在成本和性能之间的平衡，美远程鉴别雷达LRDR选频分析

在成本和性能之间的平衡，美远程鉴别雷达LRDR选频分析

2015年10月，导弹防御局（MDA）授予洛克希德·马丁公司7.84亿美元的合同，用于开发、测试和建造LRDR，目标是到2020年使LRDR在阿拉斯加中部的Clear空军基地投入使用。建设成本预计将再增加3.29亿美元，使LRDR的总建设成本超过11亿美元。2017年9月，阿拉斯加LRDR的建设开始。截至2018年3月，LRDR预计将在2020年“首次投入使用”，并“在2022年时获得作战人员的作战准备就绪”。

     

     

目前已经明确远程鉴别雷达（Long Range Discrimination Radar，LRDR）将在雷达频率的S波段工作，（S频段覆盖2到4 GHz的范围），因为LRDR将成为美国陆基中段防御（GMD）国家导弹防御系统的关键识别传感器，而用于目标识别最近的频段是X波段（8-12 GHz），相对于S波段，X频段能够在目标识别能力方面提供了明显的优势。选择S频段最大的可能是成本上的考虑，除此之外也许导弹防御飞行和拦截测试表明X波段在实际操作中没有提供优于S波段的任何优势。LRDR使用双极化方式，这有利于获得目标的形状方面的信息，有利于进行真假弹头识别。LRDR将也将具有两个天线阵面，每个阵面具备120度的方位覆盖性能，因此雷达可能会具有约240°的方位角视场,如下图所示：  

LRDR雷达阵面示意图

2017年的一篇文章曾指出，LRDR将具有两个3,000平方英尺的天线阵列（3,000平方英尺= 279 平米 ）。据洛克希德公司LRDR计划经理Chandra Marshall称，LRDR将比SPY-1天线大25倍。假设此比较适用于雷达的每个面，由于SPY-1雷达天线的孔径约为12 m ，因此LRDR 的孔径约为300 m 。因此，似乎LRDR的每个天线面都比海基X波段雷达的天线面（249 m ）大，但比已经在美国GMD国家导弹防御系统中使用升级后的预警雷达（UEWR，384-515 m ）的天线面小，或者升级版Cobra Dane雷达（660 m ）要小。使用在TR组件中使用相对较新的氮化镓（GaN）技术与目前的TPY-2等基于砷化镓（GaAs）的模块相比，该技术以较低的成本提供了更高的功率和更高的效率。

为什么选择S频段，根据2018年《约翰·霍普金斯APL技术摘要》的文章（约翰·霍普金斯应用物理实验室领导了LRDR传感器行业研究的系统工程部分，确定了性能要求，选址适用性并制定了LRDR元件规范。）：“对于LRDR，选择S波段是一个折衷方案：在相同的灵敏度和覆盖范围下，S波段经过评估可提供比X波段（〜10 GHz）系统低得多的成本，并且具有可接受的性能。研究分析表明，尽管X波段的目标识别表现会更好，但仍不足以证明X频段相比S波段具有性价比的优势。”  

     

     

目标识别对于弹道导弹中段防御是至关重要的，而且是任何此类防御面临的最困难的问题。有美国政府资助的的两项研究（美国国家科学院和国防科学委员会的研究）批评了导弹防御局（MDA）对目标识别问题的重视不够。MDA决定部署LRDR似乎至少是对这一批评的部分回应。但是，虽然必须经常权衡取舍，但MDA决定接受LRDR的稍弱的目标识别能力，这增加了它仍然没有足够重视目标识别问题的可能性。

建立有效的弹道导弹防御（BMD）系统最具挑战性的方面是应对导弹攻击者可能采取的各种突防措施。对于在高于大气层的***进行中途防御的情况尤其如此，例如美国GMD国家导弹防御系统的地基***和美国海军“宙斯盾” BMD系统的SM-3***。

美国国防科学委员会2011年的一份报告指出，“过分强调实现可靠的中段识别的重要性”，并得出结论，“然而，大气外的目标识别仍未完全解决。必须继续对目标识别技术进行可靠的研究和测试。”2012年美国国家科学院发布的一份报告得出类似的结论，即“很难的事实是，没有实用的导弹防御系统能够避免对中段目标识别的需要，也就是说，必须在导弹防御系统中从威胁云中识别实际的威胁对象（弹头）。这种识别能力并不是中段防御的唯一挑战，但它是最艰巨的挑战，如果要获得准确的弹头信息，就必须更加认真地解决中段目标识别问题。”

