国外海军新一代护卫舰及其雷达装备研究

2020-10-20陈楠楠宫尚玉刘小平

舰船电子对抗 2020年4期

陈楠楠，宫尚玉，刘小平

(1.海装驻上海地区第八军事代表室，上海 200083；2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏扬州 225101)

0 引言

随着各种远程精确打击与信息化武器装备技术的不断发展，以及水下智能作战水平的不断提高，各国海军都更加重视复杂对抗环境下海上作战能力的提升。护卫舰是当代各国海军建造数量最多、分布最广、参战机会最多、设计最灵活的一种水面舰艇，承担着反潜、护航、巡逻、警戒、侦察、反水雷以及登陆支援作战等任务。近年来，美、英、法、意等主要西方国家为完善航母作战体系、提高复杂对抗环境下的海上作战能力，在既有护卫舰项目取得新进展的同时，不断提出新的护卫舰发展项目，护卫舰成为发展领域的一个热点[1]。

护卫舰的雷达使命因护卫舰在编队或独立作战的定位不同而有所差异，基本承担着中近程监视、跟踪、武器制导等功能。新型护卫舰的发展，都伴随着新型舰载雷达装备的设计和运用。各国海军的新型护卫舰都普遍装备了较先进的有源相控阵雷达，本文介绍了主要国家新一代护卫舰及其雷达装备概况，总结分析了雷达发展特点和护卫舰平台设计的内在联系。

1 主要国家护卫舰项目和舰载雷达装备

1.1 法国FDI护卫舰和“海火500”雷达

2019年10月24日，法国“中型通用护卫舰”FDI首舰举行剪钢仪式，预计2023年交付法国海军，共计制造5艘。FDI护卫舰是FREMM计划的延伸，大量利用了法国在FREMM和“地平线”两型舰上的优秀设计成果，通过模块化和隐身化设计，使得舰体外形紧凑干净，自卫和远程作战能力有显著提升。从外表上看，FDI的最大亮点是采用独立组装的全景传感器与智能模块(PSIM)，这实际上是一种集雷达、光电、电子战、通信设备于一体的综合桅杆。其中，桅杆中的雷达将配置还在开发当中的“海火500”(Sea Fire 500)，如图1所示。

图1 “海火 500”雷达

“海火 500”是泰勒斯公司为法国开发的首款固定阵面有源相控阵雷达，由空中监视模块、水面监视模块、弹道导弹监视模块、“紫菀”(ASTER)导弹火控模块、水面火炮系统支持模块以及反火箭弹、火炮、迫击炮模块(C-RAM)组成，可以执行远程三维监视、水平搜索、水面监视、火控引导与支援等多重功能，对包括慢速低多普勒效应目标、低RCS目标和超音速高机动目标等具有良好的追踪能力[2]。其技术特点有以下几点：

(1) 采用数字阵列接收和GaN高功率放大器技术，单元级数字波束形成同时产生100个以上的瞬时波束，在软件控制之下，这些波束能根据环境和任务进行自适应调整。

(2) 瞬时超宽带特性提高了距离分辨率，因而能探测与评估快速攻击。在提供初始导弹位置信息的前提下，可应对600 km级别的反舰弹道导弹。

(3) 独立通道和“故障弱化”设计提高了雷达可靠性，降低了维护需求，即便雷达阵列中10%～20%的模块发生故障，也不会显著影响雷达的性能。

(4) 采用模块化设计，具备软件定义的功能，扩展性强。

1.2 英国26型护卫舰和Artisan 3D雷达

英国26型护卫舰坚持实用至上的设计原则，定位为模块化、结构简单、通用性强、运行成本低的平台，能执行反潜、对陆、支援两栖作战、反水雷作战等任务。因此，26型护卫舰的雷达装备并没有创新，沿用装备“伊丽莎白女王”级航母、23型护卫舰上的Artisan 3D雷达。2017年7月20日，26型护卫舰(满载8 000吨)首舰“格拉斯哥”号正式开建，计划在2020年代中期服役，首批预计建造3艘。

