中国指挥与控制学会会刊 
根据水面舰艇作战使命任务,其射频设备通常应具备远程对空警戒、中近程对空对海搜索与跟踪、气象探测、目标识别、飞机指挥引导、导弹制导、火控跟踪、导航、电子侦察、有源干扰、无线通信等诸多功能。早期的舰载射频设备功能相对单一,雷达、通信、电子战等射频设备都是独立研制和装舰,设备种类和数量的增加需要占用大量安装空间和频率资源,设备间的电磁兼容问题日益突出,由此可能导致全舰综合作战效能难以达到预期目标。舰载射频设备集成就是通过集成优化技术,把不同类型、不同用途的射频设备进行集成设计,实现舰载射频设备的集成,通过统一调度时域、空域、频域和信号处理、数据处理等资源实现多功能的综合一体化,大幅度提高舰艇作战能力,主要包括:1)系统的数据率和工作方式、多传感器协同探测等都可以根据目标的运动特性实现自适应调整,将显著地提高对各类目标,尤其是高速高机动目标的探测和跟踪能力;通过合理调度射频资源,可实现干扰对象的扩展,提升对多目标的干扰能力;2)多功能多任务的综合一体化,不仅可以通过本舰多传感器的协同探测为武器系统提供高精度的目标指示,而且能根据战场环境的特点实现时域、空域和频域资源的自适应调度,缩短系统的反应时间,为武器系统的快速反应提供信息支持;3)可以减少舰载天线数量、有效改善舰艇的电磁兼容性能,而且多孔径天线的平面化为舰船上层建筑和桅杆的结构简洁化、尺度小型化、外形隐身化设计提供了有利条件。本文系统地分析了国外舰载射频设备集成技术的发展现状,研究了舰载射频设备集成的主要关键技术。
1 国外舰载射频设备集成技术发展现状
先进国家海军日益关注舰艇射频设备集成技术的发展,国外舰载射频设备集成主要有三种实现途径[1⇓-3],即综合桅杆、共享天线孔径、多功能射频。综合桅杆将众多天线集成到有限空间,可使上层建筑结构设计更加简洁,但没有从顶层对各个射频设备的功能进行集成;共享天线孔径对射频设备功能进行统一设计,采用平面阵列减少了天线数量,将数量众多的对空对海搜索雷达、导航雷达、目标识别、无线通信、电子战等射频设备综合于一体,动态分配时间、功率、频率、天线波束和信号处理、数据处理等资源,实现射频设备多功能一体化;多功能射频采用宽带孔径,通过灵活调度时间、能量等资源和基于单一孔径同时实现雷达、电子战、通信等多功能,可有效提高作战效能。
1.1 美国
美国是最早开展舰载射频集成技术研究的国家,开发的典型系统包括先进封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)、先进多功能射频系统(AMRFS)等,建立的AMRFC演示试验床采用收发分离的体制,分为两个波段,低波段频率覆盖1~5 GHz,高波段频率覆盖3.5~18 GHz,可以综合雷达、电子战、通信、敌我识别等功能。AMRFC演示的主要功能有:Ku Satcom下行、国防卫星通信系统(DSCS)链路和相关雷达功能;采用调频连续波(FMCW)波形的导航雷达功能;有源干扰(EA)功能等。AMRFC中的电子侦察、通用数据链等部分技术已经应用于2016年10月正式服役的DDG-1000驱逐舰中,由于采用高度集成的作战系统和最新的设计技术,DDG-1000驱逐舰的射频天线总数较常规舰艇大幅减少;DDG-1001驱逐舰已经于2018年4月正式交付美国海军,主要任务将由对陆攻击为主向反舰作战转变,但其射频设备大体沿用了DDG-1000驱逐舰的技术状态。
1.2 荷兰
