数字阵列雷达和我国新型预警机

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元月18日，本年度国家最高科学技术奖被授予我国著名雷达专家王小谟同志，以表彰他为我国雷达工业进步所作出的卓越贡献。
王小谟同志是我国雷达领域的权威和泰斗，也是我国预警机系统领军人物理，为我国防空雷达及预警机的发展作出了突出贡献，打破了国外对我国的封锁和禁运，有力的维护了国家安全，被尊称为“国产预警机之父”。

在王小谟同志先进事迹中，我们惊喜的发现，我国预警机已经采用了数字阵列技术，这是在国际上首次采用这个技术，数字阵列技术是当前国际上的最新技术，是预警机未来发展方向。基于数字阵列雷达和中国国产运载飞机的新型中型预警机由此开始研制，通过“小平台、大预警”，摆脱了中国大型预警机对进口飞机平台的依赖，解决了中国预警机装备的规模建设问题。所谓数字阵列雷达-DAR，指的是雷达直接利用数字合成器件进行信号的生成、发射和接收，移相和幅度加权，从而实现波束在空间的扫描，接收时再用数字波束形成进行接收，利用数字式信号、数据处理系统进行处理，从而提高雷达的性能。



空警2000标志着我国已经掌握了机载 有源相控阵雷达技术

虽然雷达也被称为数字式雷达，但是只是在信号和数据处理这一块实现了数字化，一些新型雷达也采用了数字波束形成技术，但是在信号的生成、发射等仍旧采用模拟器件，例如现代有源相控阵雷达虽然它的性能比普通雷达有较大的提高，但是目前使用的T、R模块仍旧使用模拟技术，因此重量仍旧偏大、线缆连接复杂、功能可重构性能较差，以目前机载有源相控阵预警雷达为例，它的大部分设备位于天线罩内，重量可以达到数吨，其中线缆就达到五分之一左右，大量的射频电缆以及联接个带来了难以克服的信号损耗，降低了系统的探测性能，也加大了系统的重量，而载机有限的载重也因为这个原因被大量浪费，在这种情况下，数字阵列雷达应运而生。



我国空警200预警机

数字阵列雷达的核心是数字收、发单元技术(DAM)，，它可以利用数字频率合成-DDS技术完成发射波束所需的幅度和相位加权以及波形产生和上变频所必需的本振信号。发射数字波束形成系统根据发射信号的要求，确定基本频率和幅／相控制字，并考虑到低副瓣的幅度加权、波束扫描的相位加权以及幅／相误差校正所需的幅相加权因子，形成统一的频率和幅／相控制字来控制DDS的工作，其输出经过上变频模式形成所需工作频率。数字T／R组件能完成各种不同形式发射信号的产生和转换。其次，它能实现频率的转换，在发射通道把数字信号转换为射频信号，在接收通道把接收到的目标模拟信号转换为信号处理机所需的数字信号。另外，发射信号所需的相移完全用数字的方法实现，因此其移相的位数可以做得很高。



巴基斯坦空军装备的ZDK-03预警机

与普通有源相控阵雷达相比，数字阵列雷达有以下的优势，幅相控制精度高、瞬时动态范围大、空间自由度高、波束成形灵活，相应的它的探测能力更强，探测复杂目标能力强，数字阵列雷达系统瞬时动态范围大，可无损失地保留强杂波背景下的小目标信息，为提高探测小目标能力提供了条件。同时数字阵列雷达空间自由度高，为STAP优化处理提供了充分的自由度，为提高低径向速度目标探测能力提供了条件。此外，利用数字阵列雷达在不损失信噪比情况下灵活的同时多波束特性，可提高雷达的空域覆盖性能，满足同时探测高空、低空目标的需求。因此，数字阵列雷达满足探测复杂目标的需求。数字阵列雷达幅相控制精度高，为实现有源超低副瓣天线提供了条件，而超低副瓣天线有利于提高雷达抗干扰性能。数字阵列雷达大的瞬时动态范围，减小了强主瓣杂波对探测目标的影响；数字阵列雷达高的空间自由度，可优化杂波抑制算法，提升对复杂特性杂波的抑制。因此，数字阵列雷达在复杂地形环境下的目标探测性能好，满足在复杂地形环境下工作的需求。另外多功能能力强，探测精度，



