智能化条件下雷达技术发展趋势

2022-04-15蒋莹莹崔威威

雷达与对抗 2022年2期

蒋莹莹，刘晶，崔威威

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引言

战争是军事装备发展的第一推动力。美、俄、欧等军事强国在叙利亚、伊拉克、乌克兰等国际热点地区开展或明或暗的军事斗争，借助常规部队、“军事顾问”、游击队、特种部队等手段，干涉、参与、主导区域军事冲突战争；热点地区成为高技术国家现代化信息化军事装备技术的试验场，高烈度高技术的局部战争呈现出海湾战争以来的混合战争新形态。技术与制造能力水平、装备性能与可用性拉开不同能力水平国家之间的沟壑，低技术水平国家难以正面对抗高技术国家威胁与打击；随着信息技术、能源技术、生物技术技术不断发展，不同国家之间战争能力鸿沟将会不断拉宽延伸，而同水平国家的技术发展路线的成本和代价越来越高昂。总结、分析热点区域战争呈现的新特点，梳理新技术、新理论对雷达发展的新需求、新挑战，有助于分析未来战场智能作战的新形态，为雷达向智能化发展提供参考。

1 智能化对战争的影响

智能化战争是科学技术进步与军事理论演变的必然结果。武器装备智能化、无人化、协同化、隐身低反射、高超声速发展，决定未来战场打击呈现立体、多层次、多样式特点，将大幅压缩战场作战感知与决策时间；战场攻防体系呈现出复杂化、多样性、时变性和不确定发展趋势，推动未来武器装备由半自动化、自动化向智能化发展。

武器装备智能化发展将深刻改变战场信息获取、态势认知、数据传输和力量编组的模式，持续引导战争形态逐步由以传感器为中心、数据为中心、信息为中心，向认知/行动为中心转变，进而引发战争呈现前所未有的变革：

一是参战人员精简化。无人作战平台的大量使用将大量减少一线作战人员规模，战斗人员与武器编配比例出现历史性逆转，军队整体面貌将向智力密集型、人机融合型转变；

二是力量结构一体化。智能化战争时代的制胜机理：由信息控制力量的精确释放演进到由智能控制的无人作战平台自主/协同作战，人与陆海空装备组合将让位于人与智能机器组合；

三是指挥体制灵活化。智能化战场态势愈加复杂，利用人工智能手段获取有用、有序、及时、准确的战场信息数据，将有助于大幅压缩作战构想、任务分配、目标打击、毁伤评估等作战周期；

四是作战编组自主化。智能化战争决定作战任务、作战空间、作战对象、作战样式混合多变，作战效能取决于人与机器的融合程度，作战编组要更加灵活、富于弹性、具备自主适应能力，无人集群更要具备自主编队、协同作战的能力。

2 智能化条件下战争形态展望

智能化战争的核心要素在于主战设备的无人化、作战手段的智能化，表现形式是包括无人机、无人战车、无人船等无人作战平台的广泛应用。无人机作战是智能化战争的起源和开端，研究无人机在战场的应用，从其发展历史、现状，可以总结出无人设备在未来智能化战争的基本角色与定位[1]。

(1) 在战场攻击方面，无人机主要是通过加装光电/红外传感器、激光测距/指示器、合成孔径雷达等设备，可以与炸弹或者精确制导武器形成完备的侦察、目标获取、指示、毁伤、评估作战链路。

美军2001年将“捕食者”无人机改装侦打一体化无人机MQ-1B，并在阿富汗、伊拉克、也门等地得到战术应用，在2001年10月摧毁一辆塔利班坦克，11月3日击毙本拉登助手阿提夫，2002年3月摧毁伊拉克阿拉赫城外义军ZSU-23-4自行防空炮阵地，在也门击毙6名基地组织成员。MQ-1B的成功促使美军研发了速度更块、飞得更高、载弹量更大的MQ-9，同时对“火力侦察兵”及“全球鹰”无人机加装了对地攻击武器，并积极推动新型号喷气式察打一体化无人机的研发。

