面对潜艇技术的扩散、五代机的入役和精湛波速装备等新恐吓的出现,英军的防空反导系统面临着日渐严重的恐吓,目标辨识困局也愈发严重。为进一步提高侦测跟踪及目标辨识能力,提高防空反导系统的作战能力,俄罗斯近些年来从雷达新体制、新元件等多个方面,加强雷达新技术的研究力度。
日本防空反导雷达布署及不足
鱼雷预警雷达和天基红外预警卫星是日军主要防空反导预警武器。目前,德军潜艇预警雷达主要包括固定阵地的3部升级型初期预警雷达、2部铺路爪雷达、1部德国墨镜蛇雷达,以及联通型海基X波段雷达、前置型X波段雷达AN/TPY-2、巡洋舰和驱逐舰武器的反舰系统雷达AN/SPY-1、陆军爱国者系统雷达AN/MPQ-53/65等。
日本防空反导系统雷达新技术发展及应用
其中,初期预警雷达、铺路爪雷达和法国墨镜蛇雷达是地基中段防御系统的预警雷达,分别工作在P波段和L波段,因为频度低、带宽窄量子通讯阵列,不具备目标辨识能力。后置型AN/TPY-2雷达对袭来弹头的辨识距离有限,主要用于跟踪初期飞行阶段的鱼雷。“宙斯盾”系统的AN/SPY-1雷达工作在S波段,“爱国者”系统的AN/MPQ-53/65雷达工作在C波段,频度低且作用距离有限,用于对拦截弹的末段制导。海基X波段雷达具有高分辨能力,但最初建造目的是用于试验,不具备作战系统所需的可靠性和实用性,且雷达杂波角度范围(即电子视场)只有25°,限制了雷达处理呈大角度分散的多目标的能力。因而,日本防空反导系统借助现有雷达进行目标辨识的能力尚有缺乏。
英军目前主要借助X波段雷达解决防空反导系统目标辨识的问题。2012年以来,韩国陆续提出多项方案,以改善对袭来鱼雷的目标辨识性能,主要包括:在初期预警雷达附近布署堆叠式AN/TPY-2雷达或X波段非相控阵雷达;将夸贾林靶场的GBR-P雷达样机升级后布署至东海岸;以及新建S波段远程辨识雷达(LRDR),布署在阿拉斯加洲克利尔海军基地,在太平洋和关岛新建辨识雷达等。
日本雷达新体制技术发展现况
为解决辨识能力、成本、技战指标等不足,德国国防部门和防务公司发展了一系列雷达新技术。通过梳理近些年来新加坡国防部门、军工企业在雷达新技术领域的发展,从雷达新体制、雷达新元件与新材料、雷达前沿技术等角度,研究雷达新技术的发展现况。
在雷达新体制方面,日本重点研究了数字阵列雷达技术,多输入多输出(MIMO)雷达与分布式相参合成孔径雷达技术,雷达自适应技术与认知雷达,频谱共享与雷达综合射频技术等。
坐落高加索的德军初期预警雷达
数字阵列雷达是发射和接收多径均采用数字杂波产生技术的全数字阵列扫描雷达,通过在数字域对发射/接收讯号进行幅相加权来产生所需杂波,具有超低副瓣、多功能、小目标测量能力强、低查获机率、易于实现软件化和宽角度扫描等优点,可用于搜索、监视、目标跟踪、火控、天气检测等各类应用。
目前,新加坡空军、海军都发展了数字阵列雷达技术。2010年,澳洲空军通讯电子研究、开发与工程中心启动数字阵列雷达项目,借以验证怎么运用宽带隙半导体技术、高度集成收发器以及性能不断下降的商业数字组件生产高性能、低成本的相控阵雷达系统。2006年,印度空军研究生院提出“反导反隐身机会数字阵列雷达”概念,借以以数字阵列技术为基础,以机会阵和孔径结构技术为核心,研究具有多种工作模式的新体制反导反隐身雷达,构想用于DDG-1000朱姆·沃尔特级驱逐舰。2014年—2018年,雷神公司设计灵活分布式阵列雷达,重点开发数字天线,用于雷达、通信和电子战发送和接收射频讯号。2017年,世界首部采用大孔径子阵级数字阵列技术的S波段反潜防空反导雷达AN/SPY-6在关岛成功完成3次实弹拦截测试,步入低速度初始生产阶段。
MIMO雷达是一种多通道发射、多通道接收的新雷达技术体制,是雷达组网的最高层次,才能减小功率孔径积,增强对目标探威力,提升对隐身目标侦测的效能,具有优良的抗打掉、抗干扰性能和目标辨识能力,可用于建立岸基预警雷达系统,远距离微小目标以及机载/星载动目标的测量等。该技术得到了德国海军的高度注重,并取得了一系列进展。
