译文：防空反导雷达的发展

论 文作者：Kenneth W. O'Haver, Christopher K. Barker, G. Daniel Dockery, and James D. Huffakcr

摘要

雷达系统是防空反导系统的关键要素。约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）在通过系统工程方法，采用科学和先进技术来引领先进雷达系统的开发或改进方面，具有悠久的历史。本文中总结了APL对先进雷达开发的重大贡献，从最初宙斯盾系统的多功能相控阵雷达技术，到固态雷达和弹道导弹防御雷达的开发，还有最近在美国海军新型防空和导弹防御雷达方面做出的贡献。

简介

约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）成立于1942年，旨在开发无线电近炸引信，此装置可以在防空炮弹接近目标时触发炮弹。1943年，美国军舰海伦娜号成为第一艘通过近距离引信弹击落敌机的船舰。这一技术的快速发展和向生产过渡，标志着约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）75年来通过系统工程方法，采用科学和先进技术进行全新防空反导能力开发或重大改进的开始。这一方法从识别和量化作战需求开始，通常是由对手采用新技术或战术驱动的。此方法的执行包括开发操作响应系统概念和要求，应用技术并执行关键实验，将操作验证的技术方法转让给工业生产商，在现场或海上进行测试，以及评估系统对不断演变威胁的有效性。

在本文中，我们回顾了APL通过将系统工程方法应用于防空反导任务，在先进雷达开发方面取得的多项重大成就。我们从作为宙斯盾计划基础的多功能相控阵雷达技术的开发和原型设计开始。接下来回顾了APL在环境对雷达性能影响的建模和表征方面的贡献，早期的宙斯盾测试已经强调了其重要性。反舰巡航导弹的进步和扩散推动了对固态雷达发展的需求。我们还描述了APL对有源电子扫描阵列（AESA）技术开发的贡献。然后，我们讨论了APL在弹道导弹防御（BMD）雷达开发中所起到的作用，并总结了APL对海军新型防空和防卫雷达（AMDR）近期发展的重大贡献。

宙斯盾多功能相控阵雷达

20世纪50年代，随着空中威胁能力的不断发展，舰载武器系统需要雷达能够在几微秒的时间内重新定位光束来跟踪越来越多的目标。APL最初试图通过一个名为 Typhon的早期实验系统概念来满足这一需求。¹ Typhon通过龙伯透镜以电子方式切换波束。在特定点进入透镜的能量会以平面波的形式离开，而从其他点进入的能量将以平面波的形式从不同方向离开。采用这一原理设计的雷达可以使用微波开关将能量切换到各个透镜的输入端口，所产生的光束可以在几微秒内切换到各种角度位置。Typhon系统的开发解决了很多技术问题，将其安装在测试舰诺顿湾号上成功进行了搜索和跟踪测试。然而，由于该系统成本严重超支，计划于 1963 年终止。

在Typhon计划的后期阶段，APL和其他研究人员开始进行电子移相器技术的开发，该技术能够实现高增益相控阵天线，并且可以通过控制孔径辐射元件的相位对雷达波束进行电子控制。² 1965年海军的一项研究确定了对具有联合监视、跟踪和导弹制导能力以及反电子对抗能力相控阵雷达的要求。鉴于APL在相控阵技术和海军防空方面的背景，海军指示APL启动一项降低技术风险并展示必要相控阵雷达性能的计划。该实验开发项目被命名为高级多功能阵列雷达（AMFAR）。

AMFAR到 AN/SPY-1

APL在1964年至1969年间对AMFAR演示样机进行了构思、设计、制造和测试，这款样机也是宙斯盾 AN/SPY-1A雷达技术的高级开发模型。它将雷达系统的所有元件结合在一起，并通过计算机控制证明了自动检测和跟踪的可行性，并具有抗环境杂波能力。AMFAR计划涉及的关键技术领域包括管式发射机设计、平面相控阵设计、电子对抗（现在称为电子保护）开发、自动检测和跟踪，以及计算机控制。主要的实验子系统包括大功率发射器、相控阵天线、信号处理器系统和计算机控制系统。图1中显示了20世纪60年代后期安装在APL 6号楼屋顶上的AMFAR系统以及当时的常规旋转反射器雷达天线。

图1：APL开发的AMFAR（左）与当时的常规旋转反射器雷达天线（右）对比

AMFAR的开发工作在天线和发射器方面取得了一些创新。APL使用了已被证明对温度变化相对不敏感的石榴石铁磁材料，在铁氧体移相器开发方面取得了突破。² APL开发了一种新型阵列波束成形器，为角度估计提供了独立的和差单脉冲通道。成功开发了相控阵，阵列组件（图2）证明了高功率下所需的可靠性和性能。发射器概念要求多个交叉场放大器并联工作。作为发射器开发的一部分，APL开发了大批量子阵列这一概念，在传输任务期间，子阵列（例如64个元件）由高功率微波管馈送。通过使用数十个电子管，即使系统达不到传统大功率雷达发射器的极高功率水平，也能够实现极高的功率水平。此外，由于一个或两个电子管的损失或导致一些退化，而大量的电子管提供了冗余。AMFAR开发的天线和发射器概念被整合到了SPY-1A系统中。