(2) 在作战保障方面，无人机作战保障主要用于电子对抗、侦察保障、通讯保障等多方面。在电子干扰方面，海湾战争中多国部队使用ACM-141无人机在空中布撒大量箔条，干扰伊拉克军队地面警戒雷达；车臣战争中俄军使用“阿米巴”、“吸血鬼”无人机释放有源干扰，对车臣恐怖分子无线电台进行干扰压制。在电子欺骗方面，以色列在1982年叙以贝卡谷战争中，使用无人机欺骗获取叙军导弹制导雷达开机，然后由预警机、攻击机协同作战摧毁叙军19个SA-6导弹阵地。在侦察监视方面，美军在伊拉克战争中，将最新式的“全球鹰”投入战场，执行任务15次，拍摄图像4 800幅，有力支撑了对伊作战。在目标指示方面，在北约轰炸南联盟期间，4架“捕食者”无人机装备AN/AAS4(V)激光照射器为攻击机指示目标；在伊拉克战争期间，无人机为AH-64“阿帕奇”指示目标。在活力评估方面，在海湾战争中，美军使用“先锋”无人机进行炮射校正，克服油井燃烧带来的干扰。

(3) 在设备对抗方面，目前美军已经开展了无人机群与现役战斗机的格斗对抗实验，多次组织无人机与F-14等型号战斗机开展近距离空战演习，并在RE-40“天眼”和“勇敢200”无人机加装了“轻标枪”、“毒刺”导弹，用于攻击直升机。在伊拉克战争期间，发生过“捕食者”无人机与“米-25”战斗机交战的情况。

无人机的广泛应用极大提高了作战的费效比，丰富了现代化作战条件下的战术战例，推动了作战智能化发展。随着电子通讯技术的快速发展，近年来国际热点区域战例凸显了无人化作战的新特点：

(1) 战争无人化与集群化

无人机、机器人得到了广泛使用。在叙利亚战场上，俄军无人机将战况实时传送到“仙女座-D”自动化指挥系统，操作员据此操纵“平台-M”履带式和“阿尔戈”轮式机器人对敌攻击，叙政府军紧随其后扫灭残敌。2018年1月6日，欧美支持的叙反对派使用13架攻击型无人机企图对俄驻叙的赫迈米姆基地和塔尔图斯基地发动攻击；叙利亚反对派的无人机虽然制造工艺粗糙，但在这次战斗中13架无人机群装备了无线电子设备，集群实现了预编程自主飞行和弹药投放[2]。

(2) 无人平台防控

无人平台防控手段多样化。在乌克兰危机期间，俄罗斯通过电子战手段有效压制了RQ11“渡鸦”无人机。在应对叙利亚反对派的无人机蜂群攻击时，俄军除了利用防空火炮击落7架无人机外，还利用先进的电磁作战系统，成功控制了另外6架无人机。除传统侦察、干扰、软硬摧毁等作战手段外，电子战设备初步发展出夺控敌方作战平台的作战方式。无人作战平台夺控是电子战、赛博战发展的新表现、新阶段。

(3) 高强度电磁攻防

美俄在叙利亚战场上展开了激烈的电子攻防战。针对俄罗斯的监视雷达，美国进行专门的电磁干扰，避免战机被侦察与定位，同时借助多种无人机收集俄军电磁频谱信号。俄空军出动“苏-24”战机和“伊尔-20”电子战飞机专门执行电子侦察与干扰作战，前者装备了最先进的电子战综合体“希比内”[1]。

(4) 人机结合

美以秘密组织在2020年11月使用无人车伏击了伊朗核物理学家。在这场伏击战里，袭击者在掌握了物理学家的出行规律后，综合使用多种武器改装、部署了普通汽车，使之具备了目标识别、信息上报和自我摧毁的能力，在严苛的时空条件下接收远程控制并及时做出响应动作。随着军事通讯、机器学习、计算机视觉能力不断增长，开展营救人员、定点清除等特种作战与防御任务，对无人平台的依赖将日益增长，而作战平台小型化、人机结合将成为现代战争中防御、对抗的必要手段。

从美、俄、欧军事力量建设来看，无人化军事武器将成为未来作战力量体系最大的影响因素。到2025年，俄军无人作战平台装备将达到全部武器装备的30%以上；到2030年，美军60%的地面作战平台将实现无人化，同时发展大量水面和水下无人作战装备；美、俄、以色列等国军队注重智能化战争和无人化作战的理论研究与实践探索，推出“蜂群作战”、“族群作战”、人机协同、基于无人作战的分布式杀伤作战理论等，并积极开展靶场对抗和战场实战。

