F-16战斗机APG-68(V)9火控雷达的飞行试验

美国试飞工程师协会第34界学术交流年会会议论文分享家:Addthis中文版 翻译:钱锟

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APG-68(V)9火控雷达简介

老旧的APG-66和APG-68火控雷达(FCRs)在F-16战斗机上已经使用了长达20年的时间。而新型的APG-68(V)9火控雷达无论在性能上还是在可靠型上都有大幅度提高,该型雷达是为了装备最新的F16飞机改型而研制的。APG-68(V)9雷达不仅探测距离更远,可以同时跟踪4个目标,还具有合成孔径雷达(SAR)处理能力。另外,该雷达还具有自动校准能力和交互干扰滤波能力。所谓自动校准能力是指雷达可对飞机的惯性导航系统进行持续地自动校准;而交互干扰滤波则是使频带内无线电频率干扰降至最低,从而大幅度提高了雷达的抗干扰能力。

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APG-68(V)9雷达已经在爱德华兹空军基地完成了各项飞行试验科目。该雷达将被安装在第50批次的双座F-16D战斗机上(后驾驶舱为任务舱),该雷达的试验开始于2001年12月,并于2003年10月完成。本报告主要介绍了该雷达增加的合成孔径(SAR)工作模式,并总结了在挖掘该雷达潜力过程中得到的经验。虽然合成孔径雷达并不是一项新技术,但是APG-68(V)9雷达的研制标志着这项技术首次在轻型战斗机上得到应用。合成孔径模式使APG-68(V)9雷达对于远距离地面目标分辨率达到了1米的水平,大大优于目前的多普勒波束锐化(DBS)模式。APG-68(V)9雷达的合成孔径工作模式是本文介绍的重点,本文还叙述了在雷达试验过程中得到的经验和飞行试验要求。为了测试APG-68(V)9雷达的合成孔径探测工作模式,我们探索了新飞行试验技术,并建造了新的反射器阵列。

 

APG-68(V)9雷达的空对空工作模式:
• 大范围测距搜索模式(ERS): 该工作模式取代了以前APG-68雷达的“边搜索边测距”模式(RWS),“上视搜索”模式(ULS)和“测距过程中的速度探测”模式(VSR)
• 边扫描边跟踪模式(TWS):该工作模式能够区分和跟踪10个空中目标,并同时对其他空中目标进行探测。
• 多目标分辨认知模式(MTS):该工作模式能够对多达4个目标进行高质量跟踪,并具有同时搜索其他目标的能力。
• 单目标跟踪模式(STT):该工作模式可以对1个空中目标进行高质量的跟踪。
• 空战机动模式(ACM):该工作模式可以在高地面杂波环境下对近距离的目标进行自动捕获。
• 先进中距空对空导弹数据链:可以在TWS,MTS和STT工作模式下为多达6枚中距导弹提供制导。
• 攻击群分辨率(RCR):确定雷达分辨单元中真实目标的数量。

APG-68(V)9雷达的对地工作模式:
• 空对地测距模式(AGR):该工作模式可对地面目标进行精确的距离测量。
• 真实波束地图测绘模式(RBM)/功能增强的地图测绘模式(EGM):该工作模式可以为导航和目标搜索/跟踪提供合适的雷达地图显示。 br> • 多普勒波束锐化模式1(DBS1):该工作模式的地图方位分辨率比RBM工作模式高8倍。
• 多普勒波束锐化模式2(DBS2):该工作模式的地图方位分辨率比RBM工作模式高64倍。
• 固定目标的跟踪模式(FTT):该工作模式能够对分散在地面的固定目标维持精确跟踪,并锁定,引导武器实施攻击。
• 增强的海面搜索模式(ESEA):该工作模式可以在不良海况下对海面目标进行探测。
• 合成孔径(SAR)工作模式:该工作模式可以在恶劣的天气条件下,绘制高方位分辨率地图,并改善了目标识别能力和目标精确指示能力。
• 地面移动目标指示模式(GMTI):该工作模式可搜索地面或海上的多个移动目标,并将它们显示在背景雷达地图上。
• 地面移动目标跟踪模式(GMTT):该工作模式可对地面或者海面上的单个移动目标进行连续地、精确地跟踪,引导武器实施攻击。
• 信标模式(*N):该工作模式可以讯问并接收地面答复和机载信标。

什么是合成孔径雷达(SAR)

