浅析有源电子扫描阵列雷达

有源电子扫描阵列通常称为AESA，是一种相控阵雷达系统。它由一系列天线阵列组成，这些天线阵列形成天线波束，可以在不实际移动天线的情况下对准不同的方向。AESA系统目前用于许多不同的军事平台，包括军用飞机和无人机，以提供出色的态势感知能力。

随着无源电子扫描阵列（PESA）雷达的发展，ASEA技术的发展可以追溯到1960年代初，该系统是一种固态系统，可从单一信号源获取信号，并使用移相器模块选择性地延迟某些部件同时允许其他部件进行无延迟传输。以这种方式发送信号会产生不同形状的波束，有效地将信号束指向不同的方向。

第一个AESA系统是在1980年代开发的， 与旧的PESA系统相比具有许多优势。  与使用一个发射器/接收器模块的PESA不同，AESA使用许多发射器/接收器模块，这些模块与天线元件连接，并可以产生多个同时、频率不同的雷达波束。从上世纪60年代开始，历经40余年的努力，有源电子扫描阵(AESA)，通常也称为有源相控阵技术，终于在机载雷达上取得了成功的应用。

国际在线报道：美国国防部国防科学委员会主席的一份关于发展美国军用机雷达的建议报告中特别强调了有源相控阵技术可以极大地扩展雷达的功能和提高雷达的性能， 21世纪美国的战斗机雷达、预警与监视飞机的雷达都应是AESA体制的。

AESA雷达系统如何工作

典型雷达系统通常通过将天线连接到功能强大的无线电发射器以发出短脉冲信号来工作，然后断开发射器的连接，将天线连接到灵敏的雷达接收机，雷达接收机会放大目标物体的回波信号。通过测量信号返回所需的时间，雷达接收机可以确定到物体的距离。然后，接收机将结果输出到 显示器。发射器元件通常是速调管或磁控管，其适用于放大或产生窄范围的频率至高功率水平。如果雷达系统要扫描空域，必须移动雷达天线以指向不同的方向。

从1960年代开始，引入了能够以受控方式延迟发射机信号的新型固态设备。这就是第一个实用的大规模无源电子扫描阵列（PESA），或简称为相控阵雷达。PESA从单一来源获取信号，将其分成数百条通道，有选择地延迟其中一些通道的信号，然后将其发送到各个天线。来自独立天线的无线电信号在空间上重叠，通过控制各个信号之间的干扰模式以在某些方向上增强信号，在所有其他方向上抑制信号。

系统通过电子方式控制延迟，从而可以在不移动天线的情况下非常快速地控制波束指向。PESA可以比传统的机械系统更快地扫描空间。由于电子技术的进步，PESA增加了产生多波束的能力，使雷达在扫描空域的同时，跟踪目标，实现边扫描边跟踪或引导半主动雷达制导导弹。PESA在1960年代迅速在船舶和大型固定地点上普及（远程预警雷达），随后随着电子技术的发展，机载雷达也随之普及相控阵体制。

AESA是固态电子学进一步发展的结果。在较早的系统中，传输的信号最初是在速调管或行波管或类似的设备中产生的，这些设备相对较大。接收机的高频组件也很大。到1980年代，砷化镓微电子技术的引入极大地减小了接收器元件的尺寸，直到可以以类似于手持无线电设备的尺寸（只有几立方厘米）。J

FET和MESFET的引入在雷达系统的发射组件应用也是如此。雷达发射机应用了低功率固态波形发生器，通过射频放大器将来自固态波形发生器的信号进行放大，从而使任何这样配备的雷达都可以在更宽的频率范围内进行发射信号，发出每个脉冲都可以改变工作频率。将整个发射和接收组件（发射器、接收器和天线）缩小到单个“发射器-接收器模块”（TRM）中，将这些组件组合成AESA。

与PESA相比，AESA的主要优势在于不同模块能够以不同的频率运行。与PESA不同，在PESA中，信号是由少量的发射器以单个频率生成的，而在AESA中，每个模块都会生成并辐射自己的独立信号。这使得AESA可以产生许多同时的“子波束”，由于频率不同，它可以识别，并可以主动跟踪大量目标。AESA还可以使用来自多个TRM的组合信号的后处理，一次产生由许多不同频率组成的波束，在后续处理重新创建显示，就如何只发射单个波束的效果一样。

