第1章 先进多功能雷达系统概述
本章介绍先进多功能雷达发展及其给电子侦察带来的挑战，阐述智能化感知识别技术研究的重要理论意义和应用价值，1.1节简介先进多功能雷达的发展历史，1.2节描述不同搭载平台的国内外典型多功能雷达系统概况，1.3节描述先进多功能雷达给电子侦察技术带来的具体挑战。
1.1 先进多功能雷达发展历史
本节从先进多功能雷达的基本组成和功能内涵出发，对相控阵先进多功能雷达的发展历史进行介绍。
1.1.1 先进多功能雷达基本概念
雷达的基本概念形成于20世纪初，但是直到第二次世界大战前后雷达才得到迅速发展。早在20世纪初，欧洲和美国的一些科学家已经对物体反射电磁波的现象有所了解。1922年，意大利人C.马可尼发表论文验证了无线电波检测物体的可能性。美国海军实验室发现，用双基地连续波雷达能发现在观测海域间通过的船只。1925年，美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并*先用它来测量电离层的高度。20世纪30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40km、能探测飞机的脉冲雷达。1938年，英国在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌方飞机的早期预警雷达链。第二次世界大战期间，由于作战需要，雷达技术迅速发展，雷达的威力也得到不断提升，相应工作频段也有了很大的扩展。为了侦测敌方潜艇，英国自1935年开始研制机载雷达。世界上**台机载雷达出现在英国。1937年7月进行了*次雷达空中试验，观察海面军舰并协助航行与着陆。1940年，英国批量生产的*批米波波段空对海搜索雷达ASV/ASⅡ型和空空截击雷达A型装备飞机并投入使用。1940年2月，磁控管在英国研制成功，自此机载雷达进入微波波段时代。
经过一个多世纪的发展，雷达领域已经发展出了多种功能、体制和用途的雷达。按照应用领域的不同，雷达可分为军用雷达和民用雷达；按照装载平台的不同，雷达可分为面基(地面、舰载、车载)雷达，空基(机载)雷达和天基(星载)雷达；按照功能的不同，雷达可分为预警/搜索、侦察/测绘、火控/制导、航管、靶场测量、气象、探地、防撞、生命探测等类型；按照体制的不同，雷达又可分为无源/有源、脉冲多普勒连续波、成像、相控阵、双多基地等类型。按照信号形式的不同，雷达还可以分为调频/连续波、脉冲(相参与非相参)等类型[1]。
本书研究的多功能雷达(Multifunction radar，MFR)是指能同时搜索、跟踪、识别多批目标并控制和导引多种武器作战的雷达。多功能雷达能对指定的空域、地域或海域进行自动搜索、跟踪或边搜索边跟踪，掌握数百批甚至上千批目标，并同时跟踪上百批目标；能同时引导多架飞机、制导多枚导弹拦截多批来袭的目标；能根据目标环境自适应地调整雷达工作方式，如改变发射信号形式和能量、天线波束指向和扫描速度；具有较强的反干扰能力和防反辐射导弹攻击的能力，以及对非合作目标的识别能力等。有的还具有作战效能评估等其他战术功能。
雷达的多功能性与天线类型无关，如机械扫描的AN/APG-65\70和73雷达已经在作战中演示了多功能性，但电子扫描天线阵列更容易实现多功能。电子扫描阵列通过相位控制、频率控制和时间控制实现波束扫描。其中相控阵雷达是昀常见和昀典型的MFR，其使用相位控制实现波束的无惯性快速扫描能力。相控阵又分为有源和无源，而有源相控阵将是多功能雷达的主要技术体制。早期的多功能雷达为边搜索边跟踪多功能雷达，使用相同的RF硬件，通过交错进行数据收集支持多个活动或模式。随后相控阵技术获得发展，与多功能雷达相结合，相控阵多功能雷达成为主流。早期相控阵技术不够成熟，多功能雷达多采用无源相控阵。随着有源相控阵技术的有效性和可靠性被验证，有源相控阵多功能雷达逐渐替代无源成为主流。随着超宽带阵列、自适应数字波束形成技术、多输入输出技术、空时自适应处理技术、微带天线技术、光电技术、半导体技术和相控阵软件设计等高新技术的迅速发展，多功能相控阵雷达的发展又将进入数字化相控阵雷达的一个全新阶段。
