有源电子扫描阵列雷达技术.doc

有源电子扫描阵列雷达技术 王德纯 中国电子科技集团公司第十四研究所 有源电子扫描阵列（AESA）雷达技术一概述1 定义, 有源电子扫描阵列AESA（Active Electronically Scanned Array）雷达。又称有源相控阵APAR（Active Phased Array Radar）雷达,是相控阵雷达PAR（Phsed Array Rarar）的一种。与其对应的是无源电子扫描阵列（PESA）雷达。由于AESA独特的优点和广泛的应用潜力，目前常常被作为雷达技术的前沿和新技术体制 标志：雷达发射机和接收机由大量小的固态收发模块组成； 空间叠加集成大功率2 历史 经典雷达： 大功率发射机 产生高功率脉冲 磁控管或速调管 物理转动的天线 形成特定方向波束 并实现空域搜索 接收机 把微弱信号放大到一定电平去显示和测量 1960年代： 出现了能控制发射信号延迟的固态器件（电子移相器），直接导致了第一部无源相控阵（PESA）（简单的相控阵）雷达的诞生。即先把发射机产生的大功率信号分成很多路，每一路经过指定的电子延迟送到各天线单元，控制延迟使各天线的辐射在特定方向叠加，其他方向抵消。雷达波束可以实现比物理的旋转天线快得多的扫描。 1980年代： 固态电子学的进一步发展导致了AESA雷达的产生； 首先是接收电子学的进步 砷化镓器件的发展大大了接收电子设备的体积，可以小到仅有几个立方厘米。结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管的发展又可以使发射系统做得同样好。 现在MMIC 单片微波集成 雷达系统的发射机接收机和天线可以集成到一个“单片”收发模块中。体积可以如一片口香糖。 下一代AESA 宽带数字天线 3 AESA的优势1）更快的波束形成和捷变能力。可以采用DBF 雷达波束可以以更高的刷新率搜索和跟踪更多的高速目标；波束装换时间 数十纳秒。而PESA需要数十微妙； 2）作用距离大幅增加 功率空间合成大功率；TR与天线直接耦合 发射接收馈电损耗小 输入噪声干扰小 接收灵敏度提高通常6DB； 3）显著提高雷达可靠性 单元失效影响小 10%无显著影响 30%系统增益下降3DB 可维持基本性能； 4）提高同时多功能性能 除时间分割外 可空间分割 子阵分割 频率分割 同时多频发射； 一部分TR模块完成一张功能另外的TR模块完成其他功能； 5）大幅改善隐身性能 低截获（LPI）性能和低观测性能，隐身飞机雷达的必选； 6）抗干扰能力强 LPI 扩时 扩谱；波束捷变； 可以单个脉冲同时多频发射接收； 脉间变频（多普勒滤波除外）；干扰跟踪 自适应置零； 7）可以DBF 扩大雷达系统动态范围； 改善相位噪声； 降低对模拟器件的要求； 3 现代陆海空天攻防对雷达提出新要求 1）目标特点：高速 隐身 超低空超高空 密集 2） 电磁环境： 假目标 诱饵 干扰 杂波 3） 探测能力： 指在规定时间和空间（距离 角度）发现所有要探测的目标的能力； 远程 高数据率 多目标探测能力；4） 分辨能力：常规分辨； 高分辨（成像）； 精细的目标参数分辨和成像能力； 多维分辨能力； 5） 测量能力： 指在规定时间以规定的测量精度完成所有要测量目标的测量能力； 精密的多目标特征和参数跟踪测量能力；6） 识别能力 特征测量 目标多信息感知； 不同层次；7） 灵活多变的工作模式和抗干扰能力： 工作模式； 抗干扰；二 雷达系统信号与目标信息 1 雷达系统信息模型 1） 雷达的本质：利用电磁波信号参数（幅度等）提取目标信息（距离等） 2） 雷达信号流程： 