AESA的优势

在单脉冲跟踪体制未获使用前，圆锥扫描体制的雷达很难对付敌方施放的角度欺骗干扰；没有相参体制的脉冲多普勒雷达，就无法对付借着强大的地杂波掩护的低空入侵的飞机和导弹；没有频率捷变体制的雷达，就很难同现代战争中广泛采用的各种杂波干扰相抗衡。

相控阵技术是近年来正在发展的新技术，它比单脉冲、脉冲多普勒等任何一种技术对雷达发展所带来的影响都要深刻和广泛。进入上世纪80年代，机载相控阵雷达才初获应用。先进的机载有源相控阵雷达是近期，即本世纪初才进入服役。

AESA的成功应用是对传统机载雷达的一次革命，极大地扩展了雷达的应用领域和提高了雷达的工作性能，进而提高和丰富了作战飞机执行任务的能力和作战模式。

1.抗电子干扰  

AESA系统的主要优势之一是其对电子干扰技术的高度抵抗力。 

雷达干扰通常是通过确定敌方雷达信号的频率，然后以相同的频率发送信号来干扰雷达系统。如果该雷达系统可以随着每个脉冲改变其频率，就可以进行有效的干扰抑制。但是随着雷达的发展，干扰技术也随之发展。

除改变频率外，AESA系统还可以在宽带内分配频率，甚至在单个脉冲内也可以分配频率，这是一种称为“线性调频”的雷达技术。这些特征的结合使得与其他形式的雷达相比，干扰AESA系统要困难得多。

2.低拦截 

使用AESA雷达系统被敌方雷达预警接收器（RWR）拦截的可能性也很小。RWR允许飞机或车辆确定何时有来自外部源的雷达信号，其还可以确定信号源的方向，从而确定敌人辐射源的位置。AESA系统在克服RWR方面非常有效。因为上面提到的“线性调频脉冲”可以迅速且完全随机地改变频率，RWR很难分辨出AESA雷达束实际上是全部还是只是一部分雷达信号。

AESA天线口径场的幅度和相位都可以随意控制，可使天线旁瓣的零值指向敌方干扰源，使之不能收到足够强度的雷达信号，从而无法实施有效干扰。通过数字波束形成（DBF）技术，可以使主波束分离成两个波束，使其零值对准敌方干扰源；若干扰源位于雷达旁瓣方向，则在该方向也可以形成零值，使敌方收不到雷达信号，从而无法实行有效干扰。AESA的自适应波束形成能力是机载雷达在复杂的电磁环境中得以保持其作战能力的重要因素。

 

3.更高的可靠性  

使用AESA系统的另一个好处是每个模块独立运行，因此单个模块的故障不会对整个系统性能产生任何重大影响。AESA技术还可用于在飞机和其他配备的系统之间创建 高带宽数据链接，从而能够实现多功能。由于信号的发射和接收是由成百上千个独立的收/发和辐射单元组成，因此少数单元失效对系统性能影响不大。

试验表明，10%的单元失效时，对系统性能无显著影响，不需立即维修；30%失效时，系统增益降低3分贝，仍可维持基本工作性能。这种"柔性降级"(graceful degradation）特性对作战飞机是十分需要的。

4.多模式功能  

由于AESA雷达T/R模块中的射频功率放大器（HPA）同天线辐射器紧密相连，而接收信号几乎直接耦合到各T/R模块内的射频低噪声放大器（LNA），这就有效地避免了干扰和噪声叠加到有用信号上去，使得加到处理器的信号更为"纯净"，因此，AESA雷达微波能量的馈电损耗较传统机械扫描雷达大为减少AESA雷达技术还支持多种模式，使系统可以执行多种任务，包括：