当前，有两种主要的数据来源可用于中段识别：***上的红外搜寻器和水面（陆地或海洋）雷达。但是，红外搜寻器充其量只能将目标复合体中的每个对象视为单个像素的光，直到尝试拦截之前几秒钟。由于这个和其他原因，真假弹头的识别问题的必须主要落在地基雷达上。当GMD系统于2004年末宣布可运行时，它基本上没有目标识别能力。当时，其核心雷达基础设施包括两个大型相控阵雷达，即阿留申群岛西端的Shemya岛上的丹麦眼镜蛇雷达和加利福尼亚州Beale空军基地的铺路爪预警雷达。对这些雷达进行了升级，使其具有引导***攻击导弹的能力，现在被称为升级后的预警雷达（UEWR）。随后，又向该雷达核心添加了四个UEWR（在英国格陵兰，阿拉斯加中部和马萨诸塞州）。

政府问责办公室在2004年承认UEWR不能进行目标识别：“无论是丹麦眼镜蛇雷达，还是Beale升级后的预警雷达，都无法进行严格的真假弹头识别区分，只有X波段雷达才能实现此功能。而是，两个雷达都将利用通用的“目标分类”软件，使它们能够将物体分类为威胁物体或非威胁物体。例如，碎片将被归类为非威胁性，而诱饵等对象将被归类为威胁性。” 

• 频率、波长与分辨能力

2018年12月政府问责办公室关于丹麦眼镜蛇雷达的报告表明，今天这种情况仍然没有改变。它指出，丹麦眼镜蛇可以“跟踪”和“分类”导弹威胁，但不能“区分已部署诱饵的导弹威胁”或“确定是否成功拦截了导弹威胁”。

UEWR无法做出有效目标识别的最根本原因是它们在相对较低的频率下（或等效地在较长的雷达波长下）工作。丹麦眼镜蛇雷达的工作频率约为1.2 GHz（波长约23 cm）。其他五个UEWR的工作频率约为0.44 GHz（波长约70 cm）。 这些低工作频率将这些雷达的距离分辨率限制在5米或以上。对于相控阵雷达，其带宽β通常限于其工作频率的大约10％。那么，最佳可能的范围分辨率ΔR约为ΔR= c /2β，其中c是光速。除丹麦眼镜蛇雷达以外的UEWR具有β≤30MHz的带宽。当β= 30Mhz时，ΔR≥5米。距离分辨率是沿着距离轴（雷达与目标之间的线）的最小距离，雷达可以分辨出单独的物体（或沿着一个物体的不同特征）。沿着其他轴的分辨率通常要差得多。因此，距离分辨率为5米或以上的雷达几乎无法提供有关2米长的导弹弹头或类似大小的诱饵或其他物体的形状的信息，但可以从雷达横截面的变化情况中了解到的信息很少时间。（丹麦眼镜蛇雷达实际上可以提供大约1.1 m的范围分辨率，但只能在非常有限的角度范围内。由于其方向，该雷达从未参加过BMD拦截测试。）

正如2004年美GAO报告所暗示的那样，通过使用更高的频率（例如X波段），可以获得更好的距离分辨率，从而获得更高的质量判别数据。例如，在X波段（约10 GHz，对应于约3 cm的波长），相控阵雷达可实现约0.15-0.25米的距离分辨率。通过这种距离分辨率，可以解决2米长物体（例如导弹弹头）的多个特征。此外，通过使用多普勒测量，沿垂直于距离轴的轴可以实现相似或更好的分辨率，从而生成目标的二维图像（并且足够的时间甚至可以构建三维图像） ，虽然进行这种高分辨率测量的能力并不能完全解决目标识别问题，因此，MDA在2006-2007年部署了海基X波段（SBX）雷达。SBX是一个超大型（249 平方米天线面积）相控阵X波段雷达，位于自行式半潜式远洋平台上。 在檀香山以外地区运行的SBX已针对远程精确跟踪和识别进行了优化，据报道其带宽为1 GHz，范围分辨率约为0.25m。 然而，SBX最初是作为试验装备而建造的，它具有许多严重的局限性，最显着的是电子扫描视野非常有限（约±12度），这极大地限制了其作为实战中用于目标识别传感器的用途。（大多远程预警相控阵雷达的电子方向扫描视野约为±60度。）

此外，MDA在日本、韩国、土耳其、以色列和卡塔尔部署六台前置X波段雷达。这些TPY-2前向雷达与美国七个THAAD作战单元雷达基本相同（仅在软件和通信设备上有所不同）。这些前置部署雷达可能具有与SBX相同的距离分辨率，但作用距离更短，并且只能探测导弹向美国领土飞行的早期阶段。

