一种舰载分布式数字阵列雷达系统技术研究

王 露，安政帅，宋嘉奇

一种舰载分布式数字阵列雷达系统技术研究

王 露，安政帅，宋嘉奇

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

分布式阵列雷达采用多个分布式小孔径子阵，通过相参处理的方式来扩大天线孔径，提高测角精度与分辨率，增强探测威力，可以为大物理孔径阵列雷达的设计提供更高的自由度。介绍了一种舰载分布式数字阵列雷达系统，结合P~L波段超宽带天线和数字阵列的优点，通过采用分布式阵列体制以及数字阵列信号处理技术，有效增加天线孔径尺寸和信息获取能力，提高雷达的探测性能；采用天线与舰体共形设计，实现舰体与电磁隐身，提升水面舰艇集成一体化设计能力。雷达系统可针对不同舰船平台结构进行孔径重构和优化布阵，具有多功能、多模式、通用性强的优点。

分布式阵列；舰体共形；孔径重构；优化布阵

0 引言

当前海洋安全面临新的挑战，水面舰艇承担的作战任务也越来越趋于多样化，需要增强远海海域常态化、全天候、大范围的监测能力，实时发现、识别、定位军事目标，获取统一态势[1-3]。分布式数字阵列雷达是随着现代战争和战场环境的复杂化、雷达作用距离对阵面孔径尺寸的要求和高技术条件对雷达系统的应用需求而提出的新概念、新体制雷达，突破了传统雷达对功率和孔径的制约。本文旨在探讨分布式数字阵列雷达技术在改变雷达系统设计思维、发展新体制舰载雷达方面的能力分析。

1 舰载雷达系统面临的挑战

1.1 新型空中目标挑战

隐身作战平台是当前武器装备的重要发展方向，国外已经陆续开发了多款隐身飞机以及隐身巡航导弹，如图1所示。隐身平台综合运用外形设计，吸波材料，有源、无源对消等技术，可以使飞行器的雷达反射截面积减缩水平降低大约20 dB或更多。这些具有较高技术性能的隐身飞机以及隐身巡航导弹将对水面舰艇防空体系提出严峻挑战，因此，提高水面舰艇的反隐身目标能力已经成为新形势下装备研究不可回避的问题。

图1 国外隐身作战平台展示图

1.2 射频多功能集成化

随着高新武器技术的发展，未来战争对作战平台的信息化程度、综合作战性能、隐身性、远程探测能力要求越来越高，因此，雷达系统必须适应多功能、多任务、综合化这一发展趋势。为完成现代信息化战争的作战任务，雷达系统需要同时具备侦察、探测、干扰、通信等多种功能于一身，完成搜索、引导、目标指示、识别、通信、电子对抗等诸多功能，如图2所示。

图2 舰载多功能雷达任务示意图

1.3 平台传感器一体化

水面舰艇的隐身发展要求舰体隐身与电磁隐身相结合，因此，平台传感器一体化技术已经成为新型舰艇装备的发展趋势。雷达庞大而复杂的天线设备对舰艇的隐身性能带来了非常不利的影响，因此，未来舰载雷达系统将逐步向一体化、共形化设计方向发展。天线集成技术将雷达天线集成化、平面化嵌入到上层建筑中，如图3所示，简化天线布局和兼容问题，提高电磁系统性能和作战性能的技术。

图3 平台传感器一体化示意图

1.4 雷达战场生存能力

随着电子侦察技术和反雷达技术的日益发展，先进的电子对抗技术使得舰载雷达在复杂电磁环境中面临着越来越严峻的威胁，雷达侦察—反侦察、隐身—反隐身、摧毁—反摧毁、干扰—反干扰问题日益突出，因此，雷达需要具有良好的低截获能力和抗干扰性能设计。此外，如何降低雷达损毁概率，提高装备生存能力，也是未来舰载雷达技术发展的重要方向，如图4所示。

