E-2D雷达的发展——从雷达监控技术实验雷达RSTER到E-2C RMP计划

万磁王

作者：TAOG
来自空军之翼


　　E-2D的APY-9雷达据报导探测性能相比旧的APS-145雷达是“两个世代（two  generation）”的进步。在官方网站上，厂商解释雷达探距性能的进步主要来自两点：第一是使用SiC高功率固体发射机技术，功率比起APS-145雷达系统有了大幅提升；第二是采用更为灵敏的数字接收机，同样对于雷达探距有帮助。根据相关文件，E-2D雷达的相关技术早在2000年前就被大量验证和发展，除了上述提的两点和广为人知的STAP技术，E-2D雷达也具有由林肯实验室协力发展的数字波束成型（digital  beam forming）能力【1】。

E-2D与E-2C的雷达覆盖范围对比

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　　早在1977年，意识到巡航导弹带来的威胁，美国国防高等研究计划署（DARPA）开始与林肯实验室团队合作发展对抗这类目标的防空系统。一开始计划重点是了解和评估美国本身不同种类的巡航导弹面对苏联防空系统的生存和穿透能力，1982年空军自DARPA转接走计划主导权后，1983年计划名称定为“空中载具生存能力评估计划（Air  Vehicle Survivability Evaluation  program，AVSE）”。经由早期研究和后来的AVSE计划（1977年~1984年），大量的模拟和实际地面的实验资料，林肯实验室团队了解到不只是巡航导弹本身的雷达低可观测性对于防空雷达系统是挑战，由于巡航导弹普遍飞行在低高度，严重的环境杂波会更进一步使雷达侦测不到目标。在了解和认清这类目标为防空系统带来的挑战后，计划目的之一也加入了设计和发展雷达或红外系统去防御这类威胁。

APY-9雷达具备机械扫描和电子式扫描方式

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　　1983年海军也加入了AVSE计划，海军加入计划的理由与空军不同，希望利用AVSE计划累积起来的数据，协助海军发展舰载雷达防空系统去对抗苏联的巡航导弹威胁。基于此目的，海军与林肯实验室团队在1984年正式开启了“雷达监控技术计划（Radar  Surveillance Technology program，RST program）”，一个名为“ 雷达监控技术实验雷达（Radar  Surveillance Technology Experimental Radar，RSTER）”的电子扫描阵列（electronically scanned  array）雷达因此完成。RSTER雷达工作频段在UHF波段，AVSE计划相关研究指出大部分巡航导弹的低可观测雷达技术（包含外型设计和吸波涂料）在高频的X波段附近较有效，在波长较长的频段效果则不明显，因此UHF波段是对抗这类目标的合适选择之一。最初的RSTER天线由西屋公司（Westinghouse）发展，阵面5米高、10米宽，拥有14排通道（每通道上拥有24个辐射阵子）【2】，具有极低的旁瓣特性。天线水平方向是机械转动，利用低旁瓣来对抗杂讯干扰；垂直方向则是电扫，采用数字自适应凋零技术（digital  adaptive  nulling）排除干扰源。同时雷达功率发射机也是由西屋公司提供，是Si功率模块全固态发射机，发射机由14个功率模块组成，每个模块尖峰功率10kw，脉冲重复频率为300Hz（通常状态，最高到1200Hz），整个发射机尖峰功率为140kw而平均功率为8.4kw，占空比为6%（Pulse  width 200ms搭配PRF 300Hz）。1991年RSTER雷达原型在Katahdin  Hill由林肯实验室团队组装完成，测试表明雷达在抑制环境或人为干扰表现上还超乎了当初的开发要求。1992年RSTER雷达在海军在维吉尼亚州的测试场地Wallops  Island进型更多项目测试，包含探测、追踪巡航导弹和试验抗干扰能力。RST相关技术最终被用于提升海军的舰载雷达性能。

