装在系统中，其完成的功能单一，兼容性差，不能形成一个高效的综合作战系统。系统中大量的电子设备引发的一个重要问题就是天线的数量越来越多，直接导致受限作战平台重量增加、成本加剧、维护困难等，这严重违背了武器装备系统精简高效的原则。对此，许多国家都积极开展综合射频系统技术的研究工作，在强烈的军备竞争中不断研发更高效率的综合射频系统。

1 综合射频系统技术概念

综合射频系统技术是指用几个分布式宽带多功能孔径代替目前平台上数量众多的天线孔径，采用一体化、模块化、可重构的射频传感器系统的体系架构[1-2]。图1为系统原理框图。

图1 综合射频系统原理框图

系统通过射频阵列天线，可以实现全双工工作模式[3-5]。发射时，系统利用计算机软件控制产生所需波形，合理分配信号的频谱资源，然后将信号经发射阵列天线发射出去。接收时，接收到的不同信号经过波束形成或窄带滤波器，解调后的信号进入数据处理中心[6]，从而实现雷达、通信、电子战等多种功能。这些工作需要在同步的时钟下经过计算机的资源调配进行。

2 综合射频系统技术及其研究进展

自20世纪下页以来，数字化、信息化的快速发展推动了综合射频系统技术的发展。从概念的提出到关键技术的突破，综合射频系统技术已经逐渐列入了各国的实际装备中。综合射频系统技术主要分为综合孔径技术、综合射频技术和多功能软件技术，下面将分别介绍其国外研究进展。

2.1 综合孔径

综合孔径雷达系统遍使用线性调频信号作为其发射信号，其具有对多普勒频移不敏感、包络恒定等优点[7-8]。由于其频率的线性放大，使得合成孔径雷达的发射波形可以达到很大的带宽，确保了探测性能的精确度。

其信号恒定的包络使得雷达发射机可以使用更高的功率大幅提升信号的功率，从而保证足够远的作用距离。若是结合通信功能，则可以增加通信信噪比，提高误码性能。在接收时则采用相应的脉冲压缩方法获得窄脉冲，以提高距离分辨力。

线性调频信号特征的脉冲波形复数表示为：

(1)

式中：fc为载频率；Tp为脉冲时宽；K为调频斜率，当信号带宽为B时，K=B/Tp；rect(t/Tp)表示矩形窗函数，表达式为：

(2)

S(t)信号如图2所示。

图2 LFM信号

对LFM信号S(t)进行傅里叶变换可得信号的频域表达式为[9-12]:

(3)

由式(3)可得LFM信号频谱图如图3所示。

图3 LFM脉冲信号频谱

对LFM信号进行匹配滤波便可以实现LFM信号的脉冲压缩。线性调频信号脉冲压缩后的波形如图4所示，从图中可看出信号主副瓣比较大，能够有效实现旁瓣抑制。

图4 LFM脉冲信号脉压输出

通过求解信号的模糊函数分析回波中出现多普勒频偏时的脉压效果。雷达信号模糊函数的定义为：

(4)

式中：s(t)为雷达信号复包络；τ为时间延迟；*为复数共扼；fd为多普勒频移。

模糊函数反映了多普勒频率为fd时信号的脉压效果。LFM信号模糊函数为：

χ(τ,fd)= (Tp-|τ|)exp(jπfdτ)·

sinc[(Kτ+fd)(Tp-|τ|)]

(5)

式中：|τ|≤Tp。

LFM脉冲信号模糊函数如图5所示，LFM信号的模糊函数是非常典型的斜刀刃状，这种信号对多普勒频移不敏感，可获取较高的距离分辨率或速度分辨率。

图5 LFM脉冲信号模糊函数

目前国外研究综合孔径技术的主要有先进共用孔径 (ASAP)项目和可重构孔径(RECAP)项目。

2.1.1 ASAP项目

ASAP项目实现了电子战和通信一体化功能。其先进之处在于能灵活变换功率放大器增益或信号带宽等指标，能有效适应战场瞬息万变的实际情况。其基本结构是用先进的阵列天线代替传统的单一天线。其阵列天线由16个单元子阵组成。阵列型天线相比传统天线能获取多方面精确的数据。其宽波束功能分布在阵列的侧边和上面，其数个单元子阵可以有效抑制旁瓣，抗干扰能力加强。其各个子阵列可以根据需要进行排列组合，减少了冗余天线，相比传统天线虽然其天线数量增多，但是体积重量减少，大大增强了其雷达截面积。

