专业解读—机载射频综合技术发展

liubazhang 2017-03-31

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在航空电子领域，一般把飞机上的雷达、电子战和通信、导航、识别（Communication Navigation & Identification，CNI）等射频（Radio Frequency，RF）功能设备统称为航空电子系统射频传感器，它们对飞机的作用相当于人体的各个感觉器官，是飞机借以感知外界信息的重要系统。多年来，国内外航空电子系统厂商一直致力于通过提高射频传感器孔径、频段、处理的综合程度，来增强射频传感器综合探测及管理能力，减轻系统体积重量，降低系统综合成本。

随着微电子、计算机和信息技术的发展及受到需求牵引，射频传感器的飞速发展促进了飞机作战效能的进一步提高。与此同时，射频传感器随着功能的增加和性能的提高也带来了一系列问题，成本急骤上升，体积、重量、热耗等越来越大，用户“买不起，用不起”以及飞机“受不了”的呼声日渐高涨。有资料显示，一架出厂价为3000 万美元的现代隐身飞机，航空电子占 1200 万美元，为总成本的40%，其中传感器占830 万美元，为航空电子成本的 68%；射频传感器不但成本超过航空电子总成本的 60%，而且重量也超过 45%，体积则超过75%。不仅如此，随着作战环境的日趋复杂，为提高飞机的作战效能和生存率，还要求射频传感器不断提高性能，增加传感器的品种，成本和装机压力必然越来越高。

图1 一架现代先进战斗机出厂价格比例

以F-35为代表的第四代高度综合化航电系统中，率先实现了航空电子系统中射频传感器的综合一体化设计思想。从20世纪80年代开始，美国先后开展了“宝石柱”(Pave Pillar)计划、“宝石台”(Pave Dais)计划，以及基于“宝石台”计划的综合传感器系统计划（IntegratedSensor System，ISS）。这些研究直接服务于第四代战斗机的综合一体化航空电子系统，其研究成果也相继应用于四代机F-22和F-35之中，其中F-35航电系统是在F-22之上发展而来的，其综合化程度更为彻底，包括从天线到射频前端再到信号处理和数据融合。可以认为，从F-22到F-35，航电设备才真正实现了从信号流程上而不是从功能上来划分系统。如图2所示，展现了射频传感器综合程度不断提升的过程：

图2 射频传感器综合化程度提升过程

美空军研究实验室从1995年开始进行了综合传感器系统（ISS）计划的研究，ISS计划验证了通过提高资源利用率以减少传感器成本、体积和功耗的方法。据ISS计划的资料分析，在第三代传感器中雷达、电子战和CNI模拟电路部分所用模块有63种，而在综合传感器系统（ISS）中可减少到21种，ISS与未综合的传感器系统相比，成本降低了1/2，可靠性增加了2倍，重量减轻1/2，功耗降低1/3，可见综合传感器系统的应用前景十分诱人。

射频传感器的综合是将飞机上所有射频传感器，包括雷达、电子战、CNI和数据链等综合在一起，覆盖整个频率范围（见图3），将机上全部频率范围的所有射频信号都看作“所要考虑的信号”，完成这些信号的接收、发射和预处理。

图3 射频传感器工作频率范围

采用射频综合技术而产生的综合射频传感器，其技术内涵是将微电子技术、宽带、超宽带网络信号传输、处理以及场－信号发射－接收处理软件智能化网络管理与硬件高度综合，是软件无线电和宽带无线电理论、原理、方法以及光电子技术、新材料、新结构、微程序信号处理、传输、显示与控制等多学科的融合。

综合射频传感器主要包括天线分系统、接收/处理分系统和发射/处理分系统。以美国ISS计划为例，它的综合射频传感器方案大约由近百个通用或标准模块组成，其中约20个模块为系统核心综合处理机通用。其主要工作原理是，天线分系统接收到的射频信号由孔径电子设备经一个宽带开关发送到一组变频器，此变频器又把输入的射频信号转换成一种标准的中频信号，该中频信号再经一个中频开关网络将信号送到接收器，经滤波、放大等处理后，送至预处理器进行信号和数据的最终处理并应用。反之，发射信号由综合核心处理机给出脉冲命令，经过多功能频率调制器综合调制后，送到频率变换器进行增频放大等处理，然后再送到天线分系统的孔径电子设备进行波束处理，最后发射（如图4所示）。

图4 综合射频传感器系统原理方框图

此外，通过射频传感器综合实现功能的综合和一体化调度管理，可结合任务需求和战场态势对传感器工作的时域、频域和空域进行统一调度，最大限度地消除多射频传感器同时工作时产生的相互干扰问题，还能够有效地控制飞机的射频辐射，从而提高飞机和系统在隐身作战模式下的兼容工作能力、协同探测能力以及自动化能力。

综合射频传感器系统利用有源探测、无源探测、数据链等多种手段，实现战场的信息感知和态势感知，这些多源信息是获得战场信息优势的重要保证。

因此，从经济性、实用性、可靠性等方面考虑，射频传感器的综合是降低飞机成本和提升作战效能的不可或缺的关键技术途径。

2、射频传感器综合的技术发展概况

美国空军研究实验室联合波音公司和洛克希德·马丁公司在1998年就机载综合射频传感器系统提出了一个14年的研究报告，名为“Integrated Sensor System--OpenSystem Architecture”（以下简称ISSOSA）。该研究报告中比较典型地展现了机载综合射频系统技术的发展趋势。

在ISSOSA中，射频系统的发展分为以下几个阶段：

（1）基础框架（1995年框架）

该框架（见图5）的主要特点是将CNI（30～2000MHz）采用数字接收体制与电子战（0.5～18GHz）分为两个频段分别处理，采用一种变频体制，在一个公共中频进行采样量化，并采用数字信道化处理体制

图5 ISSOSA的1995年框架

（2）1998年框架

该框架在1995年框架的基础上，实现30～2000MHz数字接收和数字发射；电子战0.5～18GHz 采用一种变频体制实现接收和发射，在一个公共中频进行采样量化，并采用数字信道化处理体制。如图6所示。

图6 ISSOSA的1998年框架

（3）2000年框架

该框架在1998年框架的基础上，将数字直接合成技术应用到频踪设计中，如图7所示。

图7 ISSOSA的2000年框架

（4）2003年框架

该框架在2000年框架的基础上，实现30～4000MHz（CNI和EW）数字接收和数字发射；在4～18GHz仍采用变频体制，但中频是可变的，并将数字直接合成技术（Direct Digital Synthesizer，DDS）置于变频模块内；增加一种高性能变频体制以实现6～14GHz的接收，主要用于雷达。4～18GHz采用一种变频体制实现发射。如图8所示。