2022年2月，在我一期直播中，我為大家講解了來自于希臘空軍George-Konstantinos Gaitanakis1, George Limnaios2, and Konstantinos C. Zikidis2《論有源相控陣?yán)走_(dá)和機(jī)載紅外成像跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)低可探測威脅的應(yīng)用》。今天將原文和本人對(duì)此的理解分別發(fā)出，以饗讀者。

Abstract. The radar has been indisputably the most important sensor in the battlefield, allowing early warning and tracking of air vehicles. Modern fighter aircraft employing AESA fire control radars are able to acquire and track targets at long ranges, in the order of 50 nautical miles or more. However, the proliferation of low observable or stealth technology has contested radar capabilities, reducing their detection / tracking ranges roughly to one third. This degradation is more severe concerning fighter aircraft radars, since most stealth threats are optimised for higher frequency bands, as in the case of fire control radars. Hence, other parts of the electromagnetic spectrum have been reconsidered, such as infrared radiation (IR). Every aircraft is a source of IR, due to fuel combustion, aerodynamic friction and IR reflection. In this way, a jet fighter can be detected by an IR sensor against the cold background of the sky. Therefore, IRST systems have re-emerged, offering an alternative to the radar. Apart from their capabilities concerning target detection (whether stealth or not), IRST systems also exhibit passive operation, resilience to jamming and better angular accuracy. On the other hand, they are prone to weather conditions, especially moisture, while they cannot measure distance directly, as in the case of the radar. This work explores and compares the capabilities and limitations of the two approaches, AESA radars and IRST systems, offering also some insight to the benefits of sensor fusion.

論文摘要要點(diǎn)：雷達(dá)是戰(zhàn)機(jī)最重要的傳感器，當(dāng)代戰(zhàn)斗機(jī)普遍運(yùn)用AESA（有源相控陣）雷達(dá)作為自己的火控雷達(dá)，可以滿足至少50海里（90公里）或更長距離的搜索跟蹤火控能力。但是，在面對(duì)隱形飛機(jī)目標(biāo)時(shí)，AESA往往會(huì)被壓縮70%的探測距離。由于機(jī)載雷達(dá)探測距離嚴(yán)重被壓縮，戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)也開始向更高頻率發(fā)展（如朝著毫米波波段），同時(shí)也在發(fā)展非雷達(dá)外的探測手段，如紅外跟蹤手段。由于任何飛機(jī)在空氣中飛行都會(huì)產(chǎn)生明顯有別于背景的熱源，因此為了追蹤隱形飛機(jī)，紅外跟蹤（IRST）又開始被大家發(fā)展起來，但紅外跟蹤明顯受到氣象條件影響，不能做到全天候下性能一致性，因此有必要對(duì)比AESA和IRST分別使用和結(jié)合使用下對(duì)隱形目標(biāo)的探測能力的優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。

1 Introduction?

Most jet fighters today are equipped with mechanically scanned antenna (MSA) radars, where the beam is steered by mechanically deflecting a planar antenna. Despite the maturity and the decent performance of such radar systems, the conventional gimballed antenna is limited by inertia. Thus, the electronically scanned array (ESA) has been introduced, consisting of a large number of radiating elements, where the beam can be steered by controlling the phase shift individually for each element [1]. Agile beam steering via electronic control of beam direction is the main advantage of ESA over MSA, as it permits flexible control of the beam for tracking individual targets or groups of targets [2]. These antennae are often known as phased arrays and they fall into two categories, passive and active ESA (PESA and AESA), depending on where the power is produced: PESA systems employ a conventional transmitter, based usually on one or two Travelling Wave Tubes (TWT), providing the necessary RF power, and a computer-controlled phase shifter just before every radiating element, while AESA systems consist of Transmit- Receive Modules (T/R modules or TRM), which combine independently controlled transmitters, receivers, and beamsteering controls, usually by phase [2][3]. AESA systems offer significant benefits in terms of beam agility, operational exploitation diversity and reliability. TRMs are based mainly on Gallium Arsenide (GaAs) technology. However, due to the poor thermal conductivity of GaAs, more recently silicon germanium (SiGe) and especially Gallium nitride (GaN) are emerging, with the latter being considered for all advanced AESA development programs [1][4]. Radar systems are challenged by low observable techniques, aiming at the reduction of the RCS (Radar Cross Section). In this way, electro-optical sensors and IRST systems in particular offer significant advantages. However, all available sensors should be taken into account in order to "build" spherical situational awareness. Therefore, multi sensor data fusion is required, for target tracking based on measurements from different sources, avoiding multiple tracks. Every sensor exhibits certain advantages and limitations, while their synergy provides an operationally useful conjunction. In the next section, issues concerning the AESA technology will be discussed, analysing the case of MSA to AESA upgrade and the relevant limitations thereof. Consequently, the IRST potentials will be examined, providing a comparison between radar and IRST against stealth aircraft. Finally, the benefits of the multi sensor data fusion will be discussed.