2.1.2 RECAP项目

美国国防高级研究计划局(DARPA)启动可重构孔径(RECAP)项目，其目标是加大天线信号宽带，实现精确探测需求。在实现过程中，该项目计划用微机电系统(MEMS)技术对现有的天线进行重新改造，加入了宽角扫描功能[12]。但是由于MEMS技术的不成熟，该项目的许多关键技术没有突破。虽然提出了许多创新方案，但是还停留在理论阶段，在工程方面难以实现。

2.2 综合射频

要实现综合射频，其基础是层次化和模块化的系统结构，增加自身系统的兼容性。为了易于工程实现，去频段的选择需要综合考虑雷达、通信、电子战等常用工作频段的特点。为提高其可靠性，采用分布式的方法处理核心部件，使得系统架构和总线结构更加开放，方便循环利用模块和元件，降低系统的成本[13]。美国综合射频各项目的发展情况总览[14]如图6所示。

图6 美国综合射频项目发展时间图

2.2.1 美国海军的电磁机动指挥控制技术(EMC2)

电磁机动指挥控制技术(EMC2)是由美国海军研究局(ONR)正在着手进行发展的项目。该项目计划开发一些原型技术，进一步构建能够将共用基础设施中的雷达、通信、电子战系统和信息作战系统等诸多功能整合在一起的先进多用途射频结构体系架构。并且EMC2技术发展计划还将开发硬件和软件密集型的系统，这些系统能够提供实现在广泛的频率范围内监控无线电频谱，并能对作战要求和电磁环境的变化做出不同的响应，为实现各种功能重新分配频率和资源。

2.2.2 美国海军的AMRFC计划

先进多功能射频概念(AMRFC)是一个由美国海军开展的研究项目。其目是为了用实验验证在舰船上集成各种射频功能后的效果。其试验器件主要是大宽带天线、功率发射器、数字软件处理等[15]。其最大可能简化的结构使得舰船上的天线大大减少，降低了美国海军舰船的成本，增加了舰船隐身能力，使其攻防能力进一步提升。

2.2.3 美军F-35战机的综合射频传感器系统

在隐身战斗机F-22的基础上，美军研发出了下一代F-35战机。先前的“宝石柱”计划仍使用独立分散的射频传感器系统，数字处理模块过于封闭。F-35战机作出了很多改进，最突出的地方是采用了高度综合化的航电系统[16-17]。其软件方面也重新开发出了能适应综合一体化的功能，相比以往不同功能需要加载不同软件，现在一个软件可以完成各种功能，使得系统更加稳定。在面对现代化复杂电磁环境时，F-35的性能明显比上一代机优秀。因此F-35战机已经成功服役于美军的各军兵种。

2.3 多功能软件

多功能软件系统是所有硬件结构的驱动，也是武器装备技术与计算机技术综合利用的桥梁。在现代化信息化战争的背景下，多功能软件技术在系统中发挥着举足轻重的作用[18]。系统采用开放式的软件架构，并且采用分层形式，如图7所示[19-20]。通过系统蓝图可以进行相应的管理和配置。

图7 系统软件设计结构

2.3.1 Block 0.5软件

2010年6月，美国对机载雷达APG-81试验测试了5组软件[21]。该型雷达安装的软件主要是Block 0.5软件，在该型雷达总体计划的编码中，它占据了60%。结合了先进多功能软件使得该型雷达相比传统雷达综合一体化能力更强。

