2016年雷達對抗科學技術發展綜述

在新一輪全球軍事變革的大背景下,雷達對抗技術在2016年表現出了迅猛發展的態勢:認知對抗技術將雷達對抗推進到了認知時代;有源相控陣和氮化鎵等基礎部件的發展革新了雷達對抗裝備的架構和形態;不斷提升的無源定位性能使雷達對抗裝備具備了引導武器打擊的能力;網路中心戰的全面普及推動雷達對抗由傳統的平臺對抗向網路化分散式協同對抗演進;無人機平臺的發展為雷達對抗提供了新的平臺。

一、雷達對抗進入認知時代

隨著技術的發展,數位陣列雷達、軟體定義雷達、認知雷達等新體制雷達不斷出現,這些雷達可以實現超低副瓣的發射和接收、靈活多樣的工作模式和複雜多變的信號樣式,利用極少的脈衝個數即可完成對目標的探測。傳統的雷達對抗系統大多是基於先驗知識庫對環境中的威脅信號作做響應的,雷達對抗系統將收到的信號特徵與資料庫中預先裝訂的雷達信號特徵進行比較,如果相匹配,就能識別出該威脅並採用預先程式設計的對抗措施實施對抗。對於這些新體制雷達的信號,由於缺乏先驗的特徵資訊,傳統的雷達對抗系統難以截獲、處理和識別,導致對抗效能明顯下降。為了應對戰場上新體制雷達的威脅,需要研究具有高度自我調整能力的雷達對抗新技術。在此背景下,美國軍方將先進的認知技術應用于電子戰領域,開展了自我調整雷達對抗(ARC)等專案,推動雷達對抗進入了認知時代。

ARC專案是美國國防高級研究計畫局於2012年啟動的一項為期5年的研究專案,目的是開發在短時間內(美軍稱為“戰術相關的時間段內”)對抗敵方新型雷達的能力,使電子戰系統能夠近即時地自動生成有效的對策來對抗新的、未知的或不明確的雷達信號,能夠針對敵方雷達不同的工作模式和信號特徵,隨時調整干擾策略,以達到最佳的干擾效果。ARC專案研究內容主要包括系統設計集成和先進演算法開發兩個方面。2016年,該專案在實驗室環境中驗證了原型樣機對未知雷達信號的回應,取得了重大突破。2017年,將進行飛行測試。

此外,美國海軍還開展了“下一代認知電子戰技術”(Cognitive EW To—morrow)專案,旨在將自我調整、機器學習等演算法應用于電子戰中,提高電子戰整體效能,加強海軍對電磁頻譜的掌控和利用能力。

可以看出,以提高電子戰系統智慧化水準為核心,具備自主感知能力、即時反應能力、準確打擊能力以及評估回饋能力的認知對抗技術已成為雷達對抗的發展趨勢。不僅下一代雷達對抗系統必須具備認知能力,而且當前的電子戰系統也要提高其認知能力。美軍當前已經計畫將認知對抗能力部署到F—35戰機和“下一代干擾機”(NGJ)上。

二、雷達對抗系統具備火控引導能力

隨著雷達對抗技術的發展,對雷達輻射源的定位精度和速度不斷提升,已經具備引導武器攻擊的能力,使雷達對抗的作戰效果發生了質的提升。目前,世界上已有多個國家研製出了可以引導防空導彈的地基無源定位系統,美國則率先在EA—18G電子戰飛機上實現了無源定位引導武器打擊的能力。

對雷達輻射源的協同定位需要三架EA—18G電子戰飛機共同實施。三架EA—18G電子戰飛機採用主從結構配置為三個定位站,一架EA—18G電子戰飛機擔任主站,另外兩架EA—18G電子戰飛機擔任從站,三站之間具有良好的時間同步。基於時差定位機理,三架EA—18G電子戰飛機上的ALQ—218接收機通過測量信號到達的時差可以精確解算出輻射源的位置,對輻射源目標形成武器級的跟蹤資料,並通過“戰術目標瞄準網路技術”(TTNT)或Link16資料鏈分發給攻擊機群。基於這種能力,EA—18G電子戰飛機成為美國海軍一體化火控一防空(NIFC—CA)系統中的重要支柱。

EA—18G電子戰飛機無源定位引導武器打擊的能力極大地拓展了雷達對抗系統的任務領域,進一步凸顯了雷達對抗裝備在戰場上的重要地位。

三、有源相控陣和氮化鎵革新雷達對抗系統的形態

雷達對抗系統的性能很大程度上取決於天線元件、功率器件等基礎部件的發展水準。近幾年來,雷達對抗系統開始採用寬頻有源相控陣(AESA)和氮化鎵(GaN)器件,顯著提升了系統性能。雖然有源相控陣在雷達中的應用已經十分成熟,但雷達對抗用的有源相控陣所要求的功率、頻寬和占空比都遠遠高於雷達,工程實現難度較大,故AESA近幾年才開始逐步用於雷達對抗。有源相控陣給雷達對抗系統帶來的性能提升主要體現在以下幾個方面:

(1)增強干擾信號的有效輻射功率。使用有源相控陣可以聚焦形成高增益的干擾波束,相對于傳統的低增益寬波束,可以更高效地放大干擾信號,顯著提升對目標的電子攻擊效能,同時還降低了對己方其他作戰平臺產生的電磁自擾。

(2)增強多目標對抗能力。有源相控陣的波束形成非常靈活,可以在寬頻帶內形成多個同時波束,每個波束可以發射具有不同頻率和干擾樣式的干擾信號,從而可以針對多個不同頻率上的威脅目標同時實施高效干擾,這在雷達對抗的發展史上具有劃時代的里程碑意義。

(3)功率損耗小。與基於行波管的陣列架構相比,有源相控陣在陣元上採用固態放大器減少了陣列對原始功率的損耗,因而效率更高。即使行波管能夠產生更大的功率,但將功率饋給所有陣元時發生的損耗較大,效率明顯低於有源相控陣所採用的固態器件。

(4)抗反輻射攻擊。由於有源相控陣可以形成窄波束,使平臺被反輻射導彈攻擊的概率顯著下降。雷達對抗系統在過去主要使用電子管和行波管在寬頻帶內獲得大功率,主要原因是半導體技術無法從高頻到100吉赫的寬頻帶範圍內提供雷達對抗所需的功率電平。近幾年來,氮化鎵技術的成熟打破了電子戰功率器件領域內行波管一家獨大的局面。與傳統的行波管和砷化鎵器件相比,氮化鎵器件給雷達對抗系統帶來的性能提升主要體現在以下幾個方面:

(1)功率更強。氮化鎵器件的功率效率與砷化鎵器件相當,但氮化鎵器件的功率密度比砷化鎵器件高5倍以上,可以使電子電路的體積更小,有效減少感測器組件的體積和品質。在尺寸、品質和功率受到制約的平臺上,使用氮化鎵技術可以獲得更高的功率。

(2)頻寬更寬。固態器件的暫態頻寬要遠遠高於真空管器件,而氮化鎵器件的頻寬也比砷化鎵器件更有優勢。

(3)壽命更長。氮化鎵器件的壽命比行波管的壽命長很多。行波管的壽命通常是10萬小時,比典型的電子戰系統的壽命要短。而氮化鎵器件能夠在結點溫度高達200℃的條件下連續工作100萬小時,遠遠超出典型的雷達對抗系統的服役時間。

美國海軍的“下一代干擾機”(NGJ)就是採用了雷聲公司的寬頻有源相控陣和氮化鎵器件,實現了雷達對抗性能的跨代提升。2016年4月5日,經美國國防部副部長弗蘭克·肯德爾批准,NGJ“增量1”專案正式進入工程製造開發階段,預計將在2017年初至年中完成系統級關鍵設計審查,最終定型並進行試生產和組裝。根據計畫,NGJ“增量1”專案將於2019年3月進行全功能干擾吊艙的首次試驗,並於2019年8月進行低速初始生產,最終於2021年6月形成初始作戰能力。

除了新研的下一代雷達對抗系統,美軍還積極利用有源相控陣和氮化鎵技術對現役的雷達對抗系統進行升級,提升現役裝備的性能。如美國軍海軍的“水面電子戰改進專案”(SEWIP)的Block3階段也採用了雷聲公司的有源相控陣和氮化鎵高功率放大器,為AN/SLQ—32提供改進的電子攻擊能力。2016年,諾斯格普·格魯曼公司宣佈SEWIP Block 3的AN/SLQ—32(V)7電子戰系統已通過關鍵設計評審,標誌著Block3的研製獲得重大進展。

有源相控陣和氮化鎵技術的結合不僅可以提供更高的功率電平和更大的頻寬,還可以提供靈活的波束控制和多波束能力,這將從根本上改變雷達對抗系統的形態,是雷達對抗裝備發展史上的重要里程碑。

四、無人機成為重要的雷達對抗平臺

隨著無人機作戰應用的不斷擴展和雷達對抗裝備小型化程度的不斷提升,基於無人機平臺開展雷達對抗成為研究熱點。與有人駕駛飛機相比,無人機實施雷達對抗具有以下優點:

(1)無人機操作簡單、部署快捷靈活、即時性強、可回收、效費比高且不會造成人員傷亡。

(2)無人機雷達截面積小,不易被敵方發現,因而可以飛臨敵方空域實施抵近對抗。

(3)成本低廉的小型無人機可以實現群組作戰,具有分散式、協同、抵近等特點,有可能催生出全新的雷達對抗作戰樣式。

美國在雷達對抗無人機的研製和發展方面一直走在世界的前列,大力研究和演示新型的電子戰無人機。在研的裝備包括美國空軍的TR—X長航時隱身偵察無人機、美國海軍的“戰術應用偵察節點”(TERN)無人機等。此外,DARPA、戰略能力辦公室和海軍研究辦公室等諸多機構都在積極研發無人機群組作戰概念技術,開展了“小精靈”“蝗蟲”等一系列研究專案。

DARPA的“小精靈”專案於2015年9月公佈,旨在研製一種部分可回收的電子戰無人機蜂群。這種無人機蜂群可迅速進入敵方上方,通過壓制敵方導彈防禦、切斷通信等措施擊潰敵人。2016年3月,該專案授出第一階段合同,正式進入技術開發階段。2017財年,該專案將進行初步工程化、制定系統和子系統風險降低試驗計畫、發展目標系統概念、開展任務能力預測並完成初步設計評審。

無人機因體積、重量和功率受到較大的限制,目前執行的雷達對抗任務以電子支援措施(ESM)和電子情報(ELINT)任務為主。但隨著雷達對抗設備小型化和智慧化程度的持續提升以及戰爭形態向無人化戰爭的演進,雷達對抗平臺無人化是大勢所趨,無人機將成為重要的雷達對抗平臺。

五、網路化分散式協同對抗成為主流的對抗形式

美軍於1997年將網路中心戰確立為軍事力量轉型和聯合作戰的指導思想,經過20年的發展,網路中心戰已經全面重塑了美軍的作戰模式,從傳統相對分離的平臺中心作戰模式發展到各作戰單元和要素緊密連接與協同的網路中心戰模式。網路中心戰提供了作戰平臺之間的互連、互通、交互操作能力,使整個作戰系統的能力提升不只是取決於平臺,更多是取決於多個平臺的網路化集成。在此大背景下,雷達對抗的作戰形式也從傳統的單機對抗發展到網路化分散式協同對抗。

美國海軍的新一代電子戰飛機EA—18G就具備了強大的網路化分散式協同對抗能力,主要體現在以下幾個方面:

(1)EA—18G電子戰飛機上裝備了“多功能資訊分發系統”(MIDS)、“多用途先進戰術終端”(MATT)等網路中心通信系統,可以與其他飛機共用相關的電子攻擊資料,並增強整體的態勢感知能力。

(2)Link—16資料鏈能在EA—18G電子戰飛機和參戰的各種戰鬥機、支援飛機(E—2D、“鉚釘”等飛機)以及艦船等平臺間自動交換資料。攻擊飛機上的雷達告警接收機(RWR)可以請求EA—18G電子戰飛機對威脅信號和威脅定位資訊進行確認,EA—18G電子戰飛機根據攻擊飛機上的RWR請求可以迅速給出高可信度的威脅方位或者刪除模糊信號;而EA—18G電子戰飛機在其感測器效果不佳時也能接收到來自其他平臺更新的信號活動資訊;網路中最精確的感測器獲得的參數資訊可以被編入一個輻射原始檔案中,並通過網路實現共用。

(3)Link—16有助於通過干擾識別消除友軍間的電子攻擊互擾,通過Link—16將各平臺干擾活動狀況以及參數報告給己方其他系統,使其對接收到的輻射信號進行自動識別並判斷是否是友軍的電子攻擊信號。

美國海軍還在積極開發電磁戰鬥管理(EMBM)系統,旨在將不同軍種和不同平臺上的雷達對抗系統(MALD—J、NGJ等)整合成為一個網路,開展網路化分散式的協同對抗。電磁戰鬥管理能力可對空中、地面和海上的電子戰裝備進行視覺化的控制,實現聯合對抗的即時指揮與控制。不同的雷達對抗系統相互協調地工作,能夠顯著提升能力較弱的干擾機的作戰效能,從而最大程度地發揮整個電子戰網路的作戰效能。

此外,美國陸軍的電子戰規劃和管理工具等系統也可以協調陸軍的感測器和雷達對抗裝備,實現軍種級的網路化分散式協同對抗。由此可見,網路化分散式協同對抗已成為主流的體系對抗形式。

(中國電子科技集團公司第二十九研究所 常晉聃王燕朱松王曉東)