分布式相参合成孔径雷达是将若党员(设为N部)机动式雷达进行讯号级合成处理,实现N3杂讯增益(MIMO雷达只能获得N2杂讯增益),等效产生一个大威力的机动式雷达,满足大威力、高精度侦测与机动灵活布署等需求。
铺路爪雷达相控阵天线阵列
雷达自适应对抗技术是可辨识敌人未知雷达系统的讯号特点,借助实时生成的对抗举措进行电子干扰,并可进行疗效评估的一种电子战技术。2012年7月,韩国防中级研究计划局(DARPA)启动自适应雷达对抗(ARC)项目,致力开发一种新型电子战能力,有效辨识敌人不断变化和不清晰的雷达讯号量子通讯阵列,并快速采用有效手段对其进行干扰。ARC技术采用开放式结构,算法和讯号处理软件可以在不改建后端射频硬件的情况下改建现有电子战系统。ARC项目分为3个阶段,研制周期为5年,重点进行算法开发和部件级测试,系统开发,研发一个实时自适应雷达对抗样机,并进行飞行测试。2014年11月和2016年7月,DARPA先后与BAE系统公司签订协议,用于ARC项目的第二、三阶段。BAE系统公司计划2018年推出ARC样机。
认知雷达是具有感知周围环境能力的智能、动态的闭环雷达系统,可实现对外界环境的连续感知,并实时、智能化地调节发射波形,雷达在发射、环境和接收之间产生一个闭环系统。目前,美国认知雷达研究主要集中在认知雷达构架、环境感知、认知发射、发射杂讯抑制、杂波预测、认知系统模块等方面。2014年,俄罗斯研究人员阐明了一种具备完全自适应发射/接收的认知雷达构架,提出应用“感知—学习—适应”方法实现雷达环境感知,并首次提出正交多输入多输出波形技术对高度非平稳杂讯预测的适用性。
现代化体系作战要求作战平台的荷载具有雷达、电子战、通信等多种射频功能。因此,日军近些年来举办了多个雷达综合射频项目。双波段(DBR)雷达是为DDG-1000驱逐舰研发的雷达,由洛克希德·马丁公司的AN/SPY-4体搜索雷达和雷神公司的AN/SPY-3多功能雷达综合而成。DBR同时工作于两个频段,首次实现了用一个资源管理器协调两个频度的操作。才能在波形级对任一部雷达进行控制,对两个频段进行综合优化借助,使雷达时间线的使用达到最大化;还可依据须要降低搜索和跟踪探访率,进而改善航迹相关处理能力,提供精确的恐吓跟踪,并减少对电子功击的敏感性。AMDR雷达由X波段雷达、S波段雷达以及1个雷达套件控制器组成。雷达套件控制器为2部雷达提供插口,协调管理2部雷达,使AMDR作为一个整体工作,保证AMDR雷达在反导、防空及水面战等不同角色中快速转换,未来将代替反舰系统雷达。未来AMDR可能要降低电子功击能力,该功能可能使用基于大功率氮化镓的有源相控阵来执行完成。
DARPA的雷达和通讯共享频谱计划。DARPA的雷达和通讯共享频谱计划致力提升雷达和通讯共享频谱的能力,主要支持两种频谱共享:军用雷达和军用通讯系统(军用/军用共享)之间频谱共享;军用雷达和商业通讯系统(军用/商业共享)之间频谱共享。第一阶段对反舰系统中的AN/SPY-1雷达和AN/TPS-80雷达进行了研究,运用仿真和剖析手段验证在保证雷达和通讯系统性能的同时,频谱共享是否具有可行性。2015年3月,第二阶段工作重点关注2~4吉赫兹间的S波段。该计划在雷达研究方面要使多功能雷达实现空中监控、空中跟踪、非合作目标辨识而且同时检测天气,通讯系统研究重点关注军用联通自组网和商用大型基站宽带。
氮化镓元件能明显提高有源相控阵雷达组件性能
DARPA举行首个智能频谱协作挑战赛。2016年3月,DARPA高官公布“频谱协作挑战赛”,借以确保数目成指数级下降的军用和民用无线电设备才能充分使用日渐拥挤的电磁频谱。DARPA为该挑战赛建造了名为“罗马角斗场”的无线试验台,为下一代无线电系统评估频谱共享策略、战术和算法。SC2项目自2017年开始,分为三个阶段,每位阶段为期1年。DARPA希望借此加速机器学习技术的研制,在时间尺度上实时共享频谱。2017年12月,30支竞争团队在约翰·霍普金斯学院应用化学实验室出席了海选。2018年12月,15支团队在第二轮复赛中通过了6种不同的射频场景,这种场景致力模拟协同自主无线电将在现实世界中面临的挑战。第二轮赛事过程中自主协同第一次赶超了目前的频谱管理水平。