发射（时频）波形和功率产生； 发射天线波束（波形）辐射； 照射目标（信息体制）并反射； 接收天线（波束体制）接收； 信号接收处理（解调）； 目标信息提取（反演）； 3）目标信息调制：目标大小回波信号幅度强弱（RCS）; 目标距离回波信号延时（包络或相位）(R); 目标方向回波信号等相位面(A,E); 目标速度回波频率移动（多普勒）; 目标长度回波时间序列长度(L); 目标形状回波时空阵列调制(成像)； 目标微动回波微多普勒（旋转和震动）； 目标翻滚回波时间序列调制 目标对称回波极化状态 4）雷达信号信息模型 时频信号波形与发射功率产生S(t) 发射天线波束产生与空域调制G(A,B) 目标反射调制T(X) 接收天线波束产生与空域调制G( ) 接收信号处理的滤波解调 目标信息提取反演 2 雷达电磁信号时频域波形 1）非相参时频波形； 技术体制特点：相邻脉冲间的相位不连续（自激震荡） 探测性能 测量性能 “点” 目标 抗干扰能力 体制：经典； 2）相参时频波形； 技术体制特点：相位连续相关 探测性能 测量性能 点 目标 抗干扰 体制：MTI MTD雷达 脉冲压缩雷达 脉冲多普勒雷达 相控阵雷达 3）宽带时频波形； 特点：宽带高距离分辨 测量 线目标 长度 面目标 形状 （与SAR ISAR 结合） 体制 HRR SAR ISAR 4）微多普勒信号； 测量 目标微动态（振动 转动） 3 雷达电磁信号空间域波形 1）单站多波束体制 单脉冲 DBF； 2）多站与组网体制 多基地 组网 MIMO； 3）移动波束体制 SAR ISAR；4 空时二维自适应波形 AESA 5 雷达电磁信号极化域波形 矩阵信号 三 电子扫描雷达（ESAR）原理 1 雷达波束概述 1）作用： 聚焦能量 角度测量 空域信号处理 2）面天线波束形成（图） 3）阵列天线波束形成（图） 4）等相位波前传播（图） 5）远区场与近区场（图） 2 雷达波束的机械扫描（MSA） 波束空域搜索和目标跟踪的机械实现(天线与天线座的物理运动)； 天线视轴的物理地指向目标；3 雷达波束电子扫描原理天线口面的等相位面法线辐射原理； 天线单元电磁波辐射前的相位改变-移相； 4 电子扫描实现方法 频率扫描 改变频率以改变同一传播路径中不同辐射口的信号相位（图）； 相位扫描（相控阵）用移相器改变不同单元的信号辐射相位； 5 电子扫描雷达（ESA）基本架构1）线阵和面阵 线阵 两种（图） 应用 一维电扫 三坐标雷达 面阵 （图） 二维电扫 2）无源阵和有源阵 无源阵 (P ESA)（图） 有源阵（AESA）（图） 3）强馈阵和空溃阵 强馈阵（图） 空溃阵（图） 4）稀疏阵（图） 5）共形阵（图） 6）机会阵（图）6 电子扫描缺点 电扫缺点是单面阵最大覆盖 120度 而通常雷达任务要求半球空间覆盖 解决办法 多面阵（二 三 四） 与机械扫描结合四 有源电子扫描阵列雷达与数字波束形成技术1 AESA雷达基本架构 AESA(图) 自适应AESA(图) 1 波束形成种类： 从技术：模拟波束形成（ABF）（图）； 数字波束形成（DBF）（图）； 从方法：时域波束形成； 频域波束形成； 从系统：常规波束形成； 自适应波束形成（ADBF）（图）； 2 数字波束形成（DBF）原理 1）图示 2）数学推导 Y=(i=1到N)XiWi 3）单波束形成；（图） 4）多波束形成；（图） 5）AESA为DBF提供平台。