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解读舰载多功能有源相控阵雷达最新研究

导读:美军将作战舰艇视作防空反导节点以满足其军事战略的不断扩展,这也对舰载雷达等电子设备的探测、跟踪等能力提出了更高要求。作为雷达技术发展的主流方向,一体化集成防空、反导、反舰等多任务能力的综合化舰载有源相控阵雷达的研发更是备受美国重视,近年来所研发的AMDR、EASR与AN/SPN-50尤其代表了美军在该领域的研发方向。

在此将三种雷达的技术特点、测试情况以及部署计划等进行了梳理解析,以期对该领域的关键技术以及发展趋势等有所了解。其中,AMDR创建了利用舰载雷达实现防空反导一体、反舰/反潜/对陆多功能集成、结构和功能完全可扩展、雷达资源高度共用的能力,也将代表未来舰载防空反导雷达系统的发展方向;

EASR与AMDR采用相同的硬件、信号处理和数据处理技术等,将能够与美军的协同作战系统(CEC)联合,更精确地远程识别威胁,进一步拓展战场范围与火力空间,从而有望进一步推动美军“海军一体化防空火控”目标的实现进程;AN/SPN-50空管雷达未来则将被全面换装于美军航母与两栖攻击舰等大型舰船,解决现有雷达所面临的频谱限制问题,提升干扰情况下的目标检测与跟踪等能力,并加强美军航母抵御高超音速武器等威胁的能力。AMDR下一代多功能双波段防空反导雷达

AMDR(AN/SPY-6(V))雷达是美国海军下一代综合舰载雷达系统,是全球第一部以防空反导一体化为核心的多功能双波段有源相控阵舰载雷达,能够实现雷达资源高度共用,具备高度模块扩展性,将替代“宙斯盾”系统核心——AN/SPY-1四面阵无源相控阵雷达,并将作为阿利•伯克级“Flight III”型驱逐舰的核心配套电子装备。

技术亮点

AMDR雷达采用了模块化氮化镓半导体以及数字波束形成等多项新技术。尽管目前美国海军对AMDR的要求是比AN/SPY-1雷达的增益提高15dB,但基于开放式体系架构与模块化设计也可将雷达的增益提高25dB或者10dB。

AMDR釆用双波段固态有源相控阵体制,由1部四面阵S波段雷达(AMDR-S)、1部三面阵X波段雷达(AMDR-X)以及1部雷达套件控制器组成,通过统一接口与“宙斯盾”作战系统连接。其中,

AMDR-S负责远距离探测,用于远程对空对海搜索跟踪、弹道导弹跟踪与识别、支援对陆攻击以及导弹通信等;

AMDR-X用于超视距搜索,进行水平精确跟踪、导弹末段照射、潜望镜探测和导航等;

雷达套件控制器则协调、管理两个波段的雷达,以及AMDR与“宙斯盾”作战系统之间的交互关系,以保证AMDR雷达在导弹防御、空中防御以及海面战中快速转换其任务角色。

尽管AMDR雷达的X波段雷达由于经费、进度等原因下马,但美国开展了替代项目——“未来X波段雷达”(Future X-Band Radar,FXR),据推测该雷达将代替AMDR雷达中的X波段雷达。

总之,美军正致力于开发多个版本的AMDR雷达,将装备于航母、各型战舰以及两栖舰艇上,其最高版本AN/SPY-6雷达将由37个雷达模块(RMA)组件组成,能够将未来驱逐舰舰载雷达的灵敏度提高约100倍,从而能够更为有效地防御现有雷达无法跟踪或瞄准的空中威胁;普通版本AN/SPY-6由24个雷达模块组件组成,能够将阿利•伯克级驱逐舰舰载雷达的灵敏度提高约30倍,使其能够探测与跟踪隐身无人机、高超音速目标等。

目前“宙斯盾”基线9作战系统采用“多任务信号处理器”(MMSP),将防空与反导的信号处理集中在一块芯片上,具备了多任务并行处理能力,与AMDR的探测能力兼容。而负责该型雷达研发与生产的雷神公司还在加速其与“宙斯盾”基线10作战系统的集成。

任务能力与测试情况

AMDR可为导弹驱逐舰和7种美国海军舰艇提供优先进的综合防空反导,可同时执行防空反导等多任务,可完成对来袭导弹的远程预警探测、跟踪识别、拦截引导与毁伤评估全流程作战,还能执行反舰、反潜、远程对陆攻击等多种作战任务。

而现役的AN/SPY-1雷达在不断升级后方具备防空反导能力,且防空与反导不能同时进行,并且缺乏对潜望镜等海面小目标的探测能力,对掠海飞行导弹等低空、超低空目标的探测能力也有所欠缺。

与现役AN/SPY-ID雷达相比,AMDR-S的探测距离提高了2倍,可探测的最小目标体积仅为AN/SPY-ID的1/2,覆盖范围提高13倍,同时处理目标与跟踪目标数量分别约为AN/SPY-ID的30倍与6倍,且制导导弹的数量增加了3倍,故而具有更强的抗饱和攻击能力。

