国外海岸警戒雷达现状与发展趋势

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2020.02.020
引用格式:鉴福升,李洁,李迅,等.国外海岸警戒雷达现状与发展趋势[J].电讯技术,2020,60(2):245-250.[JIAN Fusheng,LI Jie,LI Xun, et al.Status and development trend of foreign coastal warning radars[J].Telecommunication Engineering,2020,60(2):245-250.]
国外海岸警戒雷达现状与发展趋势*
鉴福升**,李　洁,李　迅,罗　军,赵东伟
(海军研究院,北京100036)
摘　要:海岸警戒雷达是领海㊁专属经济区目标监视的重要手段㊂介绍了国外海岸警戒雷达发展历程㊁现状和特点,从目标多样性㊁环境复杂性㊁任务多元性三个方面分析海岸警戒雷达面临的挑战,指出未来海岸警戒雷达应该是开放式㊁闭环结构,模块化㊁网络化,多体制并存,综合集成,无人值守㊂关键词:海岸警戒雷达;目标监视;发展现状;发展趋势
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中图分类号:TN959 文献标志码:A 文章编号:1001-893X(2020)02-0245-06 Status and Development Trend of Foreign Coastal Warning Radars JIAN Fusheng,LI Jie,LI Xun,LUO Jun,ZHAO Dongwei
(Naval Research Academy,Beijing100036,China)
Abstract:Coastal warning radar is an important means of target surveillance in territorial sea and exclusive economic zone.This paper introduces the development history,status and characteristics of coastal warning radar abroad,analyzes challenges faced by coastal warning radar from three aspects:diversity of targets, complexity of environment and diversity of tasks.It points out that the future development direction of coast⁃al warning radar should be open and closed-loop structure,modular and networked,multi-system coexis⁃ting,integrated and unattended.
Key words:coastal warning radar;target surveillance;development status;development trend
0　引　言
海岸警戒雷达是海岸防御的 眼睛”,其主要任务是保卫海岸线㊁港口及主要海上航道以防敌方入侵,同时还承担对付海上走私㊁偷渡㊁海盗以及监测风电场和其他近海设施等多种任务㊂海岸警戒雷达可以昼夜监视当面海域的海面㊁低空目标,及早发现敌舰㊁敌机,及时准确地测定目标的有关情报,为指挥决策机关提供可靠的情报,为岸防武器系统提供目标指示㊂
海岸警戒雷达种类较多,有常规微波视距雷达㊁超视距雷达㊁气球载雷达㊁宽带成像雷达等,其功能任务㊁技术体制㊁使用特点均有所不同㊂本文介绍了海岸警戒雷达的发展历程㊁现状,梳理了国外海岸雷达发展特点,分析了海岸警戒雷达面临的挑战,提出了发展趋势,可供该领域相关人员参考㊂