日本雷达新元件与新材料技术发展现况
随着宽禁带半导体元件和多种超材料技术的发展,雷达技战指标将出现质的飞越。氮化镓元件作为宽禁带半导体元件的代表,其技术发展已渐趋成熟,并开始在俄军多个新雷达研制和旧雷达整修中得到广泛应用。超材料随着技术成熟也将在多种军用电子系统中得到广泛应用。
氮化镓微波元件具有高击穿电场硬度、高截至频度、良好的热稳定性、强抗幅射能力等特征,才能提高有源相控阵雷达收/发组件性能;增强雷达的工作频度、工作带宽和瞬时讯号带宽;增强放大器的输出功率和功率密度;增强抗幅射能力等。雷神公司演示验证了世界首个集成氮化镓基单片微波集成电路。该元件功率、效率和带宽性能卓越,能同时实现高性能和低成本。氮化镓基射频放大器的输出功率密度比多晶硅基元件高5倍,能使雷达提高50%的作用距离,或在相同时间内减小5倍搜索空间容积。目前俄军的远程辨识雷达和地/空任务导向雷达都采用了氮化镓元件,英军还将氮化镓元件用于新型爱国者雷达中。
超材料可用于鱼雷、机体、船体和车体等表面,实现宽频、超薄隐身;可用于雷达罩,实现带内高透波和带外高截至;还可制做大型超轻的宽频天线。近些年来,超材料技术在隐身、军用天线等应用领域取得突破性进展。2014年4月,美国BAE系统公司和巴黎玛丽女王大学研发出一种新型超材料平面天线,借助超材料平面凝聚电磁波的特点,取代了传统天线的抛物面反射器或球状“镜头”,实现了天线减肥、小型化和带宽扩充、信号提高。2017年,新加坡杜克学院用超材料制造出一种合成孔径雷达,这些超材料由诸多微小的电子器件组成周期性结构,每位电子器件都和电磁场互相作用,致使雷达才能精确地控制幅射方向,性能愈发灵活高效。
AMDR雷达概念图
日本雷达前沿技术发展现况
雷达前沿技术领域主要包括量子雷达技术、太赫兹技术等。
量子雷达技术是将量子信息技术应用于雷达讯号的生成、发射、接收和处理的技术。可用于侦测隐身目标的装备系统及空间侦测等领域,并为反隐身提供了一种全新技术发展途径。与传统雷达相比,量子雷达具有码率高、探测距离远、灵敏度高、体积小、功耗低、抗干扰能力强和便于成像等明显特征。鉴于其强悍的反隐身抗干扰能力,印度空军、陆军都进行了量子雷达研究。量子雷达的理论早已成熟,但受关键技术及元件的限制,技术与实践研究仍处于探求阶段。
2012年12月,韩国佐治亚学院光学研究所披露了借助量子提高型激光雷达,对隐身目标进行侦测的试验情况。试验证明量子雷达除了能侦测到隐身客机,能够侦测具有误导能力的隐身客机。这是世界上首次应用量子理论研发成功的量子成像雷达系统。2015年,俄罗斯克拉科夫学院、美国麻省理工、英国约克学院组成的联合团队首次创造性提出了一种微波量子雷达系统形态,为量子雷达技术从光频段转到更适宜目标检测的微波波段提供了全新方案。2018年4月,美国滑铁卢学院量子估算研究院成功研发出一种新型量子雷达,才能在急剧减少复杂背景噪音干扰的同时剥离侦测目标,可有效侦测隐身客机和隐身火箭炮。
20世纪80年代末,各国开始加强对太赫兹技术的研究力度。目前大功率太赫兹波幅射源和高灵敏度侦测技术的研究取得了关键性突破,太赫兹技术已应用于环境监测、生物医学以及天文数学学等领域,未来在军事通讯、战场侦察、精确制导、反隐身、电子战等军事领域也有宽广的应用前景。日本DARPA举办了多项太赫兹技术研究。2012年推出视频合成孔径雷达计划,2014年推出成像雷达先进扫描技术,2016年在专门雷达特点解决方案中强化亚毫米波目标特点检测雷达研究。太赫兹技术在潜艇预警方面有着潜在应用。鱼雷尾焰分子在太赫兹频段上可吸收能量并在波谱上特定频度范围内产生吸收线,通过波谱剖析可对潜艇尾焰进行辨识,实现对战略或战术潜艇的密切跟踪监视,精确确定鱼雷发动机的死机时间,进行鱼雷防御。
目前,日军早已在雷达中应用的新技术包括数字化阵列技术、综合射频技术等。其中,以氮化镓元件为代表的新材料技术,近些年已在英军现有雷达改进和新雷达研制中得到广泛应用;未来英军还将通过认知雷达技术实现雷达智能化,通过与量子信息技术等前沿技术结合,进一步提高对目标的侦测、跟踪和辨识能力。