图4 DD（X）隐身舰艇分布式阵列示意图

2 舰载分布式数字阵列雷达系统

2.1 分布式数字阵列雷达原理

本文所探讨的舰载分布式阵列雷达系统，是以平台隐身性设计为核心，以数字阵列为基础，通过“灵活分布的共形天线阵列”、“高速光纤传输”和“高性能信号处理系统”组成的数字阵列雷达。系统采用P~L波段低剖面轻型超宽带紧耦合天线，具有较宽的频带覆盖范围和良好的宽角扫描特性，体积小、重量轻、结构紧凑，可以满足舰体表面共形天线的设计要求；天线阵列分别在水平和垂直方向最大限度利用舰体尺寸扩展天线孔径，如图5所示，并进行联合相参工作，从而增大雷达功率-孔径积，提高对隐身目标的探测威力和高精度参数获取能力；分布式阵列单元进行合成处理，获得多种工作模式和探测能力，采用数字阵列天线实现灵活的波束控制与资源调度，提高雷达对于目标的多功能、多模式、多目标的探测要求；通过综合利用P~L波段超宽带信号，结合先进的数字处理技术、自适应阵列处理技术，提高抗干扰性能、低截获概率，获得良好的目标探测能力。最终，形成能够有效实现多任务、多功能作战的新型体制雷达。

图5 分布式子阵布阵示意图

雷达的原理框图如图6所示，主要包括以下部分：P~L波段数字阵列天线单元；综合射频单元；综合处理单元（包含资源任务调度模块、信号处理模块、电源分配模块）；综合保障单元（包含射频综合管理、数据链路、故障检测）。

图6 分布式数字阵列雷达原理框图

雷达工作时，综合处理单元根据规划的任务情况产生系统任务序列和工作时序，对天线进行选择，并通过光纤完成相应综合射频单元的信息传输。各子阵天线均发射正交/相同波形，波束方位进行 1.5 dB交叠，形成任务所需要的发射波束对目标进行辐射。雷达回波经天线单元后送至综合射频单元，完成相应波段的接收、A/D变换、综合脉冲孔径合成后形成数字I、Q信号，送至综合处理单元进行处理。综合处理单元完成综合脉冲孔径合成形成数字I、Q信号，进一步进行雷达信号处理和数据处理，各接收波束信号经过数字脉冲压缩、杂波抑制、抗干扰处理、恒虚警检测、解模糊、方位测角、波束数据融合、点迹处理、航迹处理后实时形成运动目标点迹、航迹，处理结果经数据链路传输给显控台进行显示。

雷达采用数字阵列模块进行二维数控扫描，每个子阵面在方位上可作±45°相扫，各个阵列子阵可以共形一体化分布在舰艇平台的不同位置，相对大型平面相控阵容易布设、能耗小、舰体具有低的RCS隐身与高的生存、可抗毁性特点，有利于实现雷达系统软件化动态重构。在保持平台的隐身性、生存性的同时，获得对目标探测所需要的功率-孔径积合成与多参数发现能力。

2.2 分布式数字阵列雷达特点

分布式阵列雷达灵活多样的数字波束形成，可以根据实际需要采取不同的波束形式和工作模式，主要的工作模式，如图7所示，包括：

（1）Ubiquitous模式：全向宽波束发射，多子窄波束接收，可以用较少的积累周期获得较高的信噪比和作用距离；

（2）子阵模式：可以进行灵活的多任务工作，抗摧毁能力强；

（3）MIMO模式：通过子阵发射相互正交的雷达信号以获取高的空间分集增益，具有低截获能力；

（4）相控阵模式：使用高增益的窄波束进行大威力、高精度扫描。

图7 分布式阵列工作模式（Ubiquitous、子阵、MIMO、相控阵）

本文所讨论的舰载分布式数字阵列雷达所采用的P~L波段与高增益指向性特性，使其刚好适合破解隐身战机外形设计与绝大多数主流的高速通信系统，除了能够对目标进行远程探测外，在远距离对通信系统的被动侦测等方面也具备不可忽视的潜力：

（1）该雷达频段覆盖Link-16以及部分预警雷达、导弹数据链和卫星导航信号的工作范围，P~L波段宽带天线能够提供更宽频带的侦测，加上这种宽带天线组成的分布式大孔径阵列可以发出指向性波束，能够用来对这些通信行为进行被动预警侦察与探测、辅助敌我识别，甚至可以进行主动干扰；