泰勒斯荷兰公司在舰艇集成上层建筑设计方面具有丰富的经验,泰勒斯公司的集成桅杆系列包括:I-MAST 50、I-MAST 100、I-MAST 400和I-MAST 500,可适用于巡逻船和护卫舰等不同类型舰船。其中,I-MAST 400是泰勒斯公司的第一种集成模块化桅杆,安装在荷兰皇家海军排水量3750吨的Holland级巡逻舰上,可取代以前许多独立的雷达和通信天线,并将它们的功能组合到一个单独的即装即用的密闭装置中。在I-MAST 400的组成中,从上至下包括:泰勒斯公司的双波段(X/Ku)超高频卫星通信(SATCOM)天线、基于非旋转圆环形天线阵的敌我识别器、Sea Watcher 100 X波段有源相控阵雷达、Gatekeeper 360°全景红外/光电监视与告警系统、综合通信天线系统(ICAS)(由便于应用的标准VHF/UHF通信设备以及与Link 16组成)、用于空海监视的非旋转Sea Master 400 S波段有源相控阵雷达等。
1.3 意大利
意大利海军的集成模块化桅杆项目(称为MITOS),旨在装备其新型多任务远洋作战巡逻舰PPA,MITOS项目重点研究如何集成意大利本国开发的传感器和系统,包括雷达、敌我识别器、红外/光电、通信和电子战系统,分析新型桅杆的不同解决方案,以便供意大利海军选择。MITOS项目主要采用英国塞莱克斯ES公司开发的一系列集成桅杆成果,该系列集成桅杆结构的组成部分包括多功能三坐标雷达、敌我识别器、红外/光电、通信设备(包括战术数据链)以及电子战系统,并可根据不同船型对各模块重新配置,如其UNIMAST 300项目采用综合了GaN(C波段)和GaA(X波段)收/发模块的有源电子扫描阵列(AESA)雷达、360°全景红外/光电传感器、采用平面天线的无线电通信、卫星通信和电子战系统。
1.4 德国
德国海军的隐身战舰FDZ-2020采用了集成全封闭桅杆(也称为“集成多探测器桅杆”,IMSEM),桅杆中集成了对空搜索、对海搜索、火控、导航、通信、数据传输,以及红外、激光和雷达告警等设备的天线,实现了雷达、通信、电子战等系统的“孔径集成”;其顶部是红外、激光和雷达告警设备的接收天线,下面是通信设备、X波段数据链及相控阵雷达、C波段雷达、L或S波段雷达等设备的天线。
1.5 法国
法国和加拿大等几个国家设计的FREMM-ER护卫舰,其最重要的改进是集成桅杆,这种集成桅杆解决方案也是形成法国海军FREDA结构的基础,新型集成桅杆包含泰勒斯公司的SF500 AESA雷达以及红外搜索与跟踪(IRST)、通信和电子战等诸多设备;法国诺曼底机械制造公司与空客公司防御空间部和Ineo防御公司合作研制的C-MAST轻型桅杆集成了空客防御空间部研制的3D(或2D)TRS-3D搜索雷达、泰勒斯公司研制的IRST和导航雷达等,C-MAST将用于新型隐身轻型舰和近海巡逻舰。
2 舰载射频设备集成涉及的主要关键技术
目前,舰载射频设备的集成大体可采用“数字化射频前端+高速大容量数据传输+软件化高性能后端处理”的体系架构,构建开放式、可重构的雷达、通信、电子战一体化系统,系统组成一般由综合孔径天线和射频前端、预处理、共用平台(含综合信息处理、综合显示控制、综合调度控制)等部分组成(如图1 所示)。通常情况下,雷达、通信、电子战等设备由各自或共用的天线和射频前端、预处理以及加载在共用平台上的相应软件来实现各设备的完整功能。舰载射频设备集成涉及综合一体化设计、宽带和超宽带综合孔径天线、宽带数字T/R组件、时间和能量资源调度、高速信号处理与数据融合等诸多关键技术。
2.1 射频设备综合一体化设计技术