以机器学习、计算机视觉为代表的人工智能技术，以移动互联网为代表的网络通讯技术，以无人作战平台为代表的智能作战技术，是支撑未来智能化战争的三大支柱[3]。无人系统作为战场信息节点，可以将主战平台、精确制导武器、综合电子信息结合在一起，执行侦察、监视、干扰等电磁战任务，也可以以较低成本执行精确攻击、精确爆破、精确轰炸等传统高危高成本战术动作。未来战场电磁覆盖范围广，电磁对抗激烈，作战形式灵活，目标定位、识别、引导、打击响应将会更为智能和迅速。

随着智能化主战装备、作战平台、作战理论的不断发展，智能化水平必将直接影响作战编队编组、战斗力生成发挥，必将推动军事力量结构、指挥体制、战争过程深度变革，这对以雷达为核心的战场感知能力提出了更严峻的挑战。

3 美军电子战发展

经过二战后主要局部战争的锤炼，美军在电子干扰技术研究与应用方面处于相对领先的地位，其雷达干扰技术手段大体上可以分为雷达压制干扰、雷达欺骗干扰和特殊雷达干扰3个方面[4]。

(1) 雷达压制干扰

在越南战争期间，为了对苏联SA-2的“扇歌”雷达进行干扰，在电子战靶场经过定量分析评估后，美军提出了多部干扰机实施的协同压制干扰技术，同时给战机加装了大量电子战装备，包括新研制的“百舌鸟”反辐射导弹、“野鼬鼠”反雷达飞机等武器装备。到1972年，越南军队打下一架美军飞机所需的导弹数量上升到 150 多枚，美军战机的战损率下降为1.1%。到20世纪末，噪声压制干扰成为美军各型雷达干扰装备中最基本的干扰样式。

(2) 雷达欺骗干扰技术

雷达欺骗干扰是针对雷达接收机的信号处理过程，通过调制假信号等手段迷惑和扰乱雷达对真实/虚假目标的检测与跟踪。

20世纪70年代，苏联机载火控雷达采用脉冲前沿跟踪技术，来区分目标真实回波和干扰回波的时间延迟，判断真实目标。美国提出雷达脉冲重频跟踪技术，通过软件编程分析与预测脉冲串参数测量，跟踪雷达的脉冲重频，然后发射欺骗脉冲信号，其中一部分脉冲刚好在每个真实回波之前到达雷达，这样就能破坏雷达的脉冲前沿跟踪环路，将距离门再次拖出目标所在的距离单元，达到距离欺骗的目的。该技术至今仍在广泛使用。

20世纪90年代，有源诱饵技术由机载向舰载发展。美国海军研制的“纳尔卡”诱饵弹直径15.24 cm、长2.1 m、重约45.36 kg。当舰载SLQ-32电子战系统接收到威胁信号后，在适当时机发射诱饵弹，当诱饵飞行到预定高度与位置时，一边辐射欺骗干扰信号，一边离开战舰；根据其飞行路径选择各种速度与角度，使反舰导弹的雷达导引头锁定到诱饵上。

20世纪后期，美军广泛吸收民用技术，采取模块化、开放化发展路线，压制干扰和欺骗干扰在理论、技术与装备应用上逐渐融合，相关技术都集成在了同一型号的干扰机中，可根据不同的应用场景进行灵活调度，呈现多功能、软件化、智能化发展趋势。

美军积极研发无人艇、无人机等多型号电子战平台，大力提高电子战装备平台的机动能力、部署能力和自持能力，开展了无人集群对抗场景下电子战演习，并在伊拉克大量使用新型无人机、战场指挥系统(FBCB2)、“剑”式军用机器人、“城市勇士”无人地面侦察车，探索新的电子战作战样式。