第一章：研究背景

傳統(tǒng)戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)通常是MSA（機(jī)械掃描雷達(dá)，如APG-66的平板縫隙天線機(jī)械掃描雷達(dá)，N001倒置卡塞格倫天線機(jī)械掃描雷達(dá)），結(jié)構(gòu)成熟而穩(wěn)定，但是掃描速度受到機(jī)械結(jié)構(gòu)（如萬向節(jié)和天線重量）影響而受到了局限。為了解決雷達(dá)搜索速度和多目標(biāo)同時(shí)跟蹤的問題，采用了ESA（電子波束雷達(dá)），它通過雷達(dá)波的合成原理形成電子波束，又根據(jù)發(fā)射源的多寡分為PESA（無源相控陣，只有1個(gè)功率器件，雷達(dá)波發(fā)出后分解到分布在陣面的移相器，形成合成波束）和AESA（有源相控陣，每一個(gè)雷達(dá)表面輻射單元都具備獨(dú)立的發(fā)射和接收電磁波能力，也稱為TRM（發(fā)送接收單元））。

目前市面上服役的AESA都是砷化鎵的（指的是截止2020年北約在內(nèi)的美國盟友，中國的相控陣材質(zhì)未知，在航展上曾經(jīng)展出過氮化鎵雷達(dá)），砷化鎵有很好的開關(guān)速度，但是缺陷是砷化鎵導(dǎo)熱不好，而且高溫下容易性能受損，所以提出了更先進(jìn)的氮化鎵技術(shù)，歐美下一代雷達(dá)預(yù)計(jì)全面改換氮化鎵技術(shù)。

當(dāng)代雷達(dá)技術(shù)日益受到隱形技術(shù)挑戰(zhàn)。因?yàn)镽CS（雷達(dá)反射截面）下降了，傳統(tǒng)雷達(dá)日益難以跟蹤隱形飛機(jī)，所以IRST和AESA就理所應(yīng)當(dāng)成為了反隱形的主要傳感器，但是，由于任何設(shè)備都有自己的一定缺陷，所以要想解決反隱形，就必須要將所有的傳感器通過航電集成為綜合傳感系統(tǒng)，從而揚(yáng)長避短，建立起立體的反隱形能力。本文將首先闡述機(jī)械掃描雷達(dá)和有源相控陣?yán)走_(dá)在反隱形上的優(yōu)劣，接著講述IRST在反隱形上的優(yōu)劣，并對(duì)比AESA和IRST的比較特點(diǎn)，最后論證綜合傳感器系統(tǒng)在反隱形上的用途。

第二章：AESA的性能特點(diǎn)

AESA的優(yōu)勢早已人盡皆知（發(fā)射功率大，跟蹤目標(biāo)多，多用途能力好等等諸多碾壓普通雷達(dá)），本文不再贅述。不過，AESA也有價(jià)格昂貴的缺陷，最普通的AESA就比最高端的機(jī)載機(jī)械雷達(dá)貴了50%。除此之外，本文還將闡述其他AESA的劣勢：