AMFAR信号处理器的功能是接收、放大和处理雷达从目标和环境接收的信号。此处理涉及区分来自竞争信号（地面杂波、雨水、电子干扰等）的目标回波，能够在所有环境条件下进行测量（范围、角度和速度），并且没有竞争信号的误差。AMFAR信号处理器（包括波形和频率发生器、同步器和处理器自身）的开发中包括了Phillips所述的几项创新。⁴这些创新包括一种新的调制技术，可以减少雷达频段之外的外来发射信号，一种可以为雷达开发任何定时信号序列的定时计算机，以及将相位相干数字脉冲压缩处理和非相干多频采样技术与消除相干连续回波相结合。AMFAR的另一项新功能是雷达计算机和控制程序，这项功能可以在单个发射/接收（T/R）周期内执行调度，跟踪和测试功能，使雷达和计算机及时保持同步。

图2：AMFAR相控阵技术。（a）建成的相控阵，带有波束成型器、16个子阵列和移相驱动器；（b）组装子阵列；（c）拆散的带状线功率分配器组件；（d）铁氧体移相器。（转自参考文献3）

SPY-1工程开发与持续升级

AMFAR计划旨在展示关键子系统的技术成熟度，以及战术雷达在抗电子对抗情况下满足监视、跟踪和导弹制导作战要求的能力。这些创新为1969年批准的宙斯盾工程开发计划的竞争性投标扫清了道路。随着主承包商RCA（现为Lock-heed Martin）被选中开发SPY-1A雷达系统，APL的角色立即转变为海军项目管理技术顾问。担任这一角色，APL要保证工业设计满足海军的技术要求、识别并评估风险、提出替代方法并在适当的时候进行关键实验，并将结果转化为工业。例如，通过开发一种能够使单个发射器在两个阵列中分时使用的高功率波导开关技术，APL确定了一种在保持性能的同时将发射器的数量从四个减少到两个的方法。同样，APL还对此进行了改进，将信号处理和控制功能整合到一个集中式单元中。Irzinski⁵ 对APL开发的这些功能和其他早期系统改进进行了总结。

作为宙斯盾的技术顾问，APL与海军、主承包商以及其他工业代理商和政府团队成员共同合作，通过提高性能或降低成本和重量的系统升级来保持联系项目与技术同步进步。随着20世纪80年代 AN/SPY-1B 雷达的出现，实现了重大的升级。SPY-1B利用固态电子技术的进步来降低信号处理器的尺寸和成本，同时提高处理的效率并增加新的电子防护功能。同样，阵列结构的变化以及制造容差和阵列校准技术的进步使SPY-1B相控阵能够实现低旁瓣性能并改善了电子防护。

图3：莫姆森号驱逐舰（DDG 92），甲板上有两个面向前方的AN/SPY-1 D（V）雷达。（美国海军照片由二级大众传播专家James R. Evans发布）

SPY-1雷达（图3）源于APL的原始概念开发研究和AMFAR的实验开发，经过了多次改进和升级，近四十年来一直是海军宙斯盾作战系统的核心。有90多艘船舰配备了SPY-1版本的雷达。

性能评估和环境特征

SPY-1开发的推动因素之一是解决低空反舰巡航导弹的威胁，此威胁强调了战斗系统的交战时间基线，因为威胁来自地平线以下，距离舰船相对距离较近。为了表征新雷达系统的性能，需要做两件事：（i）雷达的高保真模拟，包括快速确认驻留时间安排和进行蒙特卡罗统计分析的能力；（ii）预测低空传播和表面杂波对系统性能的影响能力。20世纪70年代后期，APL开发了固定轨道模拟的第一个版本，它提供了分析电扫向相控阵雷达特有行为的能力。此时建立了术语“固定轨道”，以捕获此类雷达启用的轨道启动过程。

APL 固定轨道模拟与SPY-1雷达系统及其扩展任务（公海防空、沿海地区防空、弹道导弹防御以及综合空中和导弹防御）共同发展。随着第一代SPY-1雷达舰载测试的开始，固定轨道模拟用于将雷达性能预测与测试中观察到的实际性能进行比较。当时，模拟中包括考虑了低海拔多径和球形地球视界效果的模型，具有标称大气折射。尽管达到了这种保真程度，但观测到的雷达的固定轨道性能很少与低空测试目标的模拟预测一致，观测到的性能变化极大。显然，性能预测必须包括大气折射对低海拔射频传播的影响，以便能够分析雷达在此状态下的性能。