1.1.2 相控阵先进多功能雷达发展历史
相控阵雷达通过电子扫描阵列实现波束指向在空间的瞬时配置。相控阵雷达发展的直接需求来自于冷战期间洲际导弹预警，空间轨道监视等军事需要。雷达需要在广阔的空间体积中搜索检测再入体(Reentry Body)以及跟踪多个目标以进行作战管理。此外，相控阵天线理论与实践，以及数字计算机技术的进步直接催生了战略相控阵雷达技术。图1.1描述了美国相控阵技术和数字处理节点发展的时间线。
无源相控阵雷达(Passive Phase Array Radar，PPAR)中的“无源”是指天线表面的阵列单元只有改变“信号相位”的能力而没有发射信号的能力。由于每个阵列单元自身不主动发射电磁波信号，所以被称无源相控阵。20世纪70年代和80年代发展起来的雷达系统通常是无源阵列，射频功率由一个集中式发射机通过波导传输，并采用发射波束形成网络将功率分配至每个单元，每个天线单元通过移相器来实现波束扫描。
图1.1 美国相控阵雷达技术发展
有源相控阵雷达(Active Phased Array Radar，APAR)中的“有源”是指天线表面的每一个阵列单元都完整地包含信号产生、发射与接收的能力。由于每个阵列单元都可以单*作为信号源主动发射电磁波，所以被称有源相控阵。有源相控阵技术具有多目标、远距离、高可靠性和高适应性等优势，正由雷达向通信电子、定位导航等多领域发展。20世纪80年代后期，砷化镓单片微波集成电路技术出现，并在整个90年代持续发展成熟。美国约翰 霍普金斯大学应用物理实验室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory，APL)通过协同作战能力(Cooperative Engagement Capability，CEC)计划率先将有源相控阵技术引入水面海军系统。随后，APL为雷锡恩公司在20世纪90年代后期开发和部署的舰载CEC有源相控阵提供了技术指导。这些尝试证明了舰载有源相控阵技术的有效性和可靠性，为该技术在舰载雷达系统中的应用铺平了道路。随着MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)技术的不断成熟和产品化，有源相控阵架构成为21世纪前十年先进雷达发展的标准方法，有源相控阵雷达具备高性能、高生存能力，能满足雷达的探测距离、数据更新率、多目标跟踪及测量精度等众多需求。
由于相控阵体制在多任务执行方面具有天然优势，加上相控阵在往低成本、小型化方向发展，50年来，多功能相控阵雷达在很多领域得到了迅速发展和广泛应用。包括反导预警、防空预警、空间目标监视、航空管制、引导识别、战场侦察、电子对抗等。雷达的载体也从地面发展到机载、舰载、星载以及弹载等形式。例如美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、陆基高空区域导弹防御系统(THAAD，萨德)的AN/TPY-2雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的AN/SPY-1、AN/SPY-6(V)雷达、未来装备于美军航母和大型舰船的AN/SPN-50雷达、机载F-15上的AN/APG-63多功能火控雷达、B-1B轰炸机上的AN/APQ-164雷达、F-22战斗机的AN/APG-77雷达、F-35联合攻击机的AN/APG-81雷达等。
