美升级台湾F-16机载雷达的关键技术分析

邹东明，张福福，杨 光，张 栩

（解放军73158部队 福建 厦门 361100）

美升级台湾F-16机载雷达的关键技术分析

邹东明，张福福，杨 光，张 栩

（解放军73158部队 福建 厦门 361100）

文章对美国升级台湾F-16机载多功能雷达的技术进行了研究。首先介绍了有源电扫相控阵技术，该技术是提高雷达性能的关键所在。其次对多普勒锐化和合成孔径技术进行了深入的讨论，研究表明合成孔径技术能更好地提高成像效果。最后分析了升级F-16带来的不足，说明升级不能阻止国家的统一大业。

有源电扫相控阵；合成孔径；多普勒波束锐化；雷达

日前，美国已决定对台军装备的F-16进行升级，总价约为54万美元。台军装备是F-16 A/B型，其装备雷达为AN/APG-66机载多功能数字化火控雷达，其体制为：脉冲多普勒、单脉冲、脉冲压缩、多普勒波束锐化等。如果美对台军F-16雷达升级后，将变成AN/APG-80有源电扫阵列多功能火控雷达，其体制为：有源电扫相控阵、单脉冲、脉冲压缩、脉冲多普勒、合成孔径、自动地形跟随和地形回避等[1]。

通过两种雷达的体制对比，可以看出改进的技术有：电扫有源相控阵（Active Electronically Scanned Array，AESA）[2-4]、合成孔径[5-7]、自动地形跟随和地形回避。自动地形跟随，是指飞机按恒定的方向飞行，且飞机自动与下面地形保持恒定的距离。飞机在低空飞行时，自动避开障碍物的飞行方式，称之为地形回避。

因此，升级F-16的关键技术就是电扫有源相控阵技术以及合成孔径技术。

1 AESA

AN/APG-80雷达采用的是有源电扫相控阵天线，这是使该雷达提升性能的关键所在。电扫阵列天线，使战机的空空连续多目标跟踪与截获、空中格斗、空地跟踪、武器投放和抗电子干扰能力大大增强。

AESA的每个辐射器都配装有一个发射/接收 （T/R）组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，不需要做机载式旋转扫描，便能对目标进行不间断的扫描。

由于通过相位控制天线扫描，因此AESA有许多特出的优点：

1）雷达探测距离增加 这有两个方面的原因：①由于AESA中T/R组件中的射频功率放大器同天线辐射器紧密相连，这样就减少了噪声叠加到信号上去，使微波能量的馈电损耗较机载扫描相控阵减少许多。分析表明，这对于探测性能有5 dB的提高，相当探测距离增加了35%；②由于T/R组件的数量大，大量组件辐射的功率在空间相加，可得到相当可观的功率，由于功率增加，使雷达的探测距离有很大增加。

2）可靠性增加 由于AESA由数百仍至上千个T/R组件组成，因此少数组件失效对系统性能影响不大。有试验表明，10%组件失效时，对系统性能影响不明显；30%组件失效时，系统增益降低3 dB，不过仍可维持其基本工作性能。

3）同时多功能 由于AESA可实现波束瞬时捷变，使AESA可以时间分割的方式实现多功能，能同时跟踪多个目标，相当于用一部雷达完成多部常规雷达的功能。AESA可以根据不同任务的需求，形成不同形状的波束。空对空工作时采用窄波束，空对地工作（如地图测绘时）采用宽波束等。

2 合成孔径与多普勒波束锐化

合成孔径技术是相对于AN/APG-66中的多普勒波束锐化（Doppler Beam Sharpening，DBS）技术的提高。这两种技术都是用来提高雷达横向距离分辨率。

2.1 实孔径天线的横向分辨率

根据天线理论，实孔径天线的横向分辨率是在一定距离R处对应天线方向图波束宽度的横向距离间隔。则横向分辨率为：

其中，θa是天线波束角。

其中λ是雷达信号的波长，而L是天线孔径的长度。从公式（1）中可以看出，对于实孔径雷达，横向距离分辨率与距离成正比，随着距离的增长而横向距离分辨率下降。

2.2 多普勒波束锐化

多普勒波束锐化（DBS），是一种提高分辨率的技术。DBS是适用于安装在现代多功能战斗机机头中的雷达的几种典型工作方式之一。通常这些飞机的雷达在以机头正前方为中心的扇扫范围内为±π/2弧度，最大波束锐化出现在扫描角度接近±π/2处。当波束扫过正前方的0弧度时波束锐化率降为1。