2.1 AESA在視野邊界時(shí)成像模糊

我們知道，AESA和PESA都是靠平面雷達(dá)天線表面小孔釋放出的不同相位的雷達(dá)波合成產(chǎn)生了指向一側(cè)的電磁波，替代了來回?fù)u擺的機(jī)械天線實(shí)現(xiàn)了上下左右的掃描。但是由于波合成的特點(diǎn)，在偏離中軸線45度以上的時(shí)候，邊緣的清晰度就會(huì)下降，總體而言，AESA成像效果和目標(biāo)和己方雷達(dá)夾角的COS值呈正相關(guān)。而傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)能夠左右偏轉(zhuǎn)60度下仍能夠保證較好的邊緣視野（PS：所以當(dāng)代新型號(hào)的AESA都配備了兩側(cè)的小天線，以滿足較寬的視野下的成像精度）。

2.2 有源相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)熱問題

我們知道，AESA比起PESA和機(jī)械雷達(dá)最大的優(yōu)勢就是發(fā)射接收單元大大增加了，同時(shí)雷達(dá)的輻射效率也大幅提高了（文中舉例，現(xiàn)在的砷化鎵雷達(dá)可以將功率增加效率（PAE）提升到40%，氮化鎵可達(dá)50%以上，而就算是加上所有的雷達(dá)其他器件，在砷化鎵模塊PAE=35%，占空比10%情況下，雷達(dá)的總體效率也達(dá)到了20%以上）使得雷達(dá)輻射功率大幅提高，但是大幅提高的輻射功率也給雷達(dá)陣面的冷卻帶來了巨大的麻煩，如對(duì)于上文所述的20%總效率的砷化鎵雷達(dá)，想要產(chǎn)生1千瓦的輻射能，就需要5千瓦的輸入電能，并產(chǎn)生4千瓦的廢熱（但值得一提的是，相比老式的電子管機(jī)械掃描雷達(dá),砷化鎵20%的輻射效率已經(jīng)是非常驚人的）。因此一架飛機(jī)能夠安裝的AESA雷達(dá)的上限，往往由它能夠提供的冷卻系統(tǒng)的能力決定。

2.3 雷達(dá)探測目標(biāo)的公式：

Pm是平均傳輸功率，Gt和Gr是天線的發(fā)射和接收增益，λ是波長，σ是目標(biāo)的 RCS，Td停留時(shí)間，R是目標(biāo)的范圍，k是玻爾茲曼常數(shù)，T0接收機(jī)的溫度，F(xiàn)的接收機(jī) 的噪聲數(shù)字，L的各種損耗和Li集成損失。Ts是系統(tǒng)總溫度，Lt是輸電線路的損耗，和La雙向路徑的大氣吸收損失。

由此可見，在波長和對(duì)方的RCS一致下，探測雷達(dá)的功率越高，系統(tǒng)總溫度越低，線損和大氣損失越小，探測距離也越遠(yuǎn)。

2.3 以F-16戰(zhàn)斗機(jī)為例研究機(jī)械掃描雷達(dá)換AESA

目前，希臘空軍裝備的F-16C/D主要配備美國APG-68V9機(jī)械掃描雷達(dá)，該雷達(dá)理論上能對(duì)RCS=1目標(biāo)（如B-1B，F(xiàn)-18EF，臺(tái)風(fēng)，殲10C這樣的現(xiàn)代飛機(jī)，而蘇27雷達(dá)反射面在10平方米以上）達(dá)到38海里（約70公里）的探測距離。該雷達(dá)輸入功率5.6KV*A，通過機(jī)械風(fēng)冷降低雷達(dá)溫度，雷達(dá)冷卻機(jī)提供降溫能力不超過5.6千瓦（即不高于雷達(dá)輸入總功率）。

F-16的升級(jí)型號(hào)F-16E/F BLOCK60（中東狗大戶有）是最早搭配AESA的F-16飛機(jī)，它用的是APG-77簡化而來的APG-80雷達(dá)，使用1020塊砷化鎵TR，輸入功率可達(dá)10KV*A，不過它搭配了APG-77來的液冷裝置，使得它能夠在10KW功率下運(yùn)轉(zhuǎn)。相比之下，諾斯羅普格魯曼在為現(xiàn)存的F-16飛機(jī)提供的改裝為F-16V的改件APG-83，雖然結(jié)構(gòu)和APG-80相當(dāng)接近，也有1020塊TR，但由于不對(duì)F-16自身的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行液冷改造，因此它只能以5千瓦功率運(yùn)轉(zhuǎn)，否則會(huì)燒毀。