Artisan 3D雷达如图2所示，由BAE系统公司开发，为一款S波段空海监视与目标指示雷达，其采用模块化设计、开放式结构，在开发过程中结合了ARTIST、Commander、SAMPSON、TYPE 996等上一代雷达的部件和开发经验[3]。该雷达采用先进的数字自适应波束形成(12个同步接收)、数字脉压以及自适应动目标检测滤波等处理手段。通过对比探测性能、杂波滤除、跟踪精度指标可以看出，Artisan 3D相较以往雷达，在小型、高速、低飞目标以及大型远程目标探测上有较大幅度的提升，能够适应近海杂波和强干扰环境下的小型快速目标的检测需要。此外，除监视和提供目指外，该雷达还拥有航母空管、二次导航、火炮支援、干扰压制、敌我识别等功能，具有功率孔径积大、反应速度快、数据率高、资源自适应管理、抗干扰能力强等优点，适装平台类型丰富。

图2 Artisan 3D雷达

1.3 英国31型护卫舰和NS-100雷达

英国31型多用途巡逻护卫舰作为26型护卫舰的补充，能够执行反舰、防空、反潜、两栖支援、反水雷、特种作战、反恐、反海盗、侦察监视等任务。2019年9月，巴布科克公司联合泰勒斯公司获得31型护卫舰的建造合同，首舰将于2021年动工，计划在2028年完成全部5艘建造。为满足未来海上信息战需求，提高舰艇防空反导能力，该舰将装备先进的TACTICOS作战管理系统，CEC协同交战能力系统和NS-100/NS-200型雷达。

NS-100系列是市面上首款双轴多波束雷达，定位是满足近海中小型水面舰艇的监视需求[2]。该雷达吸收了Sea Master 400三坐标双轴多波束有源电扫阵列(AESA)技术，在方位和俯仰上进行全数字波束形成，能够快速进行前向和后向扫描，因而起始建航快、瞬时单脉冲精度高。

图3所示为NS-100雷达。据泰勒斯公司的宣传，NS-100雷达采用的是单元级数字化，相比子阵列结构性能更优。NS-100雷达副瓣较低，多普勒处理可以实现60 dB杂波抑制，显著提升了在近海杂波的背景下对小型目标的感知能力。除雷达处理机柜外，其他所有硬件(雷达信号产生器和天线控制系统)都安装在天线罩中。天线罩内还能集成其他多种传感器(敌我识别器、调频连续波雷达、红外相机、自动识别系统和相关监视广播)，既节省甲板空间，还能为系统提供整体的探测性能。

图3 NS-100雷达

NS-100雷达基本型有10个64通道接收模块，根据发射瓦片数量和功率大小派生出3种型号：NS-103(3个瓦片)、NS-106(6个瓦片)和NS-110(10个瓦片)。

1.4 美国FFG(X)项目和SPY-6(V)3雷达

2020年4月，美国海军确定了下一代FFG(X)导弹护卫舰(约6 000 t)的竞标结果，最终意大利版“欧洲多功能护卫舰”作为母型的设计方案中标，这也是美国首次采纳欧洲海军的舰船设计方案。根据该方案，舰载雷达武备将利用AMDR开发的架构和技术，预装SPY-6(V)3型雷达，为舰船提供全方位态势感知和防卫能力。无论是从舰船总体设计还是武器装备，都体现出美海军从追求先进卓越到注重务实、效费比和研制采办进度的转变。

AMDR是美国海军目前重点开发的下一代防空反导雷达，作为未来宙斯盾系统的核心传感器，取代使用了40多年的AN/SPY-1(V)雷达。完整的AMDR包含一部S波段雷达(AMDR-S)、一部X波雷达(AMDR-X)和一部雷达控制器，它采用全新的GaN大功率放大器与收发组件、有源相控阵物理结构、分布式接收机/激励器以及大孔径子阵级数字波束形成等关键技术[4]。