其中机载相控阵雷达是典型的多功能雷达应用。美国早在1964年就开始了机载有源相控阵雷达的研究工作，开展雷达微电子计划，验证了机载有源相控阵的可行性。20世纪70年代，美国又开展了可靠机载固态雷达(Reliable Airborne Solid State Radar，RASSR)计划，验证了机载有源相控阵的可靠性。紧接着20世纪80年代，砷化镓半导体器件的出现，验证了功率效率和经济上的可行性。20世纪90年代，代表机载多功能雷达发展方向的有源相控阵多功能雷达AN/APG-77研制成功，标志着机载多功能雷达新时代的到来。在欧洲，英国、法国和德国联合研制机载多功能固态阵列雷达(Airborne Multifunctional Solid-State Array Radar， AMSAR)，将用于法国的阵风(Rafale)战斗机和欧洲联合战斗机的研制计划中。新世纪以来，日本、俄罗斯和以色列紧随美国、欧洲之后，也都在研制机载有源相控阵多功能雷达[2]。这些先进体制多功能雷达给现代电子侦察设备带来了极大的挑战。
1.2 典型先进多功能雷达系统
本节根据多功能雷达的不同运载平台对国外的典型先进多功能雷达进行介绍。
1.2.1 地基多功能雷达系统
1.2.1.1 爱国者雷达
AN/MPQ-53和 AN/MPQ-65是“爱国者”战术防空导弹系统中的两款多功能雷达，如图1.2所示。
图1.2 “爱国者”战术防空导弹系统中的多功能雷达
AN/MPQ-53雷达是美国雷神公司于1967年开始研制的一部频率捷变多功能C波段相控阵雷达，并于1974年开始装备。该雷达可以完成中、高空监视、敌我识别(Identification Friend or Foe，IFF)、跟踪制导和电子对抗(Electronic Counter Measures，ECM)等“爱国者”战术防空导弹系统所需的多种功能，是“爱国者”系统的重要组成部分。天线为平面相控阵，安装在半挂底盘车M-860上，由M-818拖车牵引。天线组合有若干辅助阵列用于目标探测和跟踪、导弹制导和敌我识别。辅助阵列还用于旁瓣对消和导弹制导信号的接收 [5]。
该雷达采用时间分割方式对目标进行搜索、跟踪、制导和电子反干扰(Electronic Counter-CounterMeasures，ECCM)功能，可产生多达32种不同的雷达波形。对每种功能的数据率也能单*选择以得到54种不同的工作模式。各种功能之间无需时间间隔，这大大增加了敌方电子干扰(Electronic CounterMeasures，ECM)的难度。AN/MPQ-53/53雷达可同时跟踪100个目标，控制9枚导弹发射。
2016年，雷神公司在AN/MPQ-53的基础上改进出了AN/MPQ-65雷达。AN/MPQ-65雷达*先增加了雷达的功率，用双行波管替换了雷达发射机原有的行波管和交叉放大器，使雷达平均功率增大了1倍，增强了对小反射截面目标、低空飞行巡航导弹、超高速目标的探测跟踪能力；其次改进了雷达主计算机的作战软件，进一步优化了分时操作技术，以提高对目标的分类、分辨和识别能力。通过进一步细化工作时序，AN/MPQ-65雷达能更加精确地确定目标长度、雷达截面积和速度，能自动分析、捕获目标，并能从诱饵和碎片中分辨出战斗部，使雷达对目标的跟踪能力大大提高。同时，因增大了雷达功率并添加了拦截导弹的Ka波段主动导引头，雷达对单个目标的制导时间和能量的消耗减少，使得AN/MPQ-65雷达同时拦截目标的数量也有了大幅增长。当前使用“爱国者”防空反导系统的国家包括美国、荷兰、德国、日本、以色列、沙特、科威特、希腊、西班牙、韩国、阿联酋、卡塔尔、罗马尼亚和瑞典，还有我国台湾地区。
1.2.1.2 丹麦眼镜蛇雷达
AN/FPS-108雷达，又称“丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)”雷达，是美国雷神公司于1973年开始研制的一部 L波段相控阵雷达，并于1977年开始装备，见图1.3。该雷达的研制目的是获取苏联洲际导弹试验情报，作为空间探测和跟踪系统(Space Detection And Tracking System，SPADATS)的组成部分，对空间目标进行分类和跟踪，并担负战略预警任务。
AN/FPS-108雷达系统主要由相控阵天线、发射机、控制分系统、波束控制器、接收机/波形产生器，信号处理器和专用计算机组成。天线的直
展开