环境对雷达性能影响的建模

20世纪80年代初，APL开发了电磁抛物线方程（EMPE）模型来描述低层大气中的电磁传播。⁶宙斯盾项目于1982年开始支持这项研究，到1985年，EMPE与固定轨道模拟一起使用，以预测低海拔传播效应下SPY-1的性能。经过实验验证和许多保真度改进后，该模型更名为对流层电磁抛物线方程程序（TEMPER）。如今，TEMPER能够预测陆地和海上的电磁传播，并准确表示雷达和通信系统的天线模式⁷。TEMPER已多次获得认证，支持许多海军和导弹防御机构（MDA）计划，并被海军实验室和行业合作伙伴广泛使用。

TEMPER计算证实，雷达性能对大气折射条件非常敏感，而大气折射条件又依赖于低层大气中的温度和湿度（水蒸汽）。这些影响在一定程度上大大延伸了低空目标的探测范围，这一范围可以从视距到雷达地平线（超出此范围的目标会被地球遮蔽）的实质变化到海面附近能量捕获。在后一种情况下，同样的传播现象也会使来自海洋和遥远陆地的反向散射大大增加。

图4：频率为10 GHz时各种蒸发波导的TEMPER传播因子图。

图4显示了某些类型的大气“波导”（捕获层）对传播的影响。所显示的情况为高于海平面15 m的10-GHz发射器。这些图极好地显示了辐射功率的等值线，可以将其标准化为不存在地球或大气层时的辐射等值线。等值线值表示由于地球反射/阻塞以及大气折射所导致能量弯曲而产生的与0dB的差异。这些图是“地球扁平”的，因此图4a中的深蓝色 区域是地球曲率产生阴影的结果；雷达地平线范围与高度的关系大致遵循黄绿色15dB等值线。

图4a代表了接近“标准大气”的条件，不存在捕获层，而其余的图具有越来越大的表面捕获层。在此图中，可以看到发射功率的分布极大地受到了假定大气条件的影响；大气波导（捕获层）可以完全克服地球的曲率，导致能量传播到地平线之外。长程传播效应在图5中更加明显，表明了阿 拉 伯湾大型表面波导对表面杂波的影响。雷达的“杂波”是指来自表面的多余反向散射，它会与雷达要检测和跟踪的目标反射信号形成竞争。图5a显示了地形高程的等值线并提供了地理背景，图5b和5c显示了传播因子数据（图4中绘制的数量）乘以标准化杂波反向散射横截面的等值线。此数量在雷达的分辨率单元上整合，从而给出与从该部分表面接收到的功率成比例的值。

图5b中没有波导，船舶位置周围近地平线以外的表面杂波很少；东部的一些高山几乎没有被雷达照亮。但是，图5c中显示了该区域中典型大表面波导的影响；各个方向上的杂波都有所增强，被困的能量通过各个方向到达陆地。海军非常清楚需要应对阿 拉 伯湾强大远程水面杂波的有害影响。

图5：大表面波导对表面杂波的影响。（a）地形高程；（b）不存在波导的传播因子影响；（c）典型大表面波导的传播因子影响。（摘自参考文献6）

图6：APL开发的气象测量系统。（a）自动环境评估系统（AEAS）气象箱；（b）火箭探空仪；（c）火箭探空仪和直升机大气剖面系统（HAPS）传感器；（d）安装在直升机上的HAPS。

大气折射条件的表征

鉴于像TEMPER这样的模型，以及使用TEMPER的杂波模型，下一项挑战是能够测量和表征大气折射条件，以便为TEMPER提供准确的输入。作为使用测量数据来对TEMPER进行验证的一部分，开发了几种有效的方法来收集所需数据，包括在船只、船舶、飞机、小型火箭和气球上使用气象传感器（图6）⁶。自动环境评估系统是一种便携式METOC（气象）站，可用于海军舰艇和测试平台来收集近地表数据。图6b中的火箭探空仪是一种基于火箭的业余系统，可在降落伞上部署带有METOC传感器的无线电探空仪;随着包裹下降，数据被传输到地面站。直升机大气剖面系统如图6c和6d所示例；该系统用于在直升机下降期间收集数据，以获得一组距离相关的折射率剖面。在过去30年的许多海军测试和传播实验中，这些系统已被广泛应用并取得了巨大的成功。