2.3.2 任务系统软件

安装在F-35战机上的任务系统软件能对各种接收器的数据进行智能处理，从而能简要地向飞行员传递关键态势信息。该软件的任一功能结构都能接收系统所有的传感器信息，从而可以相互协调，综合分析判断。通过分析更多的数据[22-23]，利用数据的相关性可以排除无用信息，使得战机能够有效应对现代化信息泛滥的战争环境。

3 综合射频系统技术发展前景

(1) 综合射频系统将继续向着综合一体化方向发展，并且可靠性、有效性将出现质的飞跃。

综合射频系统将对系统开放式体系架构、阵列天线的集成、多任务分配、大带宽信号波形设计、优化资源配置、明确工作分工秩序等方面进行深入发展，从而实现整个综合射频系统从部件到整体的模块化设计，以适应新型武器结构综合化、控制智能化及信息融合化的未来发展趋势。其实现电子系统综合，充分结合各总电子设备的功能，大幅提升了复杂作战环境中装备的战斗力[24]。另外，研究人员将从系统的观念出发，继续对其架构、兼容方式、装备组成、效能等进行综合的研究，使用不同方案反复对比验证，使其在设计方面取最优值。

(2) 随着数字化技术的发展，综合射频系统信息化程度将越来越高。

信息化是现代化战争中实施联合作战的重要条件。目前，现代化战争主要是以信息化为主导，多技术、多体系联合作战。综合射频系统不但能够大大提高作战能力，而且能有效解决受限作战平台的资源利用问题。现代化和信息化的军事更加强调信息的对抗。面对复杂多变的信息环境，现代战争体系对系统的隐蔽性和对目标精确探测的持续性、可靠性以及敌我识别能力等方面的要求将由传统单独分散的传感器迈向多传感器系统的综合[25]。

随着各国陆、海、空、天一体化作战体系的出现，以及大数据时代的来临，信息融合和资源共享有利于利用网络协同作战，是打赢现代化和信息化战争的重要基础。综合射频系统为了在战场上能实时进行网络信息交换，综合使用各类传感器，从而提高对战场稍纵即逝信息的捕获；而且能有效利用大数据技术让各种战术数据链和战场信息动态结合，提高其对战场信息感知、信息获取和信息综合处理能力，从而大大提高多平台协同作战能力。

(3) 综合射频系统重量、体积、成本、功耗、效率将不断降低。

综合射频系统技术将各个分系统高度集成一体，并且可重复使用，提高了各个模块的重复利用率，减少了系统的冗余成分，系统总的质量、体积、功耗等都将有相当程度的降低[26-27]。综合射频系统技术综合在天线和射频前端以及在数据处理等方面进行一体化设计，使得工程实现方面可以仅用少数射频模块就可以有机组成一个具备雷达、通信、电子战等多功能一体化综合射频航空电子系统。

另外射频单元有机结合最新的商用货架技术，易于扩展和优化，而且更新换代快，军用和民用都很广泛，从而平铺了研制成本。由于硬件模块都是统一接口标准，因此各种不同武器装备可以共用模块，通过生产线量化生产，也可以降低成本，并降低技术风险，提高可靠性。

(4) 综合射频系统在新型武器平台中的应用更为广泛。

随着军事电子技术快速发展，各种武器装备攻击力增加的同时，其受到的威胁也是相应增加。为了能在复杂的环境中做到攻防一体[28-30]，新型武器平台必须充分利用综合射频系统。而且新型武器平台趋于小型化、无人化，以往电子装备分开使用早已无法满足需求[31]。因此，在新型武器平台中广泛应用综合射频系统，有机组成一种综合性的电子作战系统[32]，集攻击迅速、主动防护等为一体的综合射频系统是新型武器平台发展的必然趋势。

目前，这种综合射频系统已经举世瞩目，并且欧美、俄罗斯等军事强国已经在各军兵种中初步列装部队，其民用方面也开始推广，发展前景一片光明[33]。