AMDR-S通过众多2英寸×2英寸×2英寸雷达模块化组件(RMA)堆栈形成能力，每个RMA本身包含144个高功率GaN收/发模块和第四代数字接收激励器。根据任务定位和平台大小，可以配置不同数量这样的模组。SPY-6(V)3型雷达，又称为固定阵面版“企业级对空监视雷达”(EASR)，由9个RMA堆构成。出于降低开发成本和风险，美国海军计划用SPY-6(V)3取代原SPS-48和SPS-49老式雷达，装备于“福特”级航母和未来护卫舰项目。根据美国海军SPY-1+0 dB的方案，SPY-6(V)3型雷达的探测距离不比当前使用的AN/SPY-1(V)雷达逊色。图4所示为旋转阵面SPY-6(V)雷达。

图4 旋转阵面SPY-6(V)

1.5 德国F-125型护卫舰和TRS-4D雷达

F-125型护卫舰(7 000 t)是集中了德国在全电力推进、全舰隐身、集成天线等领域的最新成果。首舰“巴登·符腾堡”号于2011年11月开工建造，2014年3月31日下水，2016年7月交付德国海军。该舰运用全新的信息战系统，强调海上编队的协同作战、多层次区域防空、兼顾多用途功能，定位是充当着德国海上网络中心战的核心节点。因此，在雷达的配备上更强调性能，选用的是空客防务与航天公司开发的TRS-4D/NR(非旋转)雷达，如图5所示。

图5 F-125舰载固定阵面TRS-4D雷达

TRS-4D雷达在2011年的伦敦防务与安全装备国际展览上首次亮相，是一款C波段多功能空海监视和目标捕获雷达，具备目标监视、跟踪、自我防御、火炮打击支援、飞行管控等多种工作模式，在海上或复杂的近海区域执行不同的监测任务，最多能够同时跟踪1 000个目标。

TRS-4D雷达基于固态GaN 收/发组件，采用新一代信号处理技术的接收通道和新型接收机，支撑了数字波束形成和多接收波束的同时工作，所有波束采用脉冲多普勒处理，因而TRS-4D雷达的目标跟踪能力较为突出，尤其是对小目标拥有优越的检测性能，可以发现雷达截面积小于0.01 m2的目标，在严重杂波环境以及干扰机干扰的情况下保持优越性能。TRS-4D雷达的特点还包括：对目标快速进行跟踪启动和确认，反应时间不超过1 s；具备网络化协同作战能力；采用灵活的软件定义技术；可重复编程；可靠性高，全寿命周期维护成本低等[2]。

根据天线类型，TRS-4D雷达分为旋转和固定阵面2个版本，在结构上这2种类型完全相同，不过固定阵面对单个目标的跟踪精度更高。TRS-4D/NR雷达天线孔径按角度部署，四面阵为电子扫描天线，能覆盖90°以上的扫描角，阵面通过矩形机械方式对齐，实现全方位覆盖，专门装备德国海军；而旋转型装备已经在美国海军濒海战斗舰(LCS)和智利的23型护卫舰上使用。

1.6 意大利多功能护卫舰和KRONOS Grand雷达

欧洲多功能护卫舰(FREMM)是法国和意大利联合发展的面向21世纪海上作战的多功能通用护卫舰，也是全球最先进、性价比最高的舰艇之一。由于法国和意大利的作战需求不同，两国除采用相同的船体、动力系统外，上层桅杆、武器系统、平台管理系统等方面具有较大差异，其中意大利版多功能护卫舰注重区域防空能力，因而配备强大的EMPAR多功能雷达。意大利莱昂纳多公司目前以EMPAR为基础，引入固态砷化镓(GaAs)有源天线技术，开发KRONOS Grand海军型多功能雷达，计划装备在后续的意大利版欧洲多功能护卫舰(FREMM)“贝尔加米尼”级上。图6所示为KRONOS 海军型雷达。

图6 KRONOS 海军型雷达

KRONOS Grand海军型雷达工作在C波段，包含2 200个T/R组件，可执行空海监视、立体搜索、多目标实时跟踪和多枚导弹引导任务。主要特点有：

(1) 通过对威胁等级进行评估，采取不同的跟踪速率，高威胁目标的更新周期是1 s；

(2) 多目标主动制导能力，能同时引导多达16枚“紫苑”导弹；

(3) 航迹初始化迅速，扫描一次确认威胁，下一次扫描开始建航，因而可专门跟踪小型、低可见以及突然出现的目标；

(4) 副瓣匿隐功能，副瓣低于40 dB；5)干扰选通探测与跟踪；6)增加方位和俯仰单脉冲技术，提高了对机动目标的探测能力[2]。

表1给出上述几型雷达的主要指标参数。

表 1 几种型号雷达主要指标参数对照表[2]