实孔径测绘

合成孔径雷达（SAR）功能

海面搜索

地面移动目标指示和跟踪

空对空搜寻和追踪

AESA雷达具备同时多功能，即指有源相控阵能在同一时间内完成一个以上的雷达功能。它可以用一部分T/R模块完成一种功能，用另外的T/R模块完成其它功能；也可用时间分隔的方法交替用同一阵面完成多种功能。如雷达在进行地图测绘（SAR/GMTI）、地物回避、地形跟随、威胁回避的同时，还可实现对空中目标的搜索和跟踪，并对其进行攻击。

由于AESA是由多个子阵组成，而每个子阵又是由多个T/R模块组成，因此，可以通过数字式波束形成（DBF）技术、自适应波束控制技术和射频功率管理等技术，使雷达的功能和性能得到极大的扩展，可以满足各种条件下作战的需要。并能因此而开发出很多新的雷达功能和空战战术。

AESA雷达面临的挑战

与大多数技术一样，在AESA雷达技术的发展过程中，也面临着一些挑战，比如电源、散热、重量和价格等。随着技术的不断进步，已经取得了很大的进步，例如，AESA雷达的重量 在过去几年中随着尺寸的减小而减少 了一半以上，这使得AESA雷达安装在飞机上成为可能从而为战斗机在多个方向上定向并提供更广阔的视野。

AESA雷达及其未来 

随着AESA技术的发展，雷达将变得更小、价格更低。这使许多国家能够将AESA纳入地面、海洋和空中的传统雷达系统中。

认知雷达：AESA技术的发展与信号处理方面的进步息息相关。这反映了非军事领域的电子创新。由于软件的改进，手机今天可以执行比十年前更多的任务。软件创新的迅捷速度将对雷达领域产生影响，特别是在人工智能（AI）领域。做到这一点的关键在于，机器具有从目前以及过去的操作中汲取教训并将其应用于当前环境的能力。所谓的“认知雷达”可以适应人工智能的要素。

新的半导体材料：氮化镓（GaN）已经应用在AESA领域，它是一种高性能半导体，越来越多地用于TR模块中。与使用砷化镓（AsGa）的传统AESA T / R模块相比，它具有极高的耐热性，因此能够处理高功率传输，从而提高了雷达性能。下一种高性能材料将满足以下要求：使现有的基于技术的系统“不足”，或者大幅降低制造成本。

模块小型化：摩尔定律假定单个芯片上的晶体管数量每两年翻一番。这使得电子产品功能更为强大，同时占用更少的空间。摩尔定律帮助雷达工程师将执行雷达功能的电子设备塞入单个TR模块中。雷达的设计将继续朝着微型化的方向发展，因为电子器件正在进入纳米技术领域。这可能提供将电子设备安装在不断缩小的空间中的能力，并可能有助于进一步减少雷达的物理覆盖范围。例如，AN / SPY-1雷达的总重量为65,733千克：纳米技术在雷达设计中的智能应用可以帮助大幅减少尺寸和重量，这不仅适用于军舰，而且适用于整个平台。

成本：成本是国防采购中一个长期存在的问题。与AESA雷达系统的技术性能一样，制造成本是影响AESA应用的关键因素。

使用寿命：在 2016年，在 美国陆军冬季贸易展览会上， 雷神公司首次将其基于硝酸镓（GaN）的AESA应用到爱国者（Patriot）防空和导弹防御系统，从而在国防技术领域成为头条新闻。自首次亮相以来，该系统已成功完成1000个工作小时。通过将两个面向相反方向的升级系统配对，实现360度范围空域的覆盖。

AN / APG-79 AESA雷达

F-18D/C/E/F原来配装雷达APG-65/73，其AESA改进型编号为 APG-79。该雷达仍由APG-65/73雷达的制造商雷神公司研制。APG-79采用先进的AESA体制，于2003年7月30日在美国中国湖（China Lake）海空作战中心配装在F/A-18上进行成功首飞。新雷达可以同现有F/A-18机载武器相匹配，同时，设计留有日后充分扩展的余地。APG-79 AESA雷达极大地降低了载机的雷达可观测性，即提高了飞机的隐身特性。雷达的可靠性和维护性也得到了根本的改善。