1　国外装备发展现状及特点
1.1　发展历程
海岸警戒雷达从20世纪30年代开始使用,最先是收发分置的双基地体制雷达;40年代,单基地
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第60卷第2期
2020年2月电讯技术
Telecommunication Engineering Vol.60,No.2 February,2020
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**收稿日期:2019-07-13;修回日期:2019-10-01通信作者:jianfushengdoc@
常规对海雷达得到应用;由于常规视距雷达受地球曲率限制对海探测距离近,从50年代开始,天波㊁地波㊁微波等多种超视距体制雷达得到各大国高度重视并不断发展;60年代末,美国开始应用系留气球雷达系统,用于低空目标探测㊁海上缉私;70年代至
90年代,无源雷达㊁宽带成像雷达陆续应用于海岸监视㊂进入21世纪以来,随着各种新技术的应用,不同技术体制的海岸警戒雷达得到进一步发展㊂1.2　发展现状
欧美等西方发达国家的海岸警戒雷达技术先进,性能优良,其中较典型的有法国的海岸监视者(Coast Watcher,CW)系列㊁德国的SPEXER-2000㊁丹麦的SCANTER系列㊁美国的LCR-2020等[1]㊂1.2.1　法国装备
(1)CW10海面近程监视雷达
该型雷达由泰勒斯(Thales)公司和日本古野(Furuno)公司联合开发,采用波导裂缝天线,两坐标,工作在X频段,对海最大作用距离约10nmile (RCS为1m2),主要用于法国港口安全项目,与船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)㊁光电㊁声呐等设备集成使用,实现对近距离海岸目标的探测和识别㊂
该型雷达采用了开放式架构设计,天线㊁收发部件为商用货架产品(Commercial Off-The-Shelf, COTS);专利数据自适应处理技术,能在恶劣海况㊁天气等状况下可靠发现㊁跟踪RCS小至1m2的目标㊂(2)CW100对海对低空全固态监视雷达
该型雷达由泰勒斯公司生产,采用旋转抛物面赋形天线㊁固态发射机,两坐标,工作在X频段,主要用于海面低空目标监视,可架设于海拔1000m的高地,对海最大作用距离约70nmile(RCS为100m2),对低空约85km(RCS为3m2)㊂
基于COTS的开放式体系架构,中频数字化,功能实现软件化;专利数据自适应处理技术;可靠性高,MTBCF(Mission-Time-between-Critical-Failure)达8750h,1年仅需一次例行性维护,无人值守,组网能力强㊂
(3)CW200地波超视距雷达
法国宇航实验室ONERA研发,采用固定安装阵列天线,两坐标,工作在HF频段,对海探测范围为90°,最大探测距离约200km,主要用于领海和专属经济区监视㊁渔业监视㊁海岸监视㊂
1.2.2　德国装备
德国2011年开始投入使用的SPEXER2000是全球第一个采用有源相控阵体制的高性能岸用对海警戒雷达,由Cassidian公司研发,X频段,有源相控阵体制,电扫范围120°,对橡皮艇大小的目标作用距离为20km,用于海岸线㊁海上基础设施和港口的监视与安全防护㊂
该雷达可在极端气象条件下对海上目标(如游泳者㊁橡皮艇㊁船舶等)以及低空飞行目标(如飞行高度较低的直升机㊁轻型飞机和无人机等)进行自动检测㊁分类和跟踪,可以很容易地集成到更大的沿海安全系统之中,与光电传感器㊁蛙人防御系统和基于计算机的指挥与控制设备协同工作㊂
1.2.3　丹麦装备