还在Katahdin Hill时的RSTER雷达

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　　虽然在Wallops  Island时RSTER雷达已经多次成功展示在有人为干扰情况下探测和追踪具有低雷达可观测性的巡航导弹，但这些目标和探测场景都是在中高空，位于低空飞行的巡航导弹则由于地面雷达的视界问题，探测距离无法突破地平线。因此海军和高等研究计划署开始研究把RSTER雷达相关的技术用在预警机雷达上，如此可以大幅延升对低空飞行巡航导弹的预警距离。1993年后RSTER雷达开始参与了高等研究计划署（APAR）的“山顶计划（Mountaintop  program）”，计划许多的成果实际运用到了后来E-2C雷达的换代计划。
　　RSTER雷达在山顶计划中一个重要贡献是为后来耳熟能详的“空-时自适应处理（space-time adaptive  processing，STAP）”技术蒐集了大量资料打下发展基础。前面提过海军想把RSTER雷达技术用在空中预警机雷达上，但是将雷达搬上空中的挑战是十分巨大的：首先，空中雷达下视时所遇到的环境杂波反射问题将更为严重；在者由于机体高速移动，致使杂波谱大大扩展，导致目标更容易淹没在杂波中；最后，在旁瓣区的干扰源也可分析利用地型的反射或散射使干扰能量也得以进入雷达主瓣造成干扰。上述这些问题促使ARPA开始在山顶计划里进行大量支持STAP技术的实验数据蒐集和发展。在1993年，RSTER雷达从Wallops  Island被移去了白沙导弹试验场（WSMR）的North Oscura  Peak（NOR），一个海拔约2400米高、距离底层沙漠1200米的悬崖边去模拟空中的预警机雷达。根据林肯实验室团队说法，此处雷达往下看时，反射回的环境杂讯非常严重，因此是个理想的测试地点。这时的RSTER天线转了90度（变为10米高、5米宽），称为RSTER-90，同时因为RSTER-90是架在地面不会移动，实验中还会部属一个“逆相位中心偏置阵列（inverse  displaced-phase-center  array）”，依次从其线型阵面上的辐射单源发射讯号，其制造的模拟反射杂波与移动的的机载雷达所接收的反射杂波具有相同的时、域特性，因而得以让在地面不移动的RSTER-90雷达能去模拟高速移动的机载雷达遇到的情况。在一次实验场景中，一架目标（F-5战机）在RSTER-90雷达154公里远处，由IDPCA阵列照射的反射杂波从同样距RSTER-90雷达154公里远的Diamond  Peak返回并被接收，结果表明如果不使用STAP相关技术处理，目标讯号直接被杂波讯号淹没而无法提取检测。【3】

左为部署在NOR断崖边的RSTER-90。右为IDPCA阵面，共有72个单元

1993年在NOR的一些实验设备。Jammers被用于上文中没提到的另一次实验

搭配IDPCA阵列实验。采用了STAP相关技术后，目标讯号可以不被杂波讯号淹没

上文中未提的一次试验，未加入IDPCA阵列但有高功率干扰机干扰（JNR=60db）场景

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　　整个1993年，RSTER雷达在NOR做了形形色色的实验，为发展STAP技术累积不少宝贵数据。1994年后RSTER雷达也在夏威夷考艾岛的Makaha  Ridge和Kokee Park进行部署，同样选在地势高处来模拟空中雷达系统。与底下是沙漠的NOR相比，RSTER雷达在Makaha Ridge和Kokee  Park的位置底下是太平洋和海军太平洋导弹靶场设施（Pacific Missile Range  Facility，PMRF），整体环境更接近海军预想的场景，得到的实验数据更接近真实。在Kokee  Park处的RSTER雷达于1996年1月参与了海军“海军巡航导弹防御先进概念技术展示（Navy Cruise Missile Defense Advanced  Concept Technology Demonstration，Navy Cruise Missile Defense  ACTD）”计划下的一个实弹拦截试验。在这个试验中，RSTER雷达部属在一个1160米高的山顶上充当空中预警雷达，同时旁边还部署了一个MK-74火控雷达系统。RSTER雷达和MK-74雷达系统都借由“连合接战能力（Cooperative  Engagement  Capability，CEC）”系统与宙斯盾巡洋舰上的战斗系统相连和分享雷达数据，四架BQM-74E靶机分别从PMRF发射以不同交战脚本进行试验。一架以4570米高度飞行，其余三架则以接近一马赫速度在低空15米高度上飞行来模拟敌方袭来的巡航导弹。【4】低空飞行的靶机由于雷达视界问题没被舰上雷达系统发现，而是由山顶上的RSTER雷达首先发现并引导MK-74雷达一起进行追踪。其中一个交战场景，低空飞行的BQM-74E飞向RSTER雷达所在的Kokee  site，最后由CG-70（USS Lake Erie）宙斯盾舰上发射的修改版SM-2 Block IIIA击落（下图的Scenario 2），整个过程USS  Lake Erie号上的雷达系统未提供任何目标雷达资讯，所有雷达资讯包含前段的探测、追踪和最后山顶上MK-74进行终端照射都经由CEC系统馈给USS Lake  Erie号（但是SM-2的中途上链更新依然由USS Lake Erie号完成）。上述的四个实弹拦截试验就是后来大名鼎鼎的山顶（Mountain  Top）试验，CEC连合接战能力系统也从此声名大噪。