2.1.1 同时多功能技术
舰载射频设备需要完成雷达、电子战、通信等多功能,理想情况下,如通过射频集成实现所有功能的收、发同时进行,则可实现资源利用率的最大化,但需要在阵面收、发分离的情况下才能实现,主要因为雷达发射功率太大,单一阵面不易解决收、发分离问题,发射功率会使接收通道饱和。同时多功能的另一种技术途径是通过同时发射和接收多波束实现,如采用阵面收、发合一的模式,主要措施是利用雷达接收时间进行有源干扰和通信的小功率发射,典型工作方式包括:
1)雷达发射时不能接收,雷达接收时,电子侦察和通信均可接收;
2)雷达发射可以与有源干扰、通信发射同时进行,但需要解决发射多波束问题;
3)雷达接收时,有源干扰和通信可以小功率发射,在保证低噪声放大器(LNA)不饱和的情况下,同时实现电子战和通信的功能。
2.1.2 多通道任意波形生成与智能化资源管理技术
雷达、通信、有源干扰、目标识别、导弹制导和火控跟踪等信号对数字T/R组件有不同的要求,特别是多波束发射时,多信号叠加后的波形更加复杂,需要实现多通道复杂信号的实时产生;数字T/R组件的信号产生部分要兼容不同的功能要求,具备复杂信号实时产生的功能。智能化资源管理技术主要包括雷达、电子战、通信等一体化工作中的能量、频域、时域、空域资源管理等方面,需要实现系统的时间、能量、频域等资源的综合调度与管理控制[4]。
2.2 先进的多功能一体化舰艇天线技术
舰载射频设备需要集成的功能繁多、性能要求高,这对综合天线孔径提出了极高的要求。一方面需要优化综合天线孔径,综合考虑天线单元的形式、成本、数量和性能(电气指标性能、电磁兼容性能、隐身性能等)等要素,达到最优天线系统的目的;另一方面,需要与舰艇总体设计匹配,解决其适装性问题;综合天线孔径还涉及多功能天线集成和整合技术、可重构天线技术、灵巧天线罩制造技术等。一体化综合天线孔径的典型实现方法有两种:一是用一个通用的孔径来实现几种功能,但技术难度大,需要解决功能间的协调、隔离和控制等问题,此外,须解决宽角宽带天线单元设计、宽带共用孔径阵列天线设计、互耦影响与修正、辐射单元校正和宽带T/R组件等关键技术;二是将一个大的孔径分成多个子孔径,每个子孔径执行一些特定的功能,此方法虽然未能实现共用孔径所期望的所有可能的优点,但具有易实现、技术难度小等特点。
2.3 高速信号处理与数据处理技术
舰载射频设备集成需要解决高速信号处理软、硬件平台的构建和大容量雷达、侦察、通信等信号的实时处理,以及雷达、侦察等数据的融合和数据储存、管理与分发等技术。在具体的设计中需要采用开放式体系架构,实现硬件和软件的标准化与模块化,以便于系统的可重构、可扩展和技术升级;在多源、多维信息获取和融合处理方面,需要实现本舰雷达、电子侦察、光电、红外等多源、异类信息的融合处理,以充分挖掘和综合利用各类信息,提升舰艇复杂电磁环境下的作战使用性能。
3 结束语
国外舰载射频设备集成技术已经走过了综合桅杆、共享平面化的天线孔径两个阶段,正在迈入宽带多功能射频阶段,未来还将采用共形相控阵等技术,并将数字化进一步向射频前端推进,大力提升系统的软件化、数字化水平。总体而言,射频设备的集成不是新技术的简单应用堆砌,不能以单纯减少设备和天线数量为主要目的,应以作战需求为牵引,以可靠顶用为前提,以效能优化为目标,既要有利于舰艇在海上信息化作战体系下完成使命任务,有利于作战使用效能的发挥,有利于提高舰艇作战任务的可靠性和射频设备间的电磁兼容性;同时,还需要综合考虑射频设备集成的技术成熟度、实现代价等诸多因素。