4 面向未来智能化作战的雷达发展

雷达作为战场侦察监视与情报搜索的主要战术装备，是战场态势感知和快速反应的主要技术途径，雷达性能与效能发挥决定我方力量战场战斗力和生存力。未来智能化战争发展呈现出无人平台协同、人机互联、小型化、集群化、快速时敏的特点，智能武器种类构型、运动特性、活动空间、散射特性、极化特性、频谱特性等属性特征快速复杂变化，智能武器“小样本特征”给雷达目标定位、识别和精确跟踪预测带来极大的挑战。同时，美军的电磁战经验表明，面对逐渐融合、软件化、智能化的压制干扰和欺骗干扰，雷达必须在资源管控、信号处理、数据处理、态势评估等方面采取新方法、新理论，才能实现干扰与抗干扰作战。作战对象与作战环境的深刻变化决定雷达使命多向分化和范围扩展，雷达必须满足信息化、智能化战争条件下应对多种威胁和遂行多样化任务的需求，形成局部战争预警侦察、对抗干扰、目标探测、战术通讯、跟踪制导、目标识别、打击评估、环境感知等作战能力。

雷达未来发展必然要以智能化作为突破口，以智能化无人作战平台作为主要探测、对抗和识别的对象，必须借助人工智能算法在知识积累、知识发现和知识应用方面的优势，极大提高功能集成、资源(平台、波形、频带、极化)管控、能力(信号产生、发射、接收)重构、环境认知、信息(智能化)处理、辅助决策的能力、速度和质量，深度融入“观察-判断-决策-行动”OODA环，形成雷达智能协同探测、数据互联共享、远程互操作、多手段识别的技术能力，争夺战争主动权和制信息权，积极应对智能作战目标、复杂作战环境和多样作战任务带来的挑战，在雷达体制、频段、理论和技术上不断发展演变。

雷达装备智能化发展是一项须持续不断探索的长期性复杂系统工程，是一个随着军事智能技术进步和军事样本数据积累的逐步发展过程，因此将雷达的智能化发展分为两步[5]：雷达装备的智能化升级改造，以及智能化技术、智能化作战理论条件下呈现完全“智能化”特征的雷达装备发展。

受限于作者能力和认知水平，此处将智能化雷达发展划分为综合射频、软件雷达、认知雷达3个领域，3个领域在技术上各有所侧重、有所继承，最终通过智能化技术的引入和体制改造，推动雷达形成最终的“智能化”形态(认知雷达)，满足未来智能作战需求。

(1) 雷达综合射频技术发展

随着技术的发展和作战需求的演化，通讯、探测、引信、导航、敌我识别等需求推动了大量专用设备的研制和装备。而在飞机、舰船等对质量、体积和功率符合有着严格要求的负载平台上，设备的粗暴堆砌容易造成严重的系统集成、设备遮挡、电磁兼容、RCS增大、维护困难等问题[6]，不仅挤占平台有限空间，还大大加重了操作员的调度分配工作负担，且建设使用成本高昂。

多功能综合射频系统的核心思想是用宽带多功能综合射频孔径替代平台上数量众多、功能不同的天线孔径，采用综合、开放式射频、信号处理、软件体系架构，进行灵活的资源调度和管理，来实现侦察、干扰、探测、通讯等多种射频功能[7]。

美国海军开展了系列相关研究：

资助雷声公司开展先进公用孔径(ASAP)项目研究，ASAP覆盖C～Ku频段，确保同时覆盖ECM、ESM、通信功能，可以根据战术飞机前视雷达功能需求来确定天线增益及发射功率等指标，同时实现电子战和通信功能；

开展先进多功能射频系统(AMRFS)项目研究，主要通过共用、低信号特征孔径同时实现雷达、电子战及通信等功能，极大减少了舰船上层建筑射频系统孔径的数目，同时增加有效功能、带宽以及舰船的RCS。AMRFS测试平台采用4部低频段和高频段收发阵列孔径，将1～20 GHz频率覆盖范围分为1～5 GHz和4～18 GHz 两个频段。每个接收阵列均包括接收阵列子系统、数字接收机、RF下变频子系统、支持同时及分时多功能接收的处理及控制系统。每个发射子系统均包括发射阵列、波形产生合成、RF上变频、支持同时或分时多功能发射的处理及控制系统[8]；

开展面向DDG1000的双频段雷达DBR项目研究，DBR由AN/SPY-4体搜索雷达和AN/SPY-3多功能雷达组成，两部雷达均采用有源相控阵体制，分别工作于X和S频段，当一个频率被用于特定功能(如为多枚导弹提供照射)时，另一个频率可用于分担负荷，搜索及跟踪功能可由单个频率或同时两个频率实现。