舰载雷达系同由于雷达视界问题，无法探测到还位处于远方地平线下模拟敌方低空飞行巡航导弹的靶机。所有目标资讯由山顶上的RSTER雷达和MK-74火控雷达系统经由CEC连合接战系统提供给宙斯盾巡洋舰

四个交战的脚本场景简图

Scenario 2接战图，目标前期由RSTER雷达探测跟踪，并引导（cue）MK-74雷达系统。【5】

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　　在Kokee处进行一连串ACTD计划演示，位于考艾岛Makaha  Ridge的RSTER雷达则同时继续进行由林肯实验室团队和海军合作的多个研究（例如继续发展完善STAP技术），而其中一个值得一提的是把RSTER雷达与为E-2C雷达现代化计划（Radar  Modernization Program，RMP）发展的ADS-18S天线做整合测试。前面提过，APAR的Mountaintop  program许多成果和特征都用到了E-2C雷达的换代计划，ADS-18S是由诺斯诺普•格鲁曼公司发展的18个通道（每通道所含阵子单元数未知）、能使用STAP技术、工作于UHF波段的线型电子扫描阵列天线。与RSTER雷达早期天线相同，水平方向ADS-18S是采用机械转动，垂直方向则是电子扫描。在真正为RMP计划发展的硬体设备完成前（SiC功率模块发射机、全数字接收机【附录】等），ADS-18S天线取代了RSTER雷达原本在1997年~1998年使用的平面天线并成功完成与RSTER雷达的整合。天线成功测试后，RSTER随即被格鲁曼公司完成的早期RMP硬体设备原型取代，最后整个完整的雷达系统由一架C-130进行飞行搭载测试。

E-2C RMP计划发展的ADS-18S 18通道天线，也是现在E-2D的雷达天线

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　　除了18通道的ADS-18S天线项目，一个由海军研究办公室（Office of Naval  Research，ONR）赞助的54通道环形天线——“UHF频段电子扫描天线先进技术演示（UHF electronically scanned antenna  Advanced Technology Demonstration，UESA  ATD）”计划也被提出。UESA天线项目做为一种比ADS-18S天线更先进的替代方案，由于是360°环形天线，相比ADS-18S天线，UESA天线本身是不进行机械转动的。

UESA环形天线缩比模型，具有54通道

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　　但是根据相关文献，UESA虽然天线涵盖360度范围，但实际运作时却仍无法达到实时360度空域扫描。在“Multi-Channel Electronic  Scanning Module for an Ultrahigh Frequency（UHF）Circular  Array”文件中提到，UESA在运作时是从一个由50到60个SiC功率模块（单个功率模块尖峰功率为10kw）组成的固体发射机将射频功率馈给由数个相邻天线通道组成的天线子阵进行辐射和扫描（文件指出天线子阵所含的通道数量是天线总通道数量一半——27个天线通道），经由数次重组天线子阵、环绕天线一圈以6又2/3度区间间隔依序分区完成360°扫描（详细示意图如下）。虽然曾有期刊研究文献指出UESA的天线子阵应该是由20个天线通道组成【6】，但从一份描述CEC天线体积缩减和UESA发射机/接收机转换模组设计发展（Project  Title：CEC Antenna Miniaturization/UESA Switch Module  Development【7】）的档案得知，UESA的天线子阵应该是包含了27个天线通道，并且雷达发射机的功率模块数量是54个，运作时由总共54个SiC功率模块组成的发射机（总峰值功率540kw）输给27个天线通道：
　　“……为了使UESA天线拥有最好天线增益表现，天线子阵是由27个相邻的天线通道组成，并会重组54次来达成空域360度扫描……借由为UESA计划发展的特殊“发射机/接收机转换模组（T/R  Switch Module）”和集合了27个转换模组的“发射机/接收机转换模组次系统（T/R Switch Module  subsystem）”，达成了让54个、每个尖峰功率10kw的发射机功率模块将射频能量馈向由相邻的27个天线通道组成的天线子阵。……一开始，曾有个转换架构设计使单个发射机模块对应单个天线通道，此设计方案优点是简单，缺点是雷达工作时，发射机的54个功率模块中随时只有27个在运作，另外不运作的27个功率模块相当于呆重。这对于设备重量分毫必较、搭载能力有限的预警机（E-2C）来说，此种方案的优点无法盖过造成的缺点，没有被接纳。另一种方案是采用了别种转换模组技术架构，同时发射机功率模块数量减为27个（发射机总锋值功率270kw），借由27个转换模块将发射机射频能量馈给任意的相邻27通道天线子阵。虽然这方案将发射机能量百分之百使用，但有效辐射功率只有原先理想将拥有54个功率模块发射机能量百分之百使用的方案的一半，所以没有成为最终UESA计划的设计。……”
　　除了上述的两个文件，另一份2001年射频功率元件技术领域相关的回忆录里（“SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF  APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP  TECHNOLOGY”）【8】也指出最终定型的UESA计划要求搭配的发射机所含的功率模块数量是54个（整个发射机是540kw尖峰功率），同时诺斯诺普•格鲁曼公司也会为ADS-18项目发展一个更先进、更轻的SiC功率模块，但发射机总尖峰功率一样保持在540kw（……A  more advanced, lightweight version will also develop 540KW for the ADS-18  program. This version will be based on 1350W  transistors.）。雷达系统运作方式应为将所含功率模块数量未知、总功率为540kw的发射机去输给18个天线通道。【附录】