合成孔径雷达(SAR)可以绘制高分辨率地图,其原理是让脉冲雷达向某一方向运动,并辐射和接收电磁波,将接收的所有信号经过信息存储和处理,同相相加,其效果等效于一个辐射和接收电磁波的大型雷达天线。由于合成孔径雷达可以接收真实的雷达天线从不同角度发射的电磁波,所以合成孔径技术可以极大的提高雷达的方位分辨率。
合成孔径雷达的成像性能和机载雷达尺寸密切相关,所以APG-68(V)9雷达和老式的APG-68雷达相比,拥有一个较大尺寸的天线。
现代合成孔径雷达的优势在于其分辨率的好坏并不受限于探测距离的远近。合成孔径雷达的方位分辨率和其合成孔径的大小有关,而且,其分辨率还和飞机的导航能力、雷达带宽和雷达天线的精确定位能力有关。在4海里的距离上,合成孔径雷达的分辨率比多普勒波束锐化(DBS)雷达的分辨率要高出两个数量级。而多普勒波束锐化模式(DBS)是老旧的APG-68雷达最好的地图测绘工作模式。
现在我打个比方来说明合成孔径雷达的技术优势:我们用合成孔径雷达和传统雷达分别对40海里外的地域进行地图测绘,对比的结果是,要得到一张由APG-68(V)9的合成孔径模式测绘出来的高分辨率地图,那么我们至少需要一个雷达天线长达2000英尺的传统雷达(显然,这么大尺寸的雷达天线是不可能装在飞机上的)。
在使用合成孔径雷达技术测绘目标地图的时候,要求合成孔径雷达不断移动以保持从不同的方位探测目标,所以使用合成孔径雷达测绘地图时,被测目标不能位于飞机机头正前方。图0显示了F-16飞机上的合成孔径雷达的工作范围限制。其最大探测角度受到雷达探测视场(LOS)的限制,其最小探测角则受到雷达天线转动机构转动范围的限制。
图0、F16飞机上的合成孔径雷达的工作范围包线
合成孔径雷达的优点是明显的,它绘制的地图不仅分辨率高,而且具有全天时、全天候、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优点,它还能使作战飞机在远离危险战区的空域对战场进行地图测绘。
另外,合成孔径雷达可以在地图上标定出非常精确的目标坐标,这不仅有助于飞机的精确导航,理论上,该坐标的精确度已经足以用于引导J波段的惯性制导武器(AIM)直接攻击目标。 #-z
虽然合成孔径雷达目前还处于发展阶段,但是其使用理论已经形成,当飞机距离目标还有100海里时,飞行员可以测绘出一张分辨率较低的大型地图。而当飞机逐渐靠近目标时,合成孔径雷达可重新绘制分辨率更高的地图,例如当距离目标40海里时,合成孔径雷达即可测绘出分辨率为1米量级地图,从而精确地对打击目标进行定位。
当飞行员在精确的地图上分辩出打击目标后,飞行员将利用合成孔径雷达提供的目标精确坐标在最大射程上释放惯性制导武器,而飞机则可以远离危险的战区。合成孔径雷达的高分辨率和精确目标定位能力将极大地增强F-16飞机的全天候打击能力。


