战斗机火控雷达发展简史 | J20 VS F22 专题

早在上个世纪三十年代人们就研制出了机载雷达，但这些最初的机载雷达工作频率比较低，只能达到米波。性能也比较差，不能满足战斗机火力控制的要求，只能用于对空、对海大型目标的搜索和监视任务。四十年代初磁控管的发明，把雷达工作频率从米波提高到了分米波，从而使雷达进入了微波时代。美国在上个世纪四十年代研制成功了APS-3/6/10/15等系列雷达，可以说是第一批真正意义上的机载火控雷达。1959年采用单脉冲测角技术的机载雷达开始服役，自此以后，单脉冲雷达成为机载火控雷达的首选。1963年美国F-4战斗机的AN/APG-59机载脉冲多普勒火控雷达批量生产，标志这脉冲多普勒雷达形成装备。1983年苏联米格31战斗机装备了第一部无源相控阵雷达，从此机载火控雷达进入相控阵雷达时代。1997年9月，美国F22战斗机装备的AN/APG-77有源相控阵雷达完成首次空中试验，从此战斗机火控雷达从无源相控阵跨入有源相控阵时代。

今天，相控阵体制已经发展成为战斗机火控雷达最为重要的工作体制。相控阵雷达的发展经过四个阶段也可以称之为四代。第一代是被动相控阵雷达，也称无源相控阵雷达。第二代是主动相控阵雷达也称有源相控阵雷达，目前最新的第三代是数字列阵雷达，第四代是软件定义雷达。

那么各代相控阵雷达都各有什么特点呢？作为相控阵雷达，其基本技术特点是：都有几百乃至上千个天线，每个天线都可以通过移相器单独调节波束的扫描方向，也可以用编组的方式组成波束对预定的空间进行扫描。第一代相控阵雷达为被动相控阵雷达，所有天线的信号都来自一个或少数的发射机。整个发射信号通过馈线系统分配给每个天线，再由每个天线发射出去。被动相控阵雷达也被称为无源相控阵雷达，无源二字的由来，就是因为其天线内没有对信号进行有源放大的器件。被动相控阵雷达的天线在整个信号的分配过程中射频损耗大，能量损失比较多。而雷达的发射功率跟探测距离远近有着密切关系，能量效率低，探测距离自然受影响。而集中式收发机的使用也带来了系统可靠性低的问题，一旦发射机有问题，所有天线都无法正常工作。同时集中式收发机也限制了射频带宽扩展能力，影响了雷达扩展电子战功能和数据链通讯功能。采用这种工作体制的相控阵雷达中，最著名的就是美国海军的阿利伯克级导弹驱逐舰装备的宙斯盾防空雷达AN/SPY-1。机载火控雷达中典型的有米格31的SEB-16雷达。

MIG31装备的SBE-16无源相控阵火控雷达

第二代相控阵雷达为有源相控阵雷达，主要技术特点为，其天线不但集成了移相器也集成了功率放大器，通过信号的空间合成获得大功率发射信号。在接收信号时也可以直接进行低噪声放大，从而避免了射频信号长距离传输带来的损耗，可以大幅提高雷达系统的灵敏度。实现以上功能的组件集成在一起称之为收发组件（T/R组件）。由于功率放大器件的前置，让系统的能量利用效率大幅提高，从而大大提高了雷达的探测距离。而每个收发组件都可以单独工作，少数组件的故障也不会影响其它组件，从而大大提高了雷达系统的工作可靠性。收发组件的采用让有源相控阵雷达的信号调节具有了更大的自由度，可以同时实现脉冲和连续波工作方式，这样就使得有源相控阵雷达同时具备了电子战能力和数据链通讯能力。采用这种工作体制的典型雷达有F22的火控雷达AN/APG-77和F35的火控雷达AN/APG-81，以及AN/APG-79、AN/APG-82等型号。

F22战斗机装备的AN/APG-77有源相控阵火控雷达

第三代相控阵雷达为数字列阵雷达。在有源相控阵雷达的基础上，实现了波束发射接收数字化并采用数字波束形成（DBF）的雷达被称为数字列阵雷达。其关键技术有：基于直接频率合成（DDS）的数字化T/R组件、基于DDC的多通道数字化接收技术、高速大容量数据传输技术、集成一体化收发通道设计技术、高性能软件化信号处理机。其中最核心的是三项技术是：直接频率合成、数字化接收、数字波束形成。实际上就是将主动有源相控阵雷达中还没实现数字化的发射、接收、波束形成等部分完全数字化。相对于有源相控阵雷达，其优点为：拥有更大的瞬时动态范围，可以大大提高对隐形飞机等低可探测性目标的探测能力。采用自适应波束形成，可以具备更强的抗干扰能力，可以将某个方向上的接收信号调节为零。也就是说可以不接受某个特定方向的信号，可以用这种方式对抗某些种类的电子干扰。更大的瞬时信号带宽，可以实现更优的低截获和抗干扰能力，所谓低截获就是指在探测对方时更不容易被对方发现。可以实现超低副瓣，这个也有助于实现低截获。采用空时自适应技术，可以改善雷达的杂波和干扰抑制能力，提高对地面慢速目标的检测能力。接收时多波束形成，可以在不降低探测性能的条件下提高搜索速度，具备丢失目标时快速重新截获的能力。系统任务可靠性高，维修性好。采用数字列阵技术的机载雷达主要有我国的空警500预警机和J20战斗机的火控雷达。

空警500预警机是世界上第一个装备数字列阵雷达的预警机

第四代相控阵雷达是软件定义雷达，是在数字化雷达的技术基础上，进一步实现标准化、模块化、数字化。注重软件和硬件的解耦，从而可以通过软件定义的方式快速开发雷达系统，以实现灵活配置资源、功能扩展和性能提升。目前，世界各雷达技术强国都在研究软件定义雷达，但都没有进入实用化阶段。因为雷达的软件化需要更强大的DSP芯片和CPU，这方面的内容我们在以后的节目中单独讨论。

       当前相控阵雷达技术的发展处于数字列阵雷达到软件定义雷达之间的过渡阶段。世界各国战斗机装备的火控雷达也处于不同的阶段。数字阵列雷达技术上最先进，只有极少数国家投入现役，发达国家的主力战机已普遍装备主动有源相控阵雷达，但仍有大量脉冲多普勒雷达在役。其它国家仍然以脉冲多普勒雷达为主。微信公众号:尖端防务