UESA天线局部图（包含15天线通道）。假设天线子阵为4个相邻天线通道所组成，天线子阵会依序由左往右重组（AAAA变为BBBB再变为CCCC等），并且以每次间隔6又2/3度（360度/54）来完成360度空域扫描。而实际上最终定型的UESA是设计由27个天线通道来组成天线子阵

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　　环形天线的UESA方案也成功发展了STAP技术，地面测试除了和RSTER雷达，UESA还和一种缩写名称为“MSSTIC”、只部署在Makaha  Ridge的雷达整合测试过。【9】MSSTIC雷达是RSTER雷达的改进版，一样是工作在UHF频段，但固体发射机采用SiC功率模块（RSTER雷达则为Si功率模块），同时还加装了RSTER雷达所没有的数字接收机。虽然单个功率模块尖峰功率和占空比同为10kw和6%，但MSSTIC雷达发射机所含的功率模块数量为27个（RSTER雷达则为14个）。UESA天线在与MSSTIC雷达和RSTER雷达搭配时由于两者发射机数目不同，因此天线子阵所含的天线通道数目也不同，在天线水平增益或波束宽度上也有不同表现。

整合了UESA天线的MSSTIC雷达和RSTER雷达性能列表。虽然同样是UESA天线，但由于天线子阵所含的天线通道数量不同，两系统的水平波束宽度有差异

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　　虽然UESA完成了一系列地面雷达整合测试，并于2006年至2007年间集成了108个单元、工作在L频段的敌我识别系统（IFF），但最后仍然被取消，E-2C  RMP选用的还是ADS-18S方案。

原本更强悍的UESA方案最终仍没有被采用

　　最后，现在E-2D所使用的APY-9雷达就是源自于E-2C  RMP计划的结果。在雷达功率方面，UESA发射机/接收机转换模组设计发展档案【7】里提到过UESA的540kw（峰值功率）SiC功率模块发射机占空比为6%（脉冲宽度200ms/脉冲重复频率300Hz），如果ADS-18计划的指标在后来没有发生改变，并且一直使用在2000年前后所发展、没有使用后来更先进的技术，那么相比旧有APS-145雷达的4kw平均功率，E-2D雷达的平均功率应为32.4kw，比起APS-145大幅提升。另外采用了更灵敏的数字接收机，更先进的后端处理器，使雷达探测性能更进一步得到提升，这也就是为何海军总强调E-2D雷达相比APS-145是两个世代差距。
引用文献
【1】MIT Lincoln Laboratory - Technology in Support of National  Security，page.243
【2】An Ultralow-Sidelobe Adaptive Array Antenna
【3】THE ARPA/NAVY MOUNTAINTOP PROGRAM： ADAPTIVE SIGNAL PROCESSING FOR AIRBORNE  EARLY WARNING RADAR
【4】Radars for the Detection and Tracking of Cruise Missiles
【5】Mountain Top： Beyond-the-Horizon Cruise Missile Defense
【6】Circular Array STAP，Michael Zatman，Brian Freburger and Daniel Rabideau
【7】Project Title：CEC Antenna Miniaturization /UESA Switch Module  Development，page. 2~14 & A13、A14
【8】SPECIAL TECHNOLOGY AREA REVIEW ON RF APPLICATIONS FOR WIDE BAND GAP  TECHNOLOGY，page.49
【9】Mountaintop Surveillance Sensor Test Integration Center Facility，Kauai，Hawaii