丹麦SCANTER5000系列对海对低空全固态监视雷达由Terma公司研制,工作在X频段,两坐标,采用全相参技术体制并具有软件定义功能,可满足船舶交通管理系统(Vessel Traffic Service,VTS)㊁海面监视㊁各种气象条件下小目标检测以及支持搜索与救援任务的近距离低空探测等多种应用㊂该雷达采用了频率分集㊁时间分集㊁专用信号处理方式,海杂波抑制㊁小目标检测能力强㊂功能实现软件化,可根据需要选配不同尺寸雷达天线㊂SCANTER2000系列在SCANTER5000系列基础上进一步提高了可靠性㊁测试性水平,同时将数据处理与信号处理进行了集成优化,使其在恶劣天气下对各类目标特别是小目标的检测跟踪能力更强㊂1.2.4　英国装备
凯尔文㊃休斯公司(Kelvin Hughes)的岸基系统(Shore Based System,SBS) 锐眼”(SharpEye)雷达系列全部采用X频段和S频段传输,固态发射机,利用同时多脉冲专利技术,可同时探测到近距离㊁中距离和远距离目标;模块化㊁标准化设计,集成方便;数字化㊁软件化,互操作能力强,可扩展能力强;收发冗余设计,切换速度快至1s,可靠性高;网络化设计,远程操控㊁维护保障㊂
1.2.5　美国装备
ITT公司生产的LCR-2020海岸警戒雷达,采用旋转抛物面赋形天线和行波管发射机,工作在C 频段,最大作用距离约100nmile,用于中近程对海对低空监视㊂
该雷达具备独特的 自动分区工作”能力,可对不同区域采用不同的探测信号和处理方式;具有高㊁低波束,高波束减少了海杂波影响适合对低空探测,低波束适合对海探测;采用模块化设计和开放式架构,可作为单部雷达使用,也可多套雷达组网使用㊂同时,该雷达也可以与其他传感器进行一体化集成,
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电讯技术 2020年
比如ITT 公司推出的SABER2020海岸监视系统中就包含了LCR2020雷达㊁声呐系统㊁电子支援系统㊁数据链和指控系统等㊂
1.2.6　俄罗斯[2]俄罗斯 台风”公司研发的独石-B(Monolit-b)车载型机动雷达系统,主要担负对海面目标和低空目标的探测㊁跟踪㊁分类,以及多站/多平台信息综合处理㊁反舰导弹目标指示等任务㊂该雷达具备两种超视距探测手段,一是利用大气波导效应(概率性事件)的主动微波超视距探测,X 频段,最大作用距离250km;二是利用对流层散射效应(全时存在)的被动探测,频率范围1~10GHz,最大作用距离
450km,需要通过双站协同工作完成目标定位㊂1.2.7　加拿大[3]
雷声公司研制的第三代高频表面波雷达(图1)能够探测低空飞行目标㊁高空威胁以及大中小型水面舰艇,用于监视200nmile 专属经济区内的海上交通情况,还可用来保护渔业和海洋环境㊂该雷达采用开放式架构,软件定义功能,广泛应用COTS 技术;采用虚拟孔径技术,增强小目标的检测跟踪能力,对19m 拖网渔船作用距离可达230km;智能化自动选频工作,电磁环境适应能力强;可与AIS 等相关设备数据自动关联使用
㊂
图1　加拿大第三代高频表面波雷达
1.2.8　澳大利亚装备
SECAR 地波超视距雷达由Daronmont 公司研
制,采用固定安装㊁收发分置阵列天线,两坐标,工作在HF 频段,用于全天候海岸警戒㊁经济资产保护㊁反走私㊁天气监视㊁偷渡监视和海上交通管制㊂其方位范围为120°,最大探测距离300~450km㊂
1.2.9　以色列装备
以色列Elta 公司的EL /M-2226海岸监视雷达采用调频连续波,X 频段,对巡逻艇类目标作用距离约30nmile,具备ISAR 成像功能,用于在恶劣海况条件下探测海面小目标,特别适合探测中远程小型目标,具有自动目标探测和跟踪(无需人员操作)㊁高的距离分辨力和距离/方位精度等特点,并可以和光电等其他传感器集成使用㊂
除上述雷达外,瑞典的海岸 长颈鹿”(Coastal
Giraffe)㊁俄罗斯的 向日葵”(Sunflower)地波超视距雷达㊁意大利的TPS755(改进型为828)主动微波超视距雷达和 冥王星”(Pluto)雷达也是海岸警戒雷达的重要成员㊂1.3　发展特点