APG-79 AESA雷达为F / A-18空勤人员提供强大的功能。APG-79 AESA雷达系统代表了雷达技术的重大进步-从前端阵列到后端处理器和操作软件。这种经过战斗验证的AESA雷达系统大大提高了美国海军F / A-18E / F超级大黄蜂和F / A-18经典大黄蜂的力量，使其比以往任何时候都更强大。APG-79具有主动电子束扫描功能，从而优化了态势感知能力，并提供了出色的空对空和空对地能力。敏捷的波束使多模式雷达能够近乎实时地交织，因此飞行员和机组人员可以同时使用两种模式。

APG-79现在已为美国海军和澳大利亚皇家空军全速生产，与以前的机械扫描阵列F / A-18雷达相比，其可靠性、图像分辨率以及瞄准和跟踪范围明显更大。凭借其开放式系统架构和紧凑的现成商用零件，它以更小，更轻的包装提供了显着增强的功能。该阵列由众多固态发射和接收模块组成，可从根本上消除机械故障。其他系统组件包括高级接收器/激励器，坚固的COTS处理器和电源。APG-79（v）4汲取了经过战斗验证和可出口的APG-79 AESA雷达的技术创新，该雷达装备了美国海军和澳大利亚超级大黄蜂，并将其应用于经典大黄蜂。

除了APG-79外，雷神情报与航天还为F / A-18E / F飞机提供了其他几种系统。其中包括当前的APG-73雷达，ATFLIR前视红外瞄准吊舱，ALR-67（V）3数字雷达预警接收器，ALE-50牵引式诱饵以及各种导弹和炸弹，包括激光制导武器，例如Paveway激光制导炸弹和JSOW武器系统。

AN/APG-82(V)1 AESA Radar

APG-82（V）1 AESA雷达是美国空军F-15E机队的最新雷达技术。APG-82（V）1优化了F-15E的多用途任务能力。除了扩展范围和改进的多目标航迹以及精确的交战能力之外，APG-82（V）1还提供了比传统F-15E APG-70雷达更高的系统可靠性。这种惊人的可靠性和可维护性水平将为美国空军节省大量维护成本。

通过利用经过战斗验证的技术（在F / A-18E / F，EA-18G和F-15C平台上飞行的APG-79和APG-63（V）3 AESA雷达），提供低风险，具有成本效益的高级态势感知和攻击雷达。配备APG-82（V）1 AESA雷达的飞机可以同时探测，识别和跟踪比以往任何时候都更长的空中和地面目标。更长的对峙距离有助于持久地观察目标和信息共享。这种出色的战场意识支持更高的战术任务能力，大大提高了飞机空勤人员的效率和生存能力，APG-79 AESA雷达设计现已扩展到APG-82（V）1，已在野战F / A-18上进行了战斗力验证。

AN/APG-83 AESA Radar

美国空军认为诺斯罗普·格鲁曼公司的AN / APG-83 SABR主动电子扫描阵列（AESA）雷达已经满足在国民警卫队F-16战机上全面作战能力的准备，可以满足美国北方司令部联合紧急行动需要（JEON） ）用于国土防御。美国空军开始在南达科他州苏福尔斯的乔·佛斯场的空军国民警卫队F-16上安装APG-83雷达，这是美国第四个接受AN / APG-83  SABR AESA雷达升级的空军基地。  

美国空军寻求用最新的AESA技术取代F-16的机械扫描AN / APG-66和AN / APG-68雷达。作为F-16的“合身”解决方案而开发，SABR的安装无需对飞机的结构、电源和冷却系统进行任何重大改动。正如美国空军所指出的，SABR雷达带宽的增加将使F-16能够更快、更远地检测，跟踪和识别更多目标。诺斯罗普·格鲁曼公司 SABR计划负责人马克·罗西（Mark Rossi）说，SABR雷达使F-16战机飞行员能够更快地，在威胁范围之外，更远的距离检测、跟踪、识别和瞄准大量威胁目标，而这种升级将使多用途F- 16架与战斗机相关并且能够在未来几十年内使用的战斗机。

F16战斗机集成了传感器套件，有源电子扫描阵列或AESA雷达和集成电子战即EW系统。有源扫描阵列雷达是诺斯罗普·格鲁曼公司最先进、集成高技术核心的敏捷雷达。传感器系统具有多种空对空和空对地模式， AESA的众多优势包括同时快速扫描目标、空对空和空对地功能以及更高火控可靠性，AESA雷达空对空模式可以检测多架来袭的飞机，并最终制导多个的空对空武器。