总之,与现役雷达相比,AN/SPY-6(V)雷达的探测距离更远、精确度更高、抗干扰能力更强、可靠性和维护性更好,能够引导“标准”-3导弹和“标准”-6导弹进行反导拦截,还能够探测部分高超声速武器,但对于较为高端的高超声速武器的探测能力仍有待商榷。

AMDR雷达目前已经进入工程制造和研制阶段,已于2017年在夏威夷进行了实弹拦截测试,并初步完成了与标准-3型导弹的系统交联试验。2020年6月美国雷神导弹与防御分部还完成了首部AN/SPY-6(V)1雷达阵列的近场测试,测试内容包括:

评估5000个以上发射与接收辐射单元的运行状况;

校准近150个子阵通道和5000个雷达单元;

收集并验证42000个以上重要参数,以实现在海上维护期间的阵列自主校准;

采集、分析并验证300个以上的发射与接收阵列波束图。

该测试的目的在于提高集成速度、消除风险并确保该雷达阵列具备可装备美国海军阿利•伯克级Flight III型“杰克•H•卢卡斯”号导弹驱逐舰(DDG-125)的条件。测试结果显示,在天线孔径接近一致的情况下,AN/SPY-6的天线增益达到了+17dB的水平,代表探测能力的信噪比也增大了50余倍,由此可知该型雷达的性能较现有雷达的性能大幅提升。

美国海军已于2020年7月向该舰交付了首台AN/SPY-6有源相控阵雷达系统,计划于2023年形成初始作战能力,并将与现有工作于X波段的SPQ-9B雷达改进型相结合,作为首批“阿利•伯克”级驱逐舰Flight III型的核心传感器。此外,雷神公司还将在加速生产的同时,继续开展相关试验等。

综上可知,AMDR创建了利用舰载雷达实现防空反导一体、反舰/反潜/对陆多功能集成、结构和功能完全可扩展、雷达资源高度共用的能力,也将代表未来舰载雷达系统的发展方向。而作为先进的主动阵列雷达,AMDR雷达将在一定程度上有效提升航母战斗群应对各类现役与未来新型战机、弹道导弹及超声速反舰导弹的作战能力。

部署计划

美军印太司令部近两年以利用AMDR雷达,推进宙斯盾导弹驱逐舰队的现代化进程,以应对高超音速导弹与弹道导弹的威胁作为目标之一,因此美国海军还计划相继为15艘“阿利•伯克”级驱逐舰Flight IIA装备普通版本AN/SPY-6,第一批雷达将于2024年交付。

而将先进的AMDR部署于印太地区,是美军最新兵力调整的一部分,也将是美军进一步提高其舰队生存能力与杀伤力的有力措施,也由此看出美国正在全方位提升防空反导拦截能力,以应对其所面临的高超声速武器与弹道导弹的威胁。EASR三面相控阵雷达

美国海军于2016年启动三面相控阵(Enterprise Air Surveillance Radar,EASR)的研发,并由雷神公司负责。EASR 是美国海军AN/ SPY-6 雷达系列中的最新传感器,其能够为航母和两栖战舰提供同时的防空、反水面战、电子保护与空中交通管制能力。

技术特点

EASR雷达工作于S波段,并采用了与AMDR(AN/SPY-6)相同的硬件、信号处理和数据处理技术以及雷达套件控制器(RSC)等,最大限度地实现了技术上的统一化,更具通用性与经济性,且缩短了研发周期。

该型雷达同样基于最先进的氮化镓半导体材料技术,网络性能更优且更具可靠性,能够在高杂波、近陆地电磁干扰等极端恶劣的环境下稳定工作,与宙斯盾系统的核心——AN/SPY-1D雷达相比,仅在功能性和灵敏度方面的性能已经提升了约35倍。据称,美国海军正计划基于EXI项目研发一型X波段雷达,以与EASR组成双波段雷达。

EASR

据美国海军航母项目执行主管汤姆莫瑞少将宣称,尽管EASR的雷达阵面仅有9个雷达模块组件(RMA)(相控阵雷达所拥有的RMA单元数量越高,其发射频率和性能越优异,同时成本也较高),但在针对EASR雷达的设计过程中已经基于AMDR技术进行了优化提升,因而与拥有30~40个RMA的DBR双波段相控阵雷达(“尼米兹”航母与“福特”级航母首舰“福特”号装备的现役雷达)相比,性能依旧强大,足以满足大型核动力航母的作战需求。此外,该型雷达还具有以下性能特点:

兼具对空监视、防空作战、对海搜索等能力,将会取代AN/SPY-4、AN/SPS-48和AN/SPS-49等舰船雷达;

还增加了空中交通管制与天气监测能力,从而能够大幅提升航母的态势感知与预警能力;

采用数字波束成像技术,基于先进算法,可在高电磁干扰环境中正常工作。

综上可知,由于使用与AMDR通用的软件,EASR在海军信息化作战模式下的兼容性很强,完全符合以航母为中心的“海军一体化防空火控”概念。

测试情况与列装计划

雷神导弹与防御分部与美国海军已于 2020 年 3 月完成了 EASR 的工程和制造开发测试,并将使用陆基测试将雷达与作战管理系统相结合,还计划于 2023 年 1 月向美国海军交付6 台EASR。其中,