JYL-1雷达采用了数字成行技术

我国从上世纪90年代开始对数字阵列雷达进行跟踪和研究，先后突破数字式T、R技术、数字频率合成、数字波束形成等关键技术，另外在大容量光纤通信、A、D转换器件等领域也有了较大的进展，根据军用电子技术元器件手册一书，国内研制的A、D转换器已经可以达到14位，250M的采样速率，这些都为国内研制数字阵列雷达打下了坚实的基础，本世纪初我国14所和38所先后完成了小规模数字试验阵列的研制，在此基础上又研制了试验型的数字阵列雷达，并且将其技术运用到实际型号之中，由38所研制的我国新一代对空警戒雷达JYL-1就采用了数字成形接收技术，另外该所还研制成功S波段数字阵列气象雷达，这些加上机载数字阵列预警雷达，都表明我国已经将掌握了数字阵列雷达技术。



平衡木天线存在着较大的限制

从报道来看，我国新一代中型预警机采用的是“小载机、大预警”的概念，就是思考能否用国产中型飞机实现背负式大圆盘，打造类似美国E-3A性能的预警机，以验证“小平台、大预警”技术，解决大型预警机载机的国产化难题，并通过研制工程的延伸来继续锻炼培养预警机技术队伍。从这个描述来看，显然不是我国空军现在装备的空警200预警机，因为空警200采用的是平衡木天线，这个天线的优点就是侧向孔径大，则功率*孔径是评估雷达探测性能两个最重要的参数，瑞典的SAAB-2000“平衡木”预警机在载机远小于E-3A的情况下，得到了与后者相当的天线孔径，这样就保证了它的探测距离，但是平衡木的缺点就是不能实现全向探测，平面相控阵天线的缺点就是波束偏离天线法向的时候，波束会展宽，从则降低天线增益，影响雷达的探测距离，所以平面相控阵天线的极限扫描角度一般在60度左右，这样一个天线的左右扫描角度就是120度，两个天线加一块就是240度，无法实现全向覆盖，为此平衡木预警机的解决办法就是采用8字形的巡航路线来弥补，不过仍旧无法解决飞机飞离目标区的时候，探测能力下降的问题，另外一种解决方法就是E-737，它在平面相控阵天线中加装了一个前向天线，也就是所谓的““契尾”，为了降低对飞机气动的影响，这个前向天线的孔径较小，因此探测距离受到限制，所以并没有从根本上解决问题。



契尾天线 也没有从根本 上解决问题

因此我国新一代中型预警机可能仍旧采用了传统的背负式圆盘雷达罩，里面象空警2000一样，配备了三角形的数字阵列天线，背负式圆盘天线罩的优点就是前、后向天线孔径大、全向探测距离、精度比较均匀，空情信息掌握能力比较连续，机身振动对于雷达影响较小，但是它的缺点就是飞机阻力增加较多，考虑到支柱及旋转等机构，飞机改装难度和工作量较大，特别是由于雷达天线罩较大，对于飞机空气动力性能影响较大，所以它的尺寸和安装位置都受到较大的限制，例如安装位置要尽量布署在重心之后，并尽可能的靠近重心，在满足雷达性能的条件下，尺寸应该尽可能的减少，根据国外的经验来看，背负式圆盘天线罩的直径一般要小于飞机机长的0.3，雷达罩厚度和雷达罩直径之比小于0.2，以E-3A为例，它的机长为46米，雷达天线罩的直径只有9.14米，两者之比仅为0.2，雷达天线罩的厚度为1.8米左右，双方之比也在0.2左右。根据相关资料:运-8的机长大约为35米，按照这个比例，如果采用圆盘式雷达罩，它的直径应该在10米以下，比较理想的数字应该是7米左右，相应的厚度只有1.4米，需要指出的是运-8中型预警机的雷达天线是三角排列，因此它的长度和厚度还要降低，这样它的天线孔径就受到了进一步的限制，相应的探测距离就受到影响。