2.4 比較機(jī)械掃描雷達(dá)和APG-80（10千瓦液冷AESA），APG-83（5千瓦風(fēng)冷AESA）探測能力

計(jì)算APG-83檢測范圍的主要參數(shù)如下，其他所有參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)值，如[13]中 所述：

雷達(dá)工作頻率：9.5 GHz?

脈沖重復(fù)頻率(PRF)：100kHz?

脈寬：1μs（為了使占空比為10%）

用于搜索的雷達(dá)時(shí)間的分?jǐn)?shù)：100%?

掃描扇區(qū)：120°×11° -

徑加權(quán)算法：Taylor40dB?

停留時(shí)間：0.025 s?

天氣狀況：潔凈空氣

檢測概率：90%?

誤報(bào)時(shí)間：120s?

根據(jù)上述推理，APG-83（風(fēng)冷，5KW）有望提供47nm.針對(duì) 1m2RCS的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)探測距離。但是由于AESA在45度軸向角度下成像模糊，所以在45-60度下反而不如傳統(tǒng)的APG-68機(jī)械雷達(dá)。將APG-83與它的前身APG-80進(jìn)行比較，可以注意到，在F16block 60上預(yù)計(jì)沒有這樣的冷 卻限制（也就是10KW）。因此，保持所有參數(shù)如上所述，并只將PRF設(shè)置為200kHz，從而將占空比增加到 20%，目標(biāo)RCS=1的檢測估計(jì)為64nm。.

第三章 紅外跟蹤成像系統(tǒng)

紅外成像系統(tǒng)是通過紅外成像鏡頭對(duì)遠(yuǎn)處的目標(biāo)進(jìn)行成像，由于戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰、飛機(jī)飛行摩擦熱量影響，使得飛機(jī)和背景空氣有較為明顯溫差，尤其是10000米高空巡航時(shí)，外部氣溫可跌到218K（-55攝氏度），使得熱成像設(shè)備很容易就能把飛機(jī)從背景區(qū)分出來。因此，紅外成像有以下特點(diǎn)：

a.探測范圍較長，與目標(biāo)是否隱形無關(guān)。

b.被動(dòng)傳感器，不觸發(fā)雷達(dá)報(bào)警器。

c.光學(xué)鏡頭運(yùn)轉(zhuǎn)不像雷達(dá)那樣容易被卡住。

d.成像精度好，提供了更精確的角度分辨率

e.另一方面，它們也很容易受到天氣條件的影響，尤其是潮濕的天氣條件。?

f.它們不能直接測量目標(biāo)范圍。需要搭配比例測距或者激光測距完成距離測算。

對(duì)典型F-35目標(biāo)（外溫218K，機(jī)溫255K）的12微米紅外傳感探測效果如表（翻譯后）：

現(xiàn)在對(duì)比IRST和雷達(dá)對(duì)于同一個(gè)F-35目標(biāo)的探測效果（機(jī)溫255K，RCS=0.01㎡，其他環(huán)境和上述雷達(dá)環(huán)境相同），可得到以下圖：

由圖可知，由于F-35的雷達(dá)截面0.01平方米遠(yuǎn)低于三代機(jī)標(biāo)準(zhǔn)1㎡，因此雷達(dá)探測距離銳減了三分之二，傳統(tǒng)APG-68V9雷達(dá)探測F-35只能在12nm距離實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)-16V的APG-83雖然是AESA，但是由于發(fā)射功率上限受到風(fēng)冷系統(tǒng)限制，只能維持在APG-68V9的5kw功率，所以最大探測距離僅增長了2海里左右，而且在45-60度角度還不如APG-68V9；APG-80由于功率提升到10KW，對(duì)F-35探測能力比起APG-68V9翻倍，達(dá)到20nm（約36公里）（PS：根據(jù)楊基和PUPU在2016航展對(duì)話，這個(gè)估計(jì)數(shù)據(jù)和成飛內(nèi)部殲20和殲10對(duì)抗非常接近，殲10在內(nèi)部對(duì)抗時(shí)也無法探測到20公里外的殲20）。