LRDR雷达工作于S频段，从2 GHz扩展到4 GHz。美国“宙斯盾”巡洋舰和驱逐舰上目前的SPY-1雷达也可在3.1至3.5 GHz之间的S波段工作，带宽约为300-400 MHz。 SPY-1雷达能够生产ISAR图像（基于多普勒测量产生二维图像）。因此，可以粗略地预期，LRDR的带宽大约是LRDR的X波段版本的三分之一，而距离分辨率和成像能力则要差3倍。这种差异似乎足够大，足以证明约翰·霍普金斯APL论文的说法，即X波段版本的LRDR将具有比目前计划的S波段LRDR“优越”的目标识别能力。

• LRDR：S频段和X频段的成本

MDA于2014年3月首次向业界发布LRDR信息请求（RFI），表示它并未指定雷达的工作频段，而是根据雷达执行其“精确跟踪”所必需的权衡取舍，“以合理的理由寻求建议，识别和打击评估”任务。 这也增加了雷达可能具有有限视场（LFOV）相控阵天线而不是全视场天线的可能性。根据2018年Johns Hopkins APL论文：“ 2014年，MDA启动了远程鉴别雷达（LRDR）的工作，以获取新的中段目标识别能力，以补充现有的弹道导弹防御系统能力的不足。雷达的关键性能包括：在S波段（〜3 GHz）下运行，宽广的瞬时视场以实现对突袭目标的广域探测、宽广的瞬时带宽以及一大套可支持高鲁棒性能的中段识别功能以及高灵敏度在需要的远距离范围内提供这种辨别能力。”

这就确定两件事：LRDR将在S波段运行，并且将具有宽的电子扫描视场（EFOV），此处假定为±60度。两个LRDR天线面中的每个面都将填充大量GaN发送/接收（T / R）模块。对于这种类型的雷达，T / R模块是雷达成本的主要驱动因素。EFOV的要求设置了T / R模块之间的最大间距。对于EFOV为±60º和波长为λ的情况，正方形阵列中T / R模块之间的间距必须为0.536λ或更小，以避免产生栅瓣。 这给出了一个天线区域0.278平方波长/ 每个模块。对一个等边三角形的模块装置，每个单元的面积稍大- 0.332平方波长/ 每个模块。  

对于短波和大天线面，这些模块间距的限制可能导致对非常大量模块的需求。例如，SBX的天线面的有效面积为249平方米。假设频率为9.5 GHz（λ= 3.16 cm），方形模块阵列和EFOV =±60º，则需要约870,000个模块来完全填充天线阵列，这将是非常昂贵的。在实际应用中，SBX使用的模块间距约为2.35λ。结合使用其他技术来减少栅瓣的产生，该间距将所需的模块数量减少到约45,000，但代价是EFOV大大降低，仅为约±12º。

LRDR主要用于精确跟踪和识别。对于这种雷达，标准的品质因数是其功率孔径增益（PAG）乘积。假设其他所有条件（噪声系数、系统损耗、目标雷达横截面（RCS）等）相等，则在以下情况下，X波段和S波段将在目标上获得相同的信噪比：

其中P X是X波段雷达的平均功率，A X是其天线面积，G X是其天线增益。因为     和天线功率为P =P = N*pm，其中N是模块的数量和pm是每个模块的平均功率，这变为：

、

设S波段和X波段模块的平均功率是相等的（如下面所讨论的，可能不是一个有效的假设），并注意到天线区域为每个模块正比于λ 2，对于N X：

 

假设S波段雷达工作在3.5 GHz（λ= 8.57 cm）且X波段工作在9.5 GHz（λ= 3.16 cm），则：

 

因此，为了获得具有相同灵敏度和EFOV的雷达，所需的X波段模块数量可能至少是S波段模块数量的两倍。模块的数量将非常大，LRDR的两面所需的S波段模块的数量可能多达240,000。仅模块的比例就表明雷达的X波段版本将比S波段版本花费将近两倍的价格。由于与洛克希德·马丁公司签订的开发，建造和测试LRDR的合同价值为7.84亿美元，因此这种差异可能是一笔不小的数目。此外，实际成本比率可能会更高。与SBX或TPY-2雷达中使用的GaS模块相比，采用GaN技术的 T / R模块是一项相对较新的技术。LRDR和太空篱笆是最早使用GaN技术的超大型雷达，使用这种新技术，相比X波段模块，从S波段模块获得的平均功率可能会大于从GaN获得的平均功率，S波段的噪声系数也可能更低。此外，在较大的角度范围内，随着雷达频率的增加，弹头形目标的雷达横截面趋于减小。这些因素可能会大大增加X波段模块的数量，以使其获得与使用S波段模块的LRDR雷达相等的灵敏度。因此，可以得出合理的结论，即X波段版本的LRDR的价格至少是当前计划的LRDR的两倍或者更高。

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