典型的工作方式为：天线连续扫描飞行路线一侧或另一侧，或同时扫描前面两侧感兴趣的区域。由于积累时间限制在地面块出现在天线波束中的时间长度内。

图1 多普勒波束锐化示意图Fig.1 Sketch of Doppler beam sharpening

图1中VR是雷达载机的速度，φ为VR与天线波束轴线间的夹角，地面回波信号的多普勒频率为：

因此，角度φ越大，多普勒频率fd越小。在波束宽度里，相邻两点（如点1和点2）的间隔很小，多普勒频率差可以表示为：

Δ fd与角度差Δφ相对应。对Δ fd的分辨是由多普勒滤波实现的。经过滤波后，多普勒波束锐化的角分辨率为：

其中Ti是信号积累时间，与多普勒滤波器的带宽成反比。因此，可以得到对应的横向距离分辨率为：

多普勒波束锐化的重要指标是波束锐化比，其定义为：

式中φ3dB表示天线的波束角宽度。B表示经过多普勒波束锐化后，方位角分辨率提高的倍数。一般B取16，32，64等，其为FFT的点数，一般为2的幂。但从式（5）可以看出，多普勒锐化能提高分辨率，但分辨率仍然与距离有关。

2.3 合成孔径技术

合成孔径是一种更好的提高横向距离分辨力技术。合成孔径雷达利用载体运动产生一个等效的阵列天线，在载体运动的过程中，每发射一个脉冲，就形成阵列天线中一个新的天线单元，把相继发射脉冲的回波相加，就可合成大阵列天线。为了保证精确测量雷达与目标之间产生的多普勒频率，雷达发射相干信号。图2是合成孔径的示意图，雷达以速度VR向前运动，每移动一个位置，就发射一个脉冲。

图2 合成孔径示意图Fig.2 Sketch of synthetic aperture

合成孔径的长度由实天线的波束宽度决定，而且长度随距离的增加而增加。

合成孔径形成的波束角为：

从图2中，可以看出合成孔径的长度为：

则合成孔径的横向距离分辨率为：

可以看出合成孔径的分辨率与距离无关，为实孔径长度的一半。这样，利用合成孔径技术可以大大提高横向分辨率，而且在任意距离上，分辨率相当。所以，合成孔径技术目前已经广泛地应用于星载、机载雷达中，用来进行对地面目标、对海上目标进行测绘。

通过上面3种天线的比较可以看出，多普勒波束锐化能提高横向分辨率，但分辨率仍然同距离有关，随着距离的增加而分辨率下降；而合成孔径技术能使横向距离向分辨与距离无关，只是孔径长度的一半，从而大大提高分辨率，是一种比较好的成像技术。

3 不 足

采用AESA性能要优于机械扫描雷达，但是耗电量、冷却需要的换热量和重量都有相当提升，等于是F-16的脑袋上要增加100多公斤重量，为了配平，还需要在尾部加上配重块，整个飞机的自重必须要猛增至少300公斤。因为飞机老旧无法更换新发动机，所以只能使用旧的F100-PW220E，飞机的推重比将会急剧下降，严重影响性能。可见，有得必有失。

另一方面，更换雷达后，整个航电系统也必须翻新，F-16上目前采用的80年代水平的联合式航电根本无法支持这么高级的雷达。但是翻新航电系统只会带来高额的成本，浪费台湾民众的血汗钱。

由此可见，由于台军的F-16是80年代的产品，战机的性能已经老化，即使进行技术改进，也不会很大提升台军F-16的作战性能。随着近年来我国新进战机的相继投入使用，美升级台军的F-16战机，也不能阻止我们国家的统一。

4 结 论

从上面的分析来看，通过关键技术改进，可以增加F-16的战机的电子设备性能。但由于F-16已经老化，美军升级不能阻止我们国家统一。

[1]中国雷达与电子设备研究院.机载雷达手册 [M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]贲德.机载有源相控阵火控雷达的新进展及发展趋势[J].现代雷达，2008，30（1）：1-4.

BEN De.Latest status&development trends of airborne AESA fire-control radar[J].Modern Radar，2008，30（1）：1-4.

[3]张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术[M].北京:电子工业出版社，2005.

[4]张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社，2006.

[5]Stimson G W.机载雷达导论[M].吴汉平，译.北京:电子工业出版社，2005.

[6]刘长青，刘承禹.机载远程对地监视系统关键技术研究[J].电子信息对抗技术，2011，26（5）：33-36.

LIU Chang-qing，LIU Cheng-yu.A study on dey technology of airborne stand-off surveillance systems[J].Electronic Information Warfare Technology，2011，26（5），33-36.

[7]许伟武.机载雷达技术发展热点[J].国际航空，2010，23（3）:41-44.

XU Wei-wu.Some key technology of airborne Radar[J].International Aviation,2010,23（3）:41-44.

Key technologies of F-16 upgraded by U.S.A

ZOU Dong-ming， ZHANG Fu-fu，YANG Guang， ZHANG Xu
（Unit73158of PLA，Xiamen361100，China）

The key technologies of upgrade airborne radar of F-16 by U.S.A have been studied in this article.The active electronically scanned array is introduced firstly， which is the key of radar performance.Then， Doppler beam sharpening and synthetic aperture techniques have been discussed.Synthetic aperture techniques can increase imaging effect.Finally，the deficiency of upgrades is analysis.The upgrade can not stop national unification.-

active electronically scanned array； synthetic aperture； doppler beam sharpening； radar

TN 958

A

1674－6236（2012）04-0127-03

2011-12-07 稿件编号：201112031

邹东明（1974—），男，江西吉安人，总工程师。研究方向：电子信息系统。