从20世纪80 年代后期开始，使用固定轨道模拟、TEMPER 和上述 METOC数据收集系统成为标准惯例，在海军测试中用于解释观察性能和相对要求。如果收集到了适当的METOC数据，意味着APL在重建测试目标的可观测固定轨道范围方面取得了巨大的成功。在图7中显示了几次海军测试的结果;垂直蓝条不同测试事件中相同低空测试目标向SPY-1雷达重复展示的相对固定轨道范围；这些事情按固定轨道范围增加的顺序排列。收集 METOC 数据的事件还显示了红色条。图7的两个要点分别是：（i）针对非常相似目标呈现的固定轨道范围变化超过了二分之一；（ii）当收集环境数据时，重建和观察到的固定轨道范围非常一致。虽然图中未显示范围单位，但相对于测试事件中观察到的总体变异性，重建范围和测量范围之间的差异非常小。

为了成功解释所观察到的雷达性能，APL付出了巨大努力，将METOC传感器、TEMPER和固定轨道模拟的自动化版本整合到称为SEAWASP（舰载环境评估和武器系统性能）的集成战术决策辅助中。⁸尽管SEAWASP最终因资金原因未能安装在宙斯盾舰船上，但这项研究影响了其他战术决策辅助计划，包括宙斯盾SPY-1 Sliderule。

图7：环境数据收集对固定轨道范围重建的影响。蓝色条表示观察到的固定轨道范围，红色条表示收集环境数据时的重建固定轨道范围。（转载自参考文献8）。

虽然在本文中没有讨论，但TEMPER和环境表征过程已被用于其他雷达和武器系统元件的分析和开发，包括半主动导弹照明和协同作战能力（CEC）的互通性。此外，APL的环境工作所表征的现象以及在某些情况下发现的现象对新设计中的某些雷达特性起到了促进作用，包括带宽和折射诱导的角度偏置校正。TEMPER被广泛用于开发新系统，一些重要海军采购计划中被作为政府信息提供给产业界。

固态雷达

随着低空飞行的反舰巡航导弹的不断发展和扩散，美军斯塔克号于1987年在波斯湾遭受了打击，这一事件推动了开发舰船自有密封防御设施抵御巡航导弹袭击的需求。这需要改进目前的传感器，便于在机动目标进入舰船雷达地平线时探测快速的机动目标。随着威胁对象能力越来越强，异常传播条件以及沿海地区雷达杂波的增加，目标检测变得更加困难，而这也逐渐成为常态。APL工程师参与了多项研究，以开发针对这些挑战的传感器和作战系统解决方案。特别是，APL领导了北约防空作战系统(NAAWS)的研究，该研究于1991年完成。从雷达的角度来看，这些研究将固态雷达技术确定为提供增强灵敏度、快速更新速率以及在海上或陆地杂波中探测低空飞行反舰巡航导弹所需系统的手段，这是在海上或陆地杂波中探测低空飞行的反舰巡航导弹所必需的。

AESA 技术开发

在20世纪70年代和80年代开发的雷达系统通常是无源阵列，其RF功率通常集中在其于管式发射器上，通过波导传送到阵列，并使用发射波束形成器在阵列中分开。每个元件都使用高功率移相器来控制波束。发射器和朝射单元之间的功率损耗通常非常高，导致发射功率降低和条统效率低。在接收时，相移器和接收波束形成器将接收信号按相位组合，用于控制光束方向，形成单脉冲和和差信道，并将这些信号提供给集中接收器。对于海军雷达应用所需的高功率发射和低旁瓣接收阵列来说，无源阵列的组合发射和接收损耗通常非常大，并且限制了整个系统的灵敏度（一般来说，这是衡量雷达检测噪声中小信号的能力的指标）。上文所描述的宙斯盾相控阵雷达就是无源阵列的一个例子。宙斯盾设计的一个进步是在发射波束形成器中使用了一个子阵列，可以将数十个中等功率的管式发射器进行组合，以提高可靠性并防止在任何一个位置出现非常高的功率。

这一演化过程的下一步是在阵列的每个元件上放置基于固态晶体管的功率放大器。这种阵列被称为有源电子扫描阵列(AESA)，并且使用AESA的雷达通常被称为固态雷达。AESA使用放置在阵列的每个元素处的T/R模块。典型的雷达T/R模块（图8）在发射端提供几级RF功率放大、接收端低噪声放大、接收保护限幅器、波束控制和校准移相器以及接收增益控制的可变衰减器。与无源阵列相比，AESA架构最大限度地减少了传输和接收损耗，并大大提高了系统灵敏度。AESA架构能为雷达系统带来的其他优势还包括能够以更高的占空比工作、改善系统稳定性以便在杂波中进行目标检测、改善天线方向图的电子防护灵活性，支持更宽工作带宽的能力，以及提高系统可掌性。⁹由于射频功率放大以 T/R 模块的形式分布在阵列中，因此也无需大型集中式发射器。