分析国外海岸警戒雷达,其特点主要表现在以下几个方面:软件化水平不断提高;精细化探测能力强;多功能㊁三坐标雷达逐渐出现;超视距㊁雷达发展更加重视;集成组网使用,可靠性高㊂(1)普遍采用开放式体系架构,大量应用COTS 技术,软件化水平不断提高
美国国防部早在20世纪90年代就开始推行开放式体系架构的设计理念,全力推动通用㊁开放的雷达系统体系架构应用研究,以降低寿命周期费用,提高性能和加快产品升级㊂随着电子技术快速发展,计算机处理能力不断增强,主流的雷达装备普遍采用了开放式结构,大量应用COTS 技术,数字化㊁软件化水平越来越高㊂
(2)精细化探测能力强
法国Thales 的CW 系列雷达和丹麦Terma 的
SCANTER 系列雷达均为X 频段,采取了专用信号处理算法,能对慢㊁中㊁快速小目标进行分别处理,在恶劣气象环境下(大雨)仍然可以获得较好的海面小目标检测能力㊂美国的LCR2020雷达,采用了高低波束,海空双通道处理技术,而且能够按方位自动分区工作,以实现不同探测区域的最佳探测㊂
(3)多功能㊁三坐标雷达逐渐出现
沿海附近日益增多的低空飞机和小船对岸基雷达的多功能㊁三坐标探测提出了需求㊂德国的SPEXER-2000型监视雷达,X 频段,有源相控阵体制,数字波束形成,重点突出了多功能任务㊂该雷达
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对微弱目标有良好的探测能力,能够自动区分目标类型,兼具对直升机的引导功能和武器指示功能,且具有极佳的电子战能力㊂
(4)超视距㊁宽带成像雷达发展更加重视
视距雷达探测距离受到架高限制,海域覆盖范围较小,为此各海洋大国均发展了相应的超视距雷达,比如俄罗斯的独石-B微波超视距雷达和 向日葵”地波超视距雷达㊁澳大利亚的SECAR地波超视距雷达㊁加拿大的SWR系列地波超视距雷达,探测距离达到400km㊂
为增强目标识别能力,宽带成像技术也得到应用,如以色列的EL/M-2226雷达,具备ISAR成像功能㊂
(5)集成组网使用,可靠性高,支持无人值守
现今,国外对海雷达均具有较强的远程监控和组网能力㊂如:美国的LCR2020雷达即可独立值勤,也可作为SABER-2020海岸监视系统的配套设备,与光电㊁声呐㊁电子侦察㊁技侦等多手段一体化集成综合运用;法国CW100雷达MTBCF达到8700h,每年只需一次例行检修,6部CW100与C2值勤系统组网实现山上无人值守㊁山下集中值勤;瑞典Giraffe等雷达也具有可靠性高㊁组网能力强的特点㊂
2　海岸警戒雷达面临的挑战
随着海上经济快速发展㊁世界形势不断变化,来自海上的威胁日益增多,海岸警戒雷达面临严峻的挑战㊂
(1)目标密集复杂,小目标占比增大
近岸活动的船只多㊁分布密集㊂正常来往的商船㊁货船,执行任务的军用舰艇㊁海警船㊁渔政船,渔船群,外军㊁非法活动船只等,特别是小目标数量越来越多,如小艇㊁小木船㊁潜望镜等,在高峰期一部雷达当面海区100km范围内,常常会有几百到上千批海面目标,这需要不断提升雷达数据处理容量㊂探测㊁分辨密集分布的小目标,则要求雷达具备高的距离㊁方位分辨力㊂
船只类型多,差别大㊂在RCS方面,从0.1m2到上万m2,动态范围达到50dB甚至60dB以上,对雷达的杂波抑制能力和瞬时动态都提出了挑战㊂在机动速度方面,从0到70多节,甚至上百节,要求雷达的录取跟踪适应性要强,不仅需要强的低速目标检测跟踪能力,也要具备高机动目标跟踪能力㊂低空目标越来越多㊂常规海岸监视雷达大都架设在沿岸高地,对低空目标探测具有天然优势㊂目前的海岸雷达对低空的常规直升机㊁固定翼飞机可以正常发现,但数量正在急剧增多的无人机对当前的海岸雷达提出了挑战,这类目标RCS更小㊁飞行高度更低且机动性能更强㊂特别是巡航导弹的发展,掠海飞行高度低至7~15m,射程可达
2500km,发射平台多样,已经成为海岸雷达的现实威胁㊂
(2)近海环境复杂,有源干扰增多