而DBF又使AESA如虎添翼；3 数字波束形成的好处 1）增大雷达动态范围 ； 2）改善相位噪声； 3）降低对模拟部件的要求； 4）适用LFM波形； 5）空间角度估值； 4 数字波束形成技术 1）子阵技术； 2）波束置零技术；5 自适应数字波束形成技术 （图）；6 有源电子扫描阵列雷达体系结构 （图）五 有源电子扫描阵列雷达（AESA）关键技术（实现和推动AESA雷达不断发展的关键技术）1 系统时间功率管理（总体技术） 时间管理 功率管理 频谱管理2 数字T/R组件和通道接收机 TR组件 通道接收机3 ADBF处理和信号处理算法 ADBF 信号处理4 系统冷却 水冷5 微波单片集成器件 包括单片系统（system on chip）6 宽带数字天线技术 DARPA的AESA的研制演示计划（授于诺-格公司） RF直接A/D D/A 宽带 K 动态范围 六 有源电子扫描阵列（AESA）雷达举例 1 F-22先进战术战斗机火控雷达（AN/APG-77） 雷达体制 AESA PD 研制 方 诺-格公司（Northrop Grumman Corp） 雷神公司（Raytheon Systems Company） 服役时间 21世纪初 美国空军 飞机功能 以低可观测性 高机动性 和高灵活性对超视距敌机进行攻击 也能进行近距格斗空战 先敌发现 先敌发射 先敌命中 RCS 0.1平方米左右 开发阶段 1998年4月 第一套APG-77雷达硬件和软件交付波音公司的F-22航空电子综合实验室进行综合测试和鉴定试验 此后作为APG-77工程开发（EMD） 有11部雷达在诺-格公司马里兰州测试实验室进行系统级综合与测试 1999年开始全尺寸雷达生产 2004年形成初步作战能力 雷达功能 远程提示区搜索（Cued Search） 中程速度距离搜索（Velocity range search) 单目标和多目标跟踪 空空导弹发送制导修正指令（AMRAAM） 目标识别（ID） 威胁判断（RA） 气象探测 扩展功能 空地合成孔径雷达地图测绘 改进的目标识别 扩大工作区 雷达参数 X波段 体制：AESA PD DBS SAR ISAR 扫描范围 + - 60度 MTBF 整机400 天线2000 H 冷却方式 液体冷却 波束锐化 8:1 64:1 最高分辨率 0.3米（ISAR方式） TR单元 1956（2200 2000）个MMIC单元 封装成1100（1000）个TR模块 体积犹如一片口香糖 工作模式 空空模式 空地模式 空海模式 TWS模式 作用距离 典型作用距离 193公里 （120英里）（对1平方米目标拦截概率86%）160英里（迎头目标 RCS 5 +-60度搜索） 120英里（TWS 多目标跟踪方式） 80英里（实波束地图测绘方式） 40英里（GMTI对地面海面目标） 跟踪目标 30（空中目标） 16（地面目标）2 AN/TPY-2（FBX-T）陆基可移动弹道导弹防御雷达（通常称为X波段雷达） 雷达研制 雷神公司 历经演示验证型号阶段（DEM/VAL）,用户操作评估型号阶段（UOES）,工程制造型号阶段（EMD）。 雷达组成 电子设备单元 天线系统单元 冷却设备单元 电源单元 雷达功能 用于具备大气层内，外拦截弹道导弹的THAAD导弹防御系统。搜索探测跟踪和识别弹道导弹威胁；并能无缝集成到各种弹道导弹防御系统以及落点估算和毁伤评估。除了用于支持美国陆军THAAD系统，还部署在世界各地，持续提供前沿弹道导弹防御能力，成为全球弹道导弹防御体系的重要组成设备。实现对各国弹道导弹发射的监视与跟踪。 工作模式 终端模式（TBM）,作为火控中心支持THAAD武器系统 前哨模式（FBM），作为预警及防御系统的指挥控制通信战场管理 工作波段 X波段 提供精细分辨力 工作频率 8.55-10 GHZ 技术体制 AESA DBF ISA