图8.典型的雷达T/R模块和框图。Amp – 放大器；LNA – 低噪声放大器；VGA – 可变增益放大器。（转载自参考文献9）

AESAS通过开发单片微波集成电路(MMIC)技术得以实现，该技术允许以芯片级密度实现所需的微波电路，并且由于其制造中使用的批处理技术而具有经济的大规模生产。砷化镓MMIC技术在20世纪80年代后期出现，并在整个20世纪90年代通过大量国防部和商业投资的支持而持续成熟。APL率先通过CEC计划将AESA技术引入海军水面系统。1989年，AESA和T/R模块技术的发展成为实现CEC机载终端开发所需的低重量和低功耗的必要条件，APL开始开发机载AESA概念和相关的T/R模块要求。在APL的技术指导下，ITT开发并制造了560个T/R模块，并具有最先进的功率附加效率性能。在机载CEC AESA中应用了这些模块，并在1994年成功进行飞行测试。从这一成功来看，很明显将无源CEC舰载阵列升级为AESA技术将在成本、尺寸、重量和可靠性方面带来显著的优势。随后，APL为雷神公司在20世纪90年代后期开发的船用CEC AESA的开发和现场化提供了技术指导。这些努力证明了AESA技术在船上使用的整体功效和可靠性，并为船舶雷达系统中技术的使用铺平了道路。随着MMIC技术的不断成熟和商品化，AESA架构成为21世纪前十年先进雷达发展的标准。

AN/SPY-3 和AN/SPY-4 固态雷达

根据北约防空作战系统（NAAWS）研究和其他研究的结果，基于X波段的AESA雷达被认为是舰载自卫（地平线搜索）的最佳选择。选择X波段频率能够提供良好的低空传播特性、可以提高跟踪精度的窄波束宽度，以及支持导弹交战目标照明能力的宽工作带宽。AESA架构显著提高了雷达灵敏度以支持威胁特性，提供了轨道更新率以支持船舶自卫所需的反应时间。APL参与了概念和需求的开发，并为X波段砷化镓MMIC和T/R模块降低风险的工作提供了重要的AESA技术专业知识。海军于1999年开始开发X波段多功能雷达，并将其命名为SPY-3，雷神公司于2003年向弗吉尼亚州瓦洛普斯岛的美国海军水面作战系统中心交付了最初的SPY-3雷达。

SPY-3雷达与S波段固态雷达（称为体积搜索雷达，代号为SPY-4）配对，形成具有通用雷达控制套件、接收器 - 激励器和雷达信号处理功能的双波段雷达套件。洛克希德马丁公司开发的SPY-4 AESA如图9所示。双波段雷达套件原计划安装在DDG 1000朱姆沃尔特级驱逐舰上；但是，为了节省成本，删除了S波段SPY-4，随后修改了SPY-3软件以提供体积搜索功能。完整的双频雷达套件计划安装在第一艘福特级航空母舰CVN 78上。

弹道导弹防御（BMD）雷达

在沙漠风暴行动（1991年）期间，伊拉克军队对军事和民用目标使用了弹道导弹，这足以刺 激美国海军去追求BMD能力。APL的初步研究验证了修改宙斯盾作战系统的可行性，包括AN/SPY-1雷达和标准导弹-2 Block IV，以增加区域大气层内BMD交战能力，保护港口和岸上部队免于受到弹道导弹的威胁，如在沙漠风暴中出现的飞毛腿导弹。

图9. S波段体积搜索雷达的前后视图。后视图描述了船用 AESA 的常用架构，其中关键 T/R 模块和电源组件可进行维护访问。（洛克希德马丁公司）。

为了支持新的区域BMD任务，所需的AN/SPY-1关键进展包括对机外传感器信号做出反应的能力、提高灵敏度、早期发现威胁的新监视方法，新的跟踪方法以及区分弹道导弹弹头的新功能。在20世纪90年代早期至中期，APL与宙斯盾主承包商洛克希德马丁公司和海军水面作战中心达尔格伦分部密切合作，逐步设计这些能力并进行现场测试。在20世纪90年代后期，APL继续与该团队密切合作，在使用中宙斯盾基线6第III阶段系统中的现有宙斯盾任务之上实施这些新功能。APL还与洛克希德马丁公司密切合作，将CEC整合到宙斯盾基线6 第III阶段区域弹道导弹防御任务中，包括分布式武器协调和分布式传感器协调的设计 - 这是在多个区域弹道导弹防御舰之间分担弹道导弹跟踪责任的一种手段。在2000年初该项目被取消之前，APL一直支持基线 6 第III阶段的开发、性能分析和演示测试计划。

在开发区域BMD项目的同时，美国海军通过成功的外大气层轻型射弹（LEAP）演示开始了外大气层拦截能力的早期开发，首先使用的是猎犬战斗系统（Terrier-LEAP），后来使用宙斯盾（宙斯盾跳跃拦截）。除了成为标准导弹-3（SM-3）的新拦 截 器外，新的海军战区计划还包括大量的宙斯盾雷达、作战系统和武器系统开发。对AN/SPY-1的改动包括采用新的波形以实现区分功能，采用新的监视方法和新的跟踪算法。APL在候选频率搜索、关联、跟踪和区分算法的早期设计和分析方面提供了重要支持。APL还与洛克希德马丁公司和雷神公司合作，在21世纪初通过Linebacker计划证明了最初战区BMD的能力，在当今的宙斯盾BMD基线中仍然继续担任这一角色。