中国空军伊尔-76数量不足

许多人可能会问，那么我国为什么不选择更大的飞机呢？ 答案很简单，我国目前还不能自行生产大型运输机，改装大型运输机只能依靠进口的伊尔-76，但是空军目前伊尔-76数量有限，大约只有20架左右，如果想保持在一个地区24小时都有预警机执勤，则飞机最低数量是3架(一架在空中，一架 空中或者地面处于战斗状态，一架在地面作为备份)，考虑到飞机可能发生故障需要替代，那么这个数量就应该是4架，这也是我国空军目前改装4架空警2000的原因，但是从可靠性出发，那么这个数量最好是6架以上，即每个环节都有一架备份的飞机，但是伊尔-76做为我国空军主力运输机，承担着大量的空运空投、试验演习任务，再加上用于预警机的原型机、发动机测试等原因，空军实际上也无法抽调出更多的飞机进行改装，本世纪初我国空军曾经向俄罗斯采购了第二批伊尔-76飞机，但是伊尔-76的总装厂在乌兹别克斯坦的塔什干，俄罗斯出于自身的利益，对于前苏联加盟共和国有军工企业采取了饿死战略，塔什干飞机厂实际上已经失云了生产伊尔-76的能力，俄罗斯自身的能力又没有建立起来，国产运-20大型运输机还没有试飞，在这种情况下，空军就要求国产中型预警机进行升级，以作为空警2000的补充。



这架飞机可能是我国新一代中型预警机的试验机

那么我国空军为什么要放弃空警200，笔者分析可能是应该机空情掌握能力不够连续，在目标密集情况下能力受到限制，对于瑞典这样的中小国家来说，这个缺点可以接受，但是对于我国空军来说，在解决了预警机有无问题之后，这个缺点就比较突出，实际上巴基斯坦空军没有采购空警200而选择了ZDK-03也说明了这个问题。既然是以运-8为载机，那么它的雷达罩尺寸就要受到限制，降低了探测距离，那么如何在功率*孔径的情况下保持甚至提高雷达的性能，雷达探测距离公式来看，决定雷达探测距离其他参数还有接收机灵敏度、信号获取能力，而数字阵列雷达在这方面有较大的优势，同时采用了数字式收发系统，降低了损耗，也提高了雷达的探测能力，从文章中来看，我国运-8中型预警机是当今第一个采用数字阵列的预警机，的确代表着世界领先的水平。



F-22和AIM-120D对预警机提出了挑战

更重要的是随着运-20的试飞，那么它的机身长度在50米左右，这样雷达罩的直径可以达到10-15米，这样就可以扩大雷达天线的孔径，再配合数字阵列技术，可以进一步提高探测距离，有助于对抗隐身飞机，目前机载预警雷达的目标RCS设定为5平方米左右，这样现代预警机对于目标的探测距离大约是400-500公里，但是对于F-22这样的隐身战斗机下降到200公里，随着AIM-120D这样的远程空空导弹的装备，F-22已经可以在预警机探测到自己之前对其发起攻击，由于双基地雷达等新体制雷达距离实用还早，因此在近期采用数字阵列的有源相控阵雷达被视为对抗隐身飞机的比较现实选择，它可以较为有效的提高预警机对于隐身飞机的探测能力。从这个角度来说，此次数字阵列雷达在国产预警机上实用意义重大。

可以想像，随着国家经济技术的发展，在以王小谟同志为代表的科技人员努力下，我国未来预警机的性能会更好，空军作战能力会更强，更好的维护国家安全和利益。