（2）高速通信系统设备波束较宽，容易受到敌方从波束主瓣实施的主动干扰，分布式的P~L波段宽带天线阵列能够形成高指向性波束，可以精确追踪敌干扰源的方位，能够为通讯设备指示干扰方向，进行干扰抵消。

因此，该雷达具有同时兼备预警、跟踪、目标指示、被动侦测、辅助敌我识别、通信辅助抗干扰等功能于一体的能力，如图8所示。

与传统雷达相比，分布式数字阵列雷达[4-6]具有以下优势：

（1）分布式布阵的单元雷达可以重构成一个大的天线阵列，能够增大合成后的等效天线孔径，部雷达的功率—孔径—增益积可达到3，有效提高整个雷达系统的探测能力、方位分辨能力和测角精度；

（2）分布式体制雷达可以更好地减轻杂波和其它形式电子对抗的影响，多部分布式雷达孔径的去相关和求平均处理可以使大气环境的不利影响降至最小；

（3）分布式雷达系统资源可以根据探测需求、信号环境和目标类型进行灵活配置和重构，能够实现雷达系统资源对作战使命的最佳匹配和对探测任务的使用效率最大化；

（4）分布式体制雷达降低了对雷达平台的装配要求，可以根据平台的装配条件和性能需求，将整个雷达系统资源采用分布式装配方式分别安装在平台结构的不同位置；

（5）分布式阵列雷达可以获得大天线孔径，又能同时避免采用大型天线结构，并且得益于结构上的独立及分散性，其相位中心并非对应于某一个子阵，因此生存能力将显著提高。

3 结论

舰载雷达作为可以主动、全天候、远距离获取信息的主要手段，在海洋情报获取、防御系统中起着十分重要的作用。本文探讨了一种舰载分布式数字阵列雷达系统，结合P~L波段超宽带天线和数字阵列的优点，并采用天线与舰体共形，能够有效提高雷达的功率—孔径积，提升水面舰艇集成一体化设计、综合隐身/反隐身能力。分布式数字阵列雷达系统属于新体制、新技术，对于舰载雷达系统的研制具有积极的借鉴意义。

[1] 王建，夏厚培. 濒海作战环境下的舰载雷达探测技术[J]. 舰船科学技术，2008，32（2）：17-20.

[2] Coutts S, Cuomo K, Mcharg J, et al. Distributed Coherent Aperture Measurements for Next Generation BMD Radar[C]. IEEE Workshop on Sensor Array and Multichannel Signal Processing, 2006: 390-393.

[3] Chih-heng Lin. Distributed Subarray Antennas For Multifunction Phased-Array Radar [D]. California: Navy Postgraduate School, 2003: 1-4.

[4] 高红卫，曹哲，鲁耀兵. 分布式阵列相参合成雷达基本研究与原理验证[C]. 第十二届全国雷达学术年会，2012：129-134.

[5] 曾涛，殷丕磊，杨小鹏，等. 分布式全相参雷达系统时间与相位同步方案研究[J]. 雷达学报，2013，2（1）：105-110.

[6] 鲁耀兵，张履谦，周荫清，等. 分布式阵列相参合成雷达技术研究[J]. 系统工程与电子技术，2013，35（8）：1657-1662.

Research On Shipboard Distributed Digital Array Radar System

WANG Lu, AN Zhengshuai, SONG Jiaqi

The distributed array radar consists of several distributed small aperture sub-arrays processed coherently, which can expand the antenna aperture, improve the angular measurement accuracy and resolution, and enhance the detection ability, which can also provide higher degrees of freedom for large physical aperture array designation. A shipboard distributed digital array radar system combining with P~L ultra wide band antenna and the advantages of digital array is demonstrated. The new radar adopts the distributed array system and digital array signal processing technology, can effectively increase the antenna aperture size and information acquisition capability, improve the detection performance. It adopts a hull conformal antenna design, realizes the hull and electromagnetic stealth, improve platform surface integration ability. The proposed radar system can reconstruct aperture and optimize array according to different ship platform structures, and has the advantages of multi-function, multi-mode and universality.

Distributed Array; Hull Conformal; Aperture Reconstruction; Optimize Array

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-454-05

2021-08-26。

王露（1986.12—），陕西西安人，博士，高级工程师，主要研究方向为雷达总体技术、多功能综合射频技术研究。