随着区域和战区BMD的开发，美国海军对它们在国家导弹防御系统（NMD）中可能发挥的作用类型产生了兴趣。1999年底，一个庞大的海军NMD研究小组组建起来，包括APL，海军实验室和作战中心，以及全国各地几个主要的联邦政府资助的研发中心。为此，APL领导了概念制定工作组，该工作组负责确定和探索创新的NMD使用方法，包括可提供不同水平NMD能力的大量改进和/或新的导弹系统、发射器、传感器和舰船，以及传感器和拦 截 器全球分布和协调能力的概念。在这项早期海军NMD研究中，所探索的许多基本理念（例如，对手附近的前方传感器支持在美国领土内或附近发射的中段拦 截 器）与当今MDA的弹道导弹防御系统（BMDS）非常吻合。

2002年底，MDA要求APL协助在MDA（MDA/SN）建立一个新的传感器和网络指挥部。APL与早期的MDA/SN领导层紧密合作，确定了关键技术工作并配备了员工，包括制定欧洲中段雷达（未规划）和其他可选择中段传感器的要求；MDA决定改变萨德雷达（现为AN/TPY-2;见图10）的用途，将其作为前沿独立传感器，支持BMDS对洲际弹道导弹的早期探测、跟踪和区分。APL为政府团队提供了系统工程的技术领导；算法开发的跟进和区分；以及指挥、控制、战斗管理和通信 （C2BMC）的集成。待建造的第二台TPY-2雷达如图10所示。

美国海军PMS 452（现为MDA/AB）要求APL在美国/日本合作发展计划中发挥领导作用，该计划的重点是共同开发能够服务于日本国土防御和美国防御地区威胁的武器和防御系统。除了全面领导合作开发工作外，APL还对SM-3未来开发方案的性能进行了关键技术评估。该实验室还评估了AN/SPY-1雷达（作为宙斯盾BMD的一部分）和AN/TPY-2雷达（作为BMDS的一部分）支持联合任务的能力。在开展美日合作发展的同时，APL通过美国政府获得了日本政府的许可，在日本托管第一台防御美国洲际弹道导弹的前沿AN/TPY-2雷达中发挥了关键作用。在整个过程中，APL为MDA的发展提供了技术咨询，为与日本防卫厅以及日本政府几个部委的直接MDA讨论提供了技术支持，并支持与日本国防军的联合现场调查，因此批准了在前日期防卫队位于日本青森县车力的空军基地安装了第一台海外AN/TPY-2前沿雷达，。

2014年，MDA启动了远程识别雷达（LRDR）工作，以识别和获取新的中段识别能力，对现有的BMDS进行补充。APL领导了传感器贸易研究的系统工程部分，确定了性能要求和选址适用性，并制定了LRDR元件规范。该雷达的主要特性有，在S波段（~3 GHz）下工作、可实现广域防御突袭的宽瞬时视场，支持强大中程辨别能力的瞬时带宽和强大区分能力，以及能够在所需远程提供这种辨别能力的高灵敏度。

对于LRDR来说，选择S波段是一种折衷方案：在相同的灵敏度和视场下，S波段能够以比X波段（〜10 GHz）系统低得多的成本提供可接受的性能。贸易研究分析表明，虽然X波段的辨别性能更好，但与S波段相比仍未不足以使成本差异合理化。频段贸易的另一个折衷方案是电离层对性能的影响。电离层对射频信号的影响随着频率的增加而急剧下降，在L波段（〜1GHz）以上，许多情况下电离层的影响往往可以忽略不计。APL的早期贸易研究分析表明，S波段仍然存在色散和闪烁影响（在X波段可以忽略不计），但是有足够的方法通过设计和雷达操作选择来减轻这些影响。APL正在继续努力，以更好地理解电离层的动态特性和对雷达的影响。

2015年底，MDA选择洛克希德马丁公司生产LRDR系统。他们的方法在很大程度上利用了洛克希德马丁公司在该计划的AMDR技术开发（TD）阶段开发的硬件设计，以及为AN/SPY-1开发的用于宙斯盾BMD和岸上宙斯盾的算法和软件。由于熟悉洛克希德·马丁公司AMDR TD相位硬件以及AN/SPY-1算法和判别功能，实验室继续支持政府对雷达开发的监督，利用现有的分析工具和能力来评估LRDR的设计和性能。