DARPA启动可重构孔径(RECAP)项目，旨在通过MEMS技术对天线进行重构，确保天线的超宽带性能，同时实现宽角扫描。该项目成功推出几种可重构孔径概念，GTRI、雷声公司等加入研究，其中GTRI所推出阵列的每一个阵元的尺寸都远小于标准方形片状阵元，通过MEMS开关连接各个小阵元来形成单个阵元，阵元的连接方案通过遗传算法计算得到，阵面可工作于0.8～2.5 GHz，GTRI在2006年成功推出了33∶1倍频程的天线，并具有扩充到100∶1的潜力[8]。

综合射频综合考虑各方面的特性，如设计功能、工作频段、覆盖空域、工作方式、工作时段、极化方式、调制方式、低RCS载体适装性等等，对各类天线进行整合，最大限度地压缩天线数量，集中实现包括雷达、通信或电子战等多种设备功能的空间电磁波能量和高频电磁波能量之间的转换，最大限度地发挥其功能和效率，最终达到综合利用天线孔径的目的。其关键技术主要有：

• 多功能综合射频天线技术

根据不同的功能任务对波束形状、扫描特性要求，合理优化设计天线子阵工作和全口径工作模式，实现天线孔径复用和可重构技术，宽频带、多极化技术、宽角度波束扫描、超宽带射频分集网络等，具备面向宽波段的波束生成和控制能力，满足系统多功能集成的要求。

• 有源射频前端技术

借助可编程多通道波形发生器及接收机，完成信号调制、方位加载、幅相控制，产生多路相参波形信号，平衡信号带宽、载波频率、调制和动态范围等方面的功能差异，输出侦察、干扰、探测、通信、导航、引导等信号中所需要的定频、跳频、扩频样式。

• 资源管理、调度

采用信息与数据融合技术以及对资源的动态规划、调度及分配算法，平衡多信号交调、射频多载波峰均功率比抑制、宽带信号带内平坦度等关键指标，动态控制系统发射信号的频谱纯净度、信号峰值功率，体系化设计、开放、可扩展、可重构的软升级能力。

(2) 软件化雷达技术发展

随着雷达作战环境复杂化和探测模式多样化，传统雷达装备软硬件的通用性、继承性差，且能力动态调整、演进周期长，难以通过新技术、新算法配置雷达资源，实现功能扩展和工作模式快速、灵活调整，以适应多样、时变的作战需求[9]。数字化技术的高速发展推动雷达元器件实现高度标准化、模块化，雷达各分系统的通用性越来越高，使得雷达系统各组成部件具有通过软件化模式定义、开发和配置能力，推动了软件化雷达技术的研究、发展和应用。

美国国防部在20世纪90年代提出了基于模块的开放式系统方法(MOSA)，推动新技术在装备的应用升级，同时可有效控制和降低成本。麻省理工学院成立了开放式雷达系统架构研究工作组，提出开放式体系架构设计规范(ROSA)，在MOSA的基础上开展软件化雷达研究。美军在2014年开展数字化软件多功能分布阵列雷达研制，验证了软件化雷达技术的可行性与可用性。MIT林肯实验室则将相关研究结果应用于靶场试验雷达、空间监视雷达的升级改造，并取得了良好效果。

软件化雷达主要核心技术可以分为4个层面：

• 软件化雷达总体设计技术

针对不同雷达体制的工作模式、处理任务、维护管理的需求，开展软件化雷达体系架构设计机理和原则研究，探索、设计雷达系统控制、运行、测试和维护规范，形成开放式体系架构、层次间接口模式、组件化粒度分解以及资源管理的设计原则和机理。

• 组件化开发技术

在对雷达系统进行合理粒度分解的基础上，进一步进行抽象和综合，并提供合适的定义和管理接口，最终形成组件设计规范和开发环境及平台，以支持软件化雷达的开发和集成，形成雷达前端组件化设计、信号/数据处理系统组件化设计、组间互联结构和数据通信、线控组件开发技术能力。