2 新型护卫舰及其雷达装备的发展内在联系

2.1 有源相控阵已成为护卫舰雷达的主流体制

新一代护卫舰为适应未来海战对舰船提出的隐身需求和降低天线间的电磁干扰需求，大多采用优化布局的综合桅杆设计。综合桅杆内的有限空间限制了电子设备的安装数量。而舰载AESA雷达的多功能特性与综合桅杆的设计相契合，采用1部这样的多功能雷达便可以替代以前多部传统雷达，同时执行跟踪、监视、导航、火炮支援等多种功能。另外，新型护卫舰的设计吨位水涨船高，客观上基本满足了相控阵雷达的供电需要。从防空反导作战上讲，雷达从搜索到目标，到转入精度跟踪，再到武器发射，这个过程的反应时间越短越好。纵观主要国家新型护卫舰的雷达体制，可以看出，舰载AESA多功能雷达集搜索、跟踪和火控于一体，极大地缩短了防空反导的反应时间，已经成为护卫舰雷达配置的普遍选择,单雷达舰船成为了现实。

2.2 护卫舰的多任务定位要求其雷达性能更加全面

受防务预算的限制，多国的新型护卫舰研发侧重于多任务能力，实施舰艇模块化技术、搭载不同的任务模块，期望在不同的作战环境下都能提供全域的态势感知。美国海军在分布式杀伤概念的推动下，要求将护卫舰纳入航母编队和两栖远征打击群内，为舰队提供遏制或击毁敌方军舰与超视距反舰导弹的能力，并拥有基于舰队网络体系下，复杂海区的独立作战能力。因此，新型护卫舰舰载雷达为应对复杂电磁环境和提供综合态势感知的需要，都进行了有针对性的改进。这些改进包括：

(1) 基于先进的半导体元器件技术、采用高速数据转换器的收/发技术、自适应波束形成以及认知技术等实现雷达工作带宽、灵敏度、杂波抑制和抗干扰能力的提升，即便存在干扰情况下，雷达对小型慢速目标、低飞目标、突然出现目标保持优异的探测性能；

(2) 引入弹道导弹防御能力，加快雷达传感器和作战、指控系统一体化融合，基于先进的数据网络系统例如交战能力(CEC)，构建起分布式的信息系统，实现与航母、驱逐舰和其他作战单元的无缝对接和信息融合。

2.3 护卫舰雷达与其他平台的通用性

从以上各国新一代护卫舰雷达装备的情况来看，SPY-6(V)型、海火500型、NS-100型、Kronos型雷达都具有多个版本，可进行天线尺寸缩放和配置数量调整以装备不同平台，并非为某一型平台专门设计。以模块化的SPY-6(V)雷达为例，该雷达总共有4个版本，分别装备在美海军各种主战水面舰艇上。其中四固定阵面SPY-6(V) 1将装备于“阿利·伯克” Flight Ⅲ 型导弹驱逐舰，每个阵面含37个RMA；旋转型SPY-6(V) 2主要装在两栖攻击舰和“尼米兹”级核动力航母上，内含9个RMA；三固定阵面SPY-6(V)3将装在FFG(X)和“福特”级航母，每个阵面9个RMA；四固定阵面SPY-6(V) 4主要用于升级“阿利·伯克” FlightⅡA型驱逐舰雷达，每个阵面24个RMA。这一型有源相控阵雷达仅通过阵面以及雷达模组数量的变化，便可得到能力不同的雷达，但又符合舰艇在舰队的作战定位。通过模块化可扩展的设计方式，可大幅缩短装备研制的周期和成本，迅速形成作战能力，还能降低后期的维护成本，已成为各国护卫舰雷达配置的重要考虑因素之一。