图 10：AN/TPY-2雷达2号，第一个在范登堡空军基地测试的前沿BMDS雷达。

防空反导一体化雷达

AMDR计划于21世纪初启动，旨在通过最先进的雷达技术为海军提供新一代防空和导弹防御能力。

定义性研究

AMDR计划是多项详细的贸易研究和降低技术风险努力的结晶，旨在通过开放和可扩展的架构满足广泛的雷达任务需求。在 AMDR 计划的早期阶段，APL 在制定运营要求和顶级系统要求方面发挥了主导作用。APL继续提供技术领导和监督，以确保最近被命名为AN/SPY-6的AMDR能够为规划的DDG 51 Flight III型驱逐舰提供必要的传感器性能，以便在未来的威胁环境中进行和维持前沿行动。

2000年，美国海军制定了水面海军雷达路线图，除其他方面以外，制定路线图还需要提高雷达灵敏度以满足不断变化的BMD需求，增加杂波抑制以解决沿海环境中的小目标，以及用于辨别BMD的宽瞬时带宽。早期的数字阵列雷达研究发现，分布式接收器和激励器雷达架构以及数字波束成形是未来雷达系统满足这些需求的关键推动因素。2003年的后续差距分析确定了当时称为CG（X）的下一代导弹巡洋舰及其相关的多任务雷达的能力需求。随后对替代方案的分析评估了各种船舶和雷达替代方案的成本、进度和性能，包括不同的频段和组合、雷达灵敏度以及架构和技术解决方案。最终，对替代方案的分析得出结论，新雷达的首选是大型S波段雷达，其规模可同时用于BMD和区域防空，以及可用于自卫的较小的X波段雷达。推荐的雷达虽然缩小到更小的尺寸，但最终会将成为AMDR。

雷达/船体研究是一项关键工作，APL为海军作战部长办公室和负责研究、开发和采购研究的助理部长共同领导的此项研究提供了技术领导和指导。雷达/船体研究将AMDR的成本、性能、进度和未来可扩展性与数字波束成形和全新的有源相控阵设计进行了比较，以改进采用传统的模拟波束成形的有源阵列AN/SPY-4。比较了不同作战系统（宙斯盾作战系统与全舰船计算环境）和船体（DDG 51与DDG 1000）组合中的雷达解决方案。美国海军领导层通过雷达/船体研究的结果得出结论，集成在DDG 51船体上的AMDR的缩放版本与未来版本的宙斯盾作战系统是首选解决方案。在对雷达/船体研究进行高层审查后，并得知决定继续DDG 51计划并采购更多的Flight IIA舰艇，海军于2010年4月取消了CG（X）计划，并指示AMDR计划进入下一个阶段。

随着雷达/船体研究的结束和CG（X）计划的取消，制定了AMDR的标称能力和配置。AMDR是一套由两个雷达组成的套件，一个AMDR-S（S波段）和一个X波段雷达，并配有一个雷达套件控制器来协调两个雷达的活动。根据雷达/船体研究，AMDR系统计划安装在DDG 51 Flight III驱逐舰上。AMDR 的高级操作和作用如图11所示。

降低技术风险

APL在早期的概念和需求开发过程中参与了各种技术风险降低活动。值得注意的例子有数字阵列和氮化镓功率放大器开发领域。随后，数字阵列雷达研究确定了分布式接收器和激励器雷达架构以及数字波束成形是未来系统满足这些需求的关键推动因素。APL是数字阵列雷达研究的主要参与者，该研究最初将数字波束成形确定为AMDR的关键使能技术，APL此后在多项数字阵列雷达风险降低活动一直处于前沿。APL工程师担任了两个国际数字阵列雷达风险降低项目的技术负责人，这两个项目开发和测试了实验性数字阵列：它们分别是美国和英国政府联合开展的先进雷达技术集成系统试验台计划，以及美国和澳大利亚政府联合开展的澳大利亚美国相控阵雷达计划。高功率、高效功率放大器技术很早就被认为是AMDR的关键使能技术。APL主题专家支持国防高级研究计划局、海军研究办公室以及其他投入巨资开发氮化镓功率放大器技术的机构和计划。

图 11：AMDR/AN/SPY-6 的操作视图。AAW – 防空战；DBF – 数字波束成形；IAMD – 一体化防空反导；NCTR – 非合作目标识别；SUW – 水面战。