• 软件化雷达基础软/硬件技术

立足多型号、高性能的总线、处理器、板卡、TR组件，研究能够独立于不同硬件平台的、对雷达系统的控制/通信/处理/资源管理等功能进行描述和抽象的中间件技术，形成对硬件功能和结构的抽象、支撑能力，指导雷达前端天线、收发系统、后端处理器等功能软件的设计和开发。

• 软件化雷达集成验证技术

软件雷达是来自不同厂商的不同类型软硬件组件、基础软硬件的综合集成。须开展集成验证技术验证，面向硬件集成、软件集成和总体集成，验证硬件可重组性、软件可重构性、需求可定制性等关键技术，评估软件化雷达系统开放、动态、自适应以及软件定义性能。

(3) 智能认知化雷达技术发展

动态杂波、密集目标背景、大的离散体和人造建筑、双基地和非正侧阵列引起的非平稳杂波、电子对抗等诸多复杂电磁环境，传统雷达固定的工作模式和不变的发射波形难以实现杂波抑制和干扰对抗。认知雷达通过将机器学习等方法和频谱认知、频谱学习、频谱推理和频谱攻击结合起来，可自主根据目标和外部环境特性智能地选择发射信号、工作方式以及进行资源最优分配，实现认知干扰、认知抗干扰、认知通信[10]。

DARPA开展了一系列认知电子战项目，其中最具代表的是自适应雷达(ARC)、自适应电子战学习(BLADE)、极端射频频谱条件下通信(COMMEX)等项目。美空军推动了认知干扰和电子战高级部件项目(ACE)，美陆军推动了“城市军刀”项目，美海军开发的电子战项目、电子技术项目也属于此类。ARC采用最新的软件无线电技术，将更为灵活的算法应用到射频前端，实现灵巧波束生成、控制，积极应对采用了先进编码与脉冲重复间隔的空地、空空雷达带来的挑战；“城市军刀”项目旨在通过自主检测、识别、分类、测向与定位、攻击高优先级目标，实现射频频谱控制；认知干扰机项目要开发一套多功能、灵活的认知干扰机体系结构，来应对采用动态频谱接入的无线电或认知无线电电台，最终将“传感、学习、适应、对抗”过程所需的时间从“数天到数月”缩短到“数秒钟到数分钟”；BLADE项目旨在开发能够在短时间内对抗战术环境的自适应无线通信威胁能力。

认知雷达的关键技术包括：

• 智能抗干扰技术

针对美军压制干扰与欺骗干扰融合发展的趋势，深入分析美军作战平台干扰作战战术效能，在雷达天线、接收、信号处理、数据处理多个环节，综合采取措施形成抗干扰体系。着重解决基于宽带窄带侦察的认知抗干扰技术，形成干扰在空间、频率和时间维度上的特征提取能力，形成电磁环境评估能力；综合自适应捷变、相参脉冲、双极化波束、特征脉冲剔除、副瓣逆影、自适应干扰置零等手段，自动生成抗干扰措施及资源调度策略，应对战场电磁对抗挑战。

• 认知雷达知识库构建技术

知识库是认知雷达对抗系统的核心要素。随着雷达信号、干扰样式以及干扰与反干扰措施日趋多样化，雷达与干扰双方形成了博弈关系，构建认知雷达知识库有助于形成科学、有效、快速、精确的对抗决策。知识库应包含样式库、策略库、波形库和措施库4部分，分别包含各种先验干扰样式的特征、针对各种干扰态势最佳的处理策略、待选用的各类波形和各种反干扰处理算法。

• 电磁实施精确感知技术

通过环境感知通道侦收到战场中的复杂电磁环境信号，精确测量信号的时频特征、能量分布、调制形式、辐射源方向等参数，利用相应知识库快速准确地识别与定位干扰、杂波或信号样式，并可通过干扰或信号识别结果判断得到辐射源特征与活动信息，实现敌方战术意图的自动分析，形成评估战场态势的能力。

• 认知电磁对抗技术

认知电磁攻击通过不断感知周围环境，基于人工智能技术、自适应机器学习，自动开展目标探测、分析、识别，形成新作战环境、作战对象电磁特征捕获、描述能力；并利用博弈论等理论，实现干扰波形优化设计、干扰策略生成，自适应完成对威胁目标的有效干扰、对抗。