海杂波是影响海岸雷达海面目标监视能力的一个主要因素,面对低慢小目标的探测,海杂波抑制问题更加突出㊂关于雷达海杂波的理论研究一直没有取得大的突破[4],目前大部分的成果应用仍然主要集中在对实际海杂波数据的统计特性研究方面[5-6],海岸雷达的海杂波抑制能力亟需提高㊂由于沿海经济的快速发展,海岸警戒雷达工作电磁环境正在变得更加复杂,比如周边工业无线电㊁海上风电场等㊂雷达不仅需要适应这些无意的干扰,战时还会面临敌方有意的电磁干扰,甚至可能受到电磁攻击㊁反辐射弹打击㊂
(3)任务多元,探测能力要求高
海岸警戒雷达探测范围需要全时全天候覆盖专属经济区,甚至更远㊂对专属经济区内重点目标㊁重点区域全部目标能够及时发现㊁连续跟踪,而且能够准确识别㊂
为能有效应对无人机㊁巡航导弹等新的威胁,海岸警戒雷达需要提供更高质量的情报,能够与武器系统交联,实现搜索发现㊁跟踪识别㊁目指打击㊁效果评估一体化㊂
综上,目标㊁环境及任务的变化,都需要海岸警戒雷达不断提升综合探测识别能力㊂而且考虑到雷达数量大㊁工作时间长,又需要控制雷达采购㊁使用㊁维护保障费用㊂
3　未来发展
雷达装备发展是作战需求和技术进步共同作用的结果㊂目标的多样化㊁环境的复杂化㊁任务的多元化对海岸警戒雷达提出了更高的要求㊂
3.1　雷达形态上,开放式㊁闭环架构,模块化㊁网络化(1)开放式架构,软件化特征更加明显
开放式架构的基本特性有:模块化,由一系列功能模块通过搭积木方式组成;可移植性,各功能模块可以运行在不同系统内;可互换性,采用不同方式实
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现的功能模块,模块间互换不影响功能的完整性;可互操作性,各模块间可通过标准接口互访㊁互操作;可缩放性,可根据不同的需要增减模块数量;可扩展性,系统功能可灵活㊁方便扩展;易获得,不依赖于特定的供应商;即插即用,各功能模块提供详细的接口定义,系统可自动识别㊂随着宽带高性能射频前端㊁高性能实时计算等技术的发展,雷达的软件化水平将进一步提高㊂雷达构成将逐步由多单元(天馈㊁发射㊁接收㊁信号处理㊁数据处理㊁显示控制等)向三单元(射频收发前端㊁信息处理平台㊁显控终端)发展,如图2所示㊂收发前端和显控终端将越来越简洁,信号数据处理将越来越复杂,越来越精细㊂软件将成为功能实现的关键,算法将成为性能提升的核心
㊂
图2　未来雷达构成示意图
(2)闭环系统,越来越智能
软件化雷达的开放式架构,增加接收到发射的反馈,通过记录分析接收的回波数据,自适应调整雷达的工作模式㊁参数,则可以认为雷达具备了认知[7]能力或一定的智能㊂随着大数据㊁云计算㊁人工智能等新技术在雷达领域的快速应用,智能化雷达发展迅速㊂智能雷达架构是开放的,同时又是闭环的,不仅是发射-环境-接收-处理-发射的闭环,而且是数据-知识-应用-更新知识-应用的闭环㊂未来雷达将真正实现 环境自感知㊁处理自适应㊁能力自提高”㊂
(3)模块化构建,网络化部署
未来海岸警戒雷达将保持架构不变,根据阵地环境㊁功能要求的不同,由标准模块以 搭积木”的方式构建㊂构成雷达的模块㊁功能单元即可集中部署,也可分布式部署,分布式网络化雷达的实用性越来越强㊂
3.2　雷达体制上,多功能一体化,多体制并行发展,
特殊体制受到重视 (1)多功能一体化
随着探测需求的不断增加,海岸警戒雷达必将
发展到多功能一体化㊂
一是目标及环境探测一体化㊂不仅能够同时兼顾海面㊁低空目标,也可兼顾海态环境信息的获取㊂
二是目标搜跟㊁识别㊁打击评估一体化㊂不仅可以对目标搜索发现㊁连续跟踪㊁分类识别,也能够为武器系统提供目标指示,对打击效果进行评估㊂三是探测通信侦察对抗一体化㊂可对目标探
测㊁通信[8],也可完成电子侦察㊁电子对抗任务㊂
(2)常规视距和超视距雷达并行发展
在沿岸㊁毗邻区至100nmile 范围内的警戒监视主要依托常规微波视距雷达,这类雷达工作频段主要集中的S㊁C㊁X,L 频段也可选用,在精细化探测的需求下可能会扩展到Ku 甚至更高频段㊂