AMDR-S 开发

AMDR计划为开发水面海军主要火控传感器（AN/SPY-1）的完整替代品提供了难得的机会。在2005年认识到这一点之后，在海军作战部长办公室的指示下，计划执行办公室一体化作战系统（PEO IWS 2.0）的水上传感器指挥部开始了满足顶级雷达性能（TLRP）需求的长期过程，为多相采集计划做准备。鉴于防空反导一体化任务的巨大作战需求，加上先进海上雷达的成本和隐含的技术开发需求，PEO IWS 2.0 赞助了一个多组织政府团队，APL 在多个领域提供了技术领导，以开发政府概念架构。该参考架构是与TLRP并行开发的，目的是支持和证明所建立需求的可行性。在联合部队分析替代方案和雷达/船体研究的海上空中反导定义的顶级性能需求的指导下，将其综合为一个顶级架构概念，来提供由过去海军研究确定的雷达性能水平。在APL和其他政府实验室的主题专家的指导下，这一概念被认为在现代雷达硬件和软件架构中是可行的。

TLRP成为了6个月竞争概念研究阶段的需求基础，其中三个美国国防主要承包商（洛克希德马丁公司、诺斯罗普格鲁曼公司和雷神公司）各自开发了它们自己的雷达架构和设计概念。这一概念阶段验证了TLRP的性能目标，仅在设计涉及的次要领域有所更改变；在所提出概念与要求不一致的领域向行业提供了反馈；确定并巩固将在随后TD阶段作为目标的主要技术开发领域；并验证了每个承包商的概念中是否适当地解决了关键的船舶限制（重量/功率/冷却/占地面积）。

在随后的TD阶段，三个主承包商的任务是以下目标：

• 展示关键技术的成熟度。

• 使初始系统设计发展到足以进行初步设计评审的水平。

• 进行技术演示审查，以提供测试数据和演示分析。

• 执行系统需求评审、系统功能评审、测试准备评审和初步设计评审。

• 提供TD原型。

在TD阶段，承包商会将系统概念完善到足够详细的程度，使他们能够制定规格并进行初步初步设计审查，所有这些都是在竞争激烈的环境中进行的，这样可以激励每个承包商彻底摸清成本/性能贸易空间。政府系统工程团队与每个承包商合作，确保概念的发展能够完全满足海军的要求。结果是在工程和制造开发（EMD）招标书发布时出现了竞争局面，有三个相对成熟的设计作为提案的基础。在这一点上，政府团队对每个承包商设计的成本和性能达到了前所未有的了解，并且有能力确保下一阶段开发的最佳价值。从早期研究阶段到TD阶段，APL通过在系统架构、建模和仿真、软件开发、物理和电气船舶集成以及测试和评估方面的领导角色，为AMDR做出了重要贡献。

2014年，在竞争下，AMDR EMD合同被授予了位于马萨诸塞州萨德伯里的雷神综合防御系统公司。从TD阶段开始，雷达硬件设计已经相对成熟，仅计划基于TD阶段测试经验对组件进行一些更改。经过评估，设计中采用的技术符合TRL 6所需的技术准备水平。

图 12：安装在夏威夷考艾岛的美国海军太平洋导弹靶场的AN/SPY-6（V）。（雷神公司照片；经雷神公司许可转载）

在AMDR TD阶段，APL对AMDR架构以及相关软硬件的开发进行了监督并提供了主题专业知识。在当前的EMD阶段，APL继续为政府提供此类支持，包括监督雷神公司的敏捷软件开发流程、算法开发、建模和模拟（将用于销售许多关键需求）、网络安全以及持续的船舶集成分析和设计。

完整的AN/SPY-6工程开发模型阵列已经交付，并且安装在夏威夷考艾岛太平洋导弹靶场设施的高级雷达探测实验室（图12）。AMDR-S将在2017财政年度对所有任务进行先进雷达探测实验室的演示测试，然后再进行舰船和作战系统集成。由于实验室长期以来成功支持了宙斯盾BMD测试，因此实验室在BMD飞行测试领域担任了几项关键职责，包括目标和任务需求开发、轨迹评估，雷达横截面预测和测量、情景规划和分析、配置管理、材料科学和材料应用、基于目标的仪器（例如，成像传感器有效载荷）和相关地面支持设备、终端目标（模拟再入飞行器）原型、卫星防撞、任务后目标轨迹重建。

结论

纵观实验室的历史，实验室的工程师在开发和发展先进雷达功能以应对不断发展的空中、巡航导弹和弹道导弹威胁方面发挥了主导作用。本文重点介绍了一些主要成就，从宙斯盾基础多功能相控阵雷达技术的开发和原型设计开始，到最近在海军新型AMDR开发方面的技术领导地位结束。在这段历史中，APL一直扮演的角色是创新者、技术顾问，以及引入这些功能的政府和行业合作伙伴。这些成就是敬业和各种技术工作人员以及坚持系统工程流程的结果，系统工程流程包括概念开发、使能技术的开发和应用、关键实验、向行业生产商的过渡、严格的测试以及评估持续不断变化威胁的有效性。这一过程今天仍在继续，新的雷达技术和系统以及系统的创新正在开发中。APL致力于系统工程视角和实践的持续创新和应用，以确保未来成功超越快速发展的威胁。

参考文献

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