IRST探測F-35時(shí)，有效的跟蹤距離和角度無關(guān)，在整個(gè)前向視野（約150度）內(nèi)都可以達(dá)到20nm。不過由于IRST受限于環(huán)境因素，并不是任何天氣都可以達(dá)到這個(gè)探測距離，而且搜索速度和刷新率遠(yuǎn)低于AESA。

第四章：綜合傳感器和數(shù)據(jù)鏈結(jié)合使用

除了AESA和IRST，還有一些設(shè)備可以用于偵察隱形飛機(jī)：

1、敵我識(shí)別器（IFF）：在敵我識(shí)別器掃到敵機(jī)時(shí)，敵機(jī)回復(fù)的敵我識(shí)別信號(hào)可有助于預(yù)警敵方飛機(jī)接近，哪怕是隱形飛機(jī)在不關(guān)閉敵我識(shí)別器情況下，也會(huì)在被雷達(dá)掃到時(shí)自動(dòng)回復(fù)自身代碼而暴露自己。

2、分布式孔徑系統(tǒng)(DAS)、電視攝像機(jī)、正向紅外(FLIR)、激光 測距儀，以及紅外導(dǎo)彈導(dǎo)引頭，這些裝置往往不是用于專業(yè)對(duì)空搜索，但是也可以感知隱形飛機(jī)。（大部分都是對(duì)地武器）

3、雷達(dá)報(bào)警機(jī)，被敵方鎖定時(shí)可以反向測量敵方位置。

4、激光報(bào)警器，在敵機(jī)試圖使用激光測距儀展開打擊時(shí)可以確定敵方位置（SU-27在靜默接近時(shí)，IRST末端需要開啟激光測距儀才能確認(rèn)敵機(jī)參數(shù)）。

5、導(dǎo)彈逼近告警，被敵方導(dǎo)彈攻擊時(shí)，可以反推射擊方的位置。

6、可以利用LINK-16這樣的數(shù)據(jù)鏈從其他友軍飛機(jī)獲取敵方情報(bào)。

顯然，單一的探測系統(tǒng)不但有不少缺陷，而且還容易產(chǎn)生誤判，那么通過先進(jìn)的電子系統(tǒng)將飛機(jī)所有傳感器結(jié)合，并統(tǒng)一匯總分析計(jì)算出具體目標(biāo)特征，其真實(shí)度更高，更有助于識(shí)別和鎖定隱形飛機(jī)。

5、結(jié)論

AESA技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，導(dǎo)致了傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)(MSAs)的逐步淘汰。然而， AESAs產(chǎn)生大量的熱量，特別是如果使用老一代砷化鎵發(fā)射/接收模塊時(shí)，因此，在雷達(dá) 從MSA升級(jí)到AESA的情況下，如果飛機(jī)冷卻能力有限，平均雷達(dá)傳輸功率將必須相應(yīng)地受限制。同時(shí)，即使考慮到在高離角度的掃描損失，對(duì)傳統(tǒng)MSA雷達(dá)的AESA升級(jí)將提供一定的邊際效益，特別是對(duì)隱形飛機(jī)能夠提升一些探測距離加成。

IRST系統(tǒng)似乎是一個(gè)相當(dāng)有前途的替代方案，提供足夠的探測范圍，甚至能對(duì)抗隱身威脅，同時(shí)不泄露自己的雷達(dá)信號(hào)，免疫射頻干擾。IRST可以與數(shù)據(jù)鏈結(jié)合，來滿足對(duì)武器發(fā)射的火控需求（如利用IRST數(shù)據(jù)控制雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行）。復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求所有機(jī)載傳感器和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)融合，允許飛行員在所 有條件下保持立體態(tài)勢感知。