在沿岸视距至200nmile(专属经济区)范围的常态化监视,则主要依靠两类超视距雷达,一类是微波超视距雷达,这类雷达架设海拔几十米的岸边,利用海面蒸发波导可探测250km 以远的海面目标;一类是地波超视距雷达,架设在平坦的海边,利用高频海表面波可实现海面目标300~400km 的警戒监视㊂
200nmile 以远的海域监视,则主要依托天波超视距雷达以及天波发射地波接收方式的天发地收雷达㊂
(3)特殊体制雷达受重视
为能更好地探测,一些新体制的雷达也正在受到重视发展㊂
一是无源雷达㊂不主动发射电磁波,利用外部辐射源完成目标的探测㊂其在反侦察㊁反干扰㊁反隐形飞机和巡航导弹㊁抗反辐射导弹㊁反低空突防方面等诸多优势[9]㊂
二是气球载雷达㊂雷达搭载气球升空,拓展探
测范围的同时,保持较高的探测精度㊁分辨力㊂气球载雷达低空探测能力强,相对预警机来说,具有留空时间长,效费比高等优点㊂气球升高一般在3km 左右,海面目标探测距离可达200km 以上㊂
三是成像识别雷达㊂带来威胁的目标常常是非合作目标,比如无AIS 信息㊁电磁静默,这类目标的识别将主要依赖主动雷达㊂专用于目标识别的雷达有可能得到发展,它将能够全面提取㊁积累目标的宽带像㊁窄带回波特征信息,快速对目标自动识别㊂
四是MIMO 多基地雷达㊂随着时间㊁空间㊁相位等三大同步技术的发展,MIMO 雷达㊁多基地雷达也将在海岸警戒雷达得到全面发展㊂
五是极化雷达[10]㊂极化作为电磁波的本质属
性,是幅度㊁频率㊁相位以外的重要基本参量㊂充分
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开发利用雷达极化信息将对雷达目标检测㊁跟踪㊁识别及抗干扰等几乎所有功能都能带来革新和提升㊂3.3　雷达使用上,综合集成,无人值守
一是多类设备综合集成㊂一方面在单个平台内雷达与光电㊁电子侦察㊁AIS㊁广播式自动相关监视系统(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS
-B)等设备集成,增强对目标的发现㊁识别能力;另一方面,多个平台间组网协同,既包括岸基的固定㊁机动平台间组网,也包括岸基平台与海上㊁空中平台的协同㊂
二是前端无人值守,后端集中联合㊂前端主要是指雷达天线㊁发射㊁接收部分,前端配置阵地通常是沿岸高山㊁岛礁,环境恶劣,需要做到高可靠,支持远程操控㊁维护保障;后端主要是指信号和数据处理平台以及显控终端,后端配置在环境较好的山下营区,类似VTS系统值勤方式,值勤人员集中在山下营区完成雷达操控㊁目标监视任务㊂前端与后端通过光缆或无线连为一体㊂
4　结束语
不断增长的领海㊁专属经济区目标监视需求是海岸警戒雷达发展的直接动因,分析国外海岸雷达发展现状和特点,预测未来海岸警戒雷达发展方向,可对我海岸警戒雷达发展提供借鉴:一方面需要大力推进雷达软件化水平,构建开放式㊁闭环架构,为智能化应用提供基础支持;另一方面需要大力推进基于数据工程的雷达技术攻关㊁试验验证㊁装备应用的迭代滚动发展机制,促进海岸警戒雷达持续快速发展㊂相信在今后,经过广大海岸雷达科研人员的努力,我国将会有更多的好用㊁管用㊁顶用㊁耐用的海岸警戒雷达㊂
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报,2016,5(2):119-131.
作者简介
:
鉴福升　男,1973年生于山东利津,2009年获博士学位,现为工程师,主要研究方向为
雷达系统㊁雷达信号与数据处理㊂
李　洁　女,1981生于山东栖霞,工程师,主要研究方向为雷达系统㊂
李　迅　男,1977年生于山东栖霞,高级工程师,主要研究方向为雷达系统㊂
罗　军　男,1971年生于湖南洪江,高级工程师,主要研究方向为雷达系统㊂
赵东伟　男,1990年生于山东临沂,工程师,主要研究方向为雷达系统㊂
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电讯技术 2020年。