四台为AN/SPY-6(V)2 EASR单面旋转阵列,将被列装在“美国”级两栖攻击舰的三号舰LHA 8、尼米兹级航母约翰•C•史坦尼斯号 (CVN 74)、第13艘“圣安东尼奥”级船坞运输舰“小理查德·麦考尔”号两栖平台船坞舰(LPD 29) 与圣安东尼奥级Flight II型首舰“哈里斯堡”号船坞运输舰(LPD 30)之上;

两台为AN/ SPY-6(V)3 EASR 固定面阵列,将被列装在第二艘“福特”级航母“肯尼迪”号(CVN 79) 、未来的新一代航母以及未来的 FFG(X) 导弹护卫舰之上,并能够与国际海军的护卫舰兼容,将成为美国海军新型护卫舰的核心设备。

届时先进的EASR有源相控阵雷达将与美军的协同作战系统(CEC)联合,由CEC将航母战斗群中各作战舰艇的目标探测系统、指挥控制系统和武器系统以及预警机等联系起来,而航母以及护卫舰等所装备的EASR则执行远程搜索、空情掌握、指挥通信等任务,由此实现整个战斗群的高度协同,并进一步拓展战场范围与火力空间,实现美军的“海军一体化防空火控”目标。

AN/SPN-50最新型舰载航空管制雷达

美国海军于2019年在马里兰州圣伊尼戈斯的海军空战中心飞机师韦伯斯特机场首次演示了最新型号的AN/SPN-50航空管制雷达。该雷达将由瑞典萨博公司开发的“海上长颈鹿”有源相控阵雷达升级而来,未来将被全面换装为美军航母与两栖攻击舰等大型舰船的空管雷达,以加强美军航母抵御高超音速武器威胁的能力。

技术要求

美国对该型雷达的能力要求在于其需具备更精确有效的监视和探测能力,将工作频段由原型的S段改为C段(4GHz~8GHz),以消除与美国本土岸基信号冲突的风险,且在尺寸和重量上需与现役空管雷达——AN/SPN-43c雷达相当,以便于替换。通过“海上长颈鹿”雷达的升级,AN/SPN-50的探测能力等较AN/SPN-43等雷达而言,将有大幅提升。

探测范围将更广,AN/SPN-43系列雷达的最大探测距离约185.2公里,而AN/SPN-50的探测距离将进一步扩大;

引入高超音速目标的探测与追踪模式,能够为美军反导武器争取一定防御空间,在一定程度上保证航母编队的生存能力;

基于新型数位式雷达系统与信号处理技术,能够在强电磁干扰下保持高探测与跟踪的能力,并解决传统雷达的频谱限制问题;

将具多任务能力,可同时执行干扰机跟踪、自动对海监视以及目标分类识别等任务,并依据天线所提供的目标的三维数据,从而能够大幅提升美国海军武器系统对防空、水面作战和远程地空导弹等的目标识别能力。

此外,AN/SPN-50还将基于更为完善的信号采集与数据处理功能,一方面能够为管制员提供执行飞机起降控制、空域飞机识别、空中管制、安全警戒、天气处理和着陆制导所需的数据,另一方面能够通过信号数据更为有效地连接信息与指挥平台。

测试与列装计划

未来AN/SPN-50装备于航母或者其他大型作战舰船上,将在提升战机出勤率的同时,在一定程度上提升舰船抵御高超声速武器威胁的能力。

目前AN/SPN-50(V)1尚处于工程与制造期间,已经进行了多次测试和评估活动阶段,计划于 2022 年底达到初始作战能力。美国海军计划将两台 AN/SPN-50(V)1安装在德怀特•D•艾森豪威尔号航母 (CVN-69) 上进行操作测试,还将优先装备于“美国”级两栖攻击舰第三舰(LHA-8) 上,并计划在 2028 财年采购 25 台 AN/SPN-50 舰载空中交通雷达。

小结:新型舰载有源相控阵雷达是美国海军提升下一代水面作战舰艇综合能力,应对未来高烈度、超视距、分布式海上作战的关键之一。一方面,美国海军正致力于通过采用开放式的结构体系、模块化技术以及通用性技术,实现新型有源相控阵雷达的研发与升级,以适用于不同舰船平台,同时降低成本;

另一方面,则致力于在提升新型雷达探测与跟踪等以及抗干扰能力的同时,构建雷达的防空反导、应对高超声速、空中管制等多任务执行能力,提升雷达在海军信息化作战模式下的兼容性,以及航母与“宙斯盾”导弹驱逐舰队的现代化水平,从而进一步提升舰队的生存能力与杀伤力等。

总之,列装新型有源相控阵雷达的航母、导弹驱逐舰以及其他各型舰船等将是美军最新兵力调整组成的一部分,将有力推动美军全方位构建防空反导拦截等能力的进程。

编辑:jq

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