AESA雷达可在空中和地面目标之间快速切换，高分辨率合成孔径雷达或SAR测绘可实现对地面远距离目标的精确定位和准确识别。使用雷达SAR模式能够让飞行员可以确定在哪里放大以获取更多目标细节信息，从而增加战斗力能力和态势感知能力，AESA雷达提供出色的地面移动目标指示，即GMTI，检测并指示慢速移动目标。使用AESA雷达识别潜在目标，任务系统在任何情况下，都可以实施，可以选择白天或黑夜摧毁目标，传感器都可以检测地面目标和激光制导武器。

AESA精确目标定位功能可以不断的更新目标坐标，从而具有更高的概率，对目标实施直接打击，提升战机攻击性能，在战机上，电子战套件增强了飞行员的态势感知能力， 通过识别空中和地面上的攻击武器以提高生存能力，先进的数字雷达预警接收机与电子设备的结合协助战斗人员减少暴露在在敌威胁中的机会，并对其进行干扰和对抗，识别出所有来自敌、友以及未知的信号，在必要的时候进行标识、标记和显示，并在所有模式下与AESA同时进行操作。诺斯罗普·格鲁曼公司 F-16战斗机的传感器系统套件具有出色的多任务功能能够有效支持空对空、空对地和电子战行动。   

诺斯罗普·格鲁曼公司设计了SABR-“佩刀”系统，以便于安装和生产新型F-16战斗机，并对现有的F-16 A/V和F-16 C/D飞机进行改装。“佩刀”的设计可确保不对机身进行结构修改。适合于现有功率和冷却需求，并且重量比F16上的先前机械扫描阵列轻。用于现场升级到AESA的工作非常简单，首先移除了现有雷达的四个可更换单元。拆除处理器、接收机的激振器、行波管发射机、现有的雷达架、雷达电缆和电缆支架的波导和管道系统。

最后，拆除机械扫描的天线。“佩刀”AESA安装套件包含所有必要的部件。“佩刀”雷达机架预先安装了新的雷达电缆线束，并使用现有的13个机架安装点进行安装，就像所有高性能AESA雷达一样，“佩刀”雷达阵列需要液体冷却。“佩刀”包括独立式环境控制系统或ECS，该系统可在现有冷却空气分配下运行。ECS包括一个热交换器，该热交换器将雷达的热量从液体传递到飞机提供的冷空气，并用螺栓固定在雷达机架和支架上。

它直接连接到现有的飞机ECS管道。ECS是用于冷却液的过滤器和泵。用螺栓将其固定在机架上，然后将冷却剂管线固定在“佩刀”ECS系统和新的管线可更换部件上。接收器励磁机处理器或REP是构成“佩刀”系统的两个管线可更换部件之一。REP是模块化架构，结合使用LR和接收器激励器LRU的功能。LR集成不仅允许添加ECS系统，同时保持在先前雷达系统的所占空间内，在重量更轻的情况，还可以提高性能、可靠性和故障隔离度。天线电源转换器像一个可更换线路的单元一样安装。该单元转换成一个当前分配给机械扫描雷达的交流电源的一部分，为新的AESA阵列供电。

装配在F-16战机上的AN / APG-83 AESA雷达

完成安装第二个“佩刀”LRU的AESA天线安装后，天线连接到飞机上现有的天线安装点。AESA天线非常牢固，具有高度可靠性。阵列中嵌入的各个发射接收模块取代了单行波管发射器。所有诺斯罗普·格鲁曼公司的AESA “佩刀”有源阵列均具有典型的模式交织和极高的扫描速率。空中模式可以检测到多架来袭的飞机，并最终实现多种潜在的空对空武器发射。高分辨率合成孔径雷达或SAR测绘可以向飞行员展示一幅巨大的图像，从而可以在很远的距离上精确地定位目标，并进行积极识别。可以使用“佩刀”SAR模式确定目标区域。飞行员可以确定放大目标位置图像，提高了战斗能力和态势感知能力。  






审核编辑：刘清