合成孔径雷达能力分析


考核APG-68(V)9合成孔径雷达的地图测绘能力是本次试验的主要目的,因此,我们选择了位于加利福利亚州爱德华兹空军基地的空军飞行试验中心博物馆作为目标区域,APG-68(V)9将使用不同的合成孔径雷达工作模式对该博物馆进行地图测绘,试飞工程师将对地图测绘结果进行分析和对比。
为了便于说明合成孔径雷达在绘制地图时的强大能力,我们使用了目标区的一些实地航拍照片(图3和图4就是博物馆的航拍照片)。
图3、爱德华兹空军基地的空军飞行试验中心博物馆航拍照片
该博物馆大约位于爱德华兹空军基地主飞行跑道西南偏西约1英里的地方(图3显示的照片是从飞机上从东边拍下来的),在我们分析合成孔径雷达的成像图片之前,让我们先熟悉一下该目标区域,以便于我们更好的解读合成孔径雷达成像的图片。
1. 首先,请注意图3右下方的垒球场,这个垒球场是该地区三个垒球场地中最南边的一个。该场地将在合成孔径雷达成像图片中被清楚地观察到。
2. 在图3的中央就是空军飞行试验博物馆,图4显示了该博物馆的细节。请注意在博物馆外部展示飞机的型号和排列位置。他们大多数是战斗机,但是也有一架大型的B-52轰炸机,当然还有一架SR-71间谍飞机。请留意博物馆本身的位置,以便下次你在雷达图像上能够找到它。该建筑是钢结构方形建筑,很容易区分。
3. 最后,请注意图3中东西方向的公路。还有公路左下方的十字路口也是一个很容易区分的标志。
如果在过去让一个F-16飞行员去测绘该地区的地图,那么,他能使用的最有效的手段就是“多普勒波束锐化”(DBS)技术,正如图5所显示的。请注意:图中的公路可以清楚的分辩。而空军试飞博物馆却非常模糊,而垒球场刚刚可以辨认其形状,但是仍然非常模糊,下面请对比一下同一探测目标的合成孔径雷达成像图片。
图5、“多普勒波束锐化”(DBS)工作模式测绘的目标地图
图6是APG-68(V)9雷达采用“合成孔径工作模式1”(SAR1)测绘的同一目标的数字图象,即使是使用合成孔径雷达分辨率最低的工作模式,与多普勒波束锐化模式相比,得到的图像质量也得到明显提高。请注意:爱德华兹空军基地的跑道在图片的左下方清晰可见。而在跑道尽头成行的白色点阵则是露天停放的飞机。而在图片的右上方显示的是成片的城镇街区,在图片的上方中部我们甚至还可以辨认出一个高尔夫球场。而十字路口更是清晰可辨(在图片中央交叉成“X”状)。
图6、APG-68(V)9雷达采用“合成孔径工作模式1”(SAR1)测绘的同一目标的数字图象
图7是采用“合成孔径工作模式2”(SAR2)测绘的同一目标的数字图象,该图象的分辨率更高,如果你仔细观察的话,你便会发现图片中的公路上有许多小白点,那些就是在公路上行驶的小汽车。
图7、“合成孔径工作模式2”(SAR2)测绘的同一目标的数字图象
图8是采用“合成孔径工作模式3”(SAR3)测绘的同一目标的数字地图。该图片进一步提高了分辨率,请注意图片右下角的三个垒球场还有围绕球场的小路。


图8、采用“合成孔径工作模式3”(SAR3)测绘的同一目标的数字地图
图9是采用“合成孔径工作模式4”(SAR4)测绘的同一目标的数字地图。该图片的分辨率更高,这是我们第一次能在图片上分辨出空军试飞博物馆停机坪上的B-52轰炸机。
图9、“合成孔径工作模式4”(SAR4)测绘的同一目标的数字地图
图10是采用“合成孔径工作模式5”(SAR5)测绘的同一目标的数字地图。该图片是APG-68(V)9雷达所能达到的最高分辨率。在这张图片中,不仅B-52轰炸机清晰可见,其他小型飞机也基本可以辨认(在图中成三角形形状)。(
图10、采用“合成孔径工作模式5”(SAR5)测绘的同一目标的数字地图
这里我们对合成孔径雷达成像图片进行了一些解释。首先,探测目标在雷达视场中占用的角度视非常小的,一般小于10度。如果在雷达的最大作用距离上进行探测,其探测角度可以小于1.5度,所以我们可以将物体的表面分为与雷达波垂直、与雷达波平行的两种形式。雷达辐射的电磁波只有在与其垂直的物体表面(例如建筑物的墙面和杆状物体)上才能反射回来,而在与其平行的表面(例如飞机机翼的上表面和房屋平坦的屋顶)上则无法反射回来,所以其图像效果没有我们想象的好。因为显示给飞行员的图像是一个虚拟的从上方观察的视野,这就需要利用最基本的三角学原理来把实际图像转换为一个从上方观察的视野图像。即希望合成孔径雷达测绘的地图在显示形式上类似于一张航拍的全景照片。 J<YvD8ep"
基于这种思考,请让我们仔细分析图片的特点:
虽然图片中的小型飞机图像不够清晰,但是围绕它们的护栏却非常清晰。例如图10中的SR-71飞机,其明显的三角形外形并不是其自身的反射形成的,而是由围绕它的11根互相分离的高度3英尺,直径2英寸的护栏所形成的。同样的是:钢结构的空军试飞博物馆的外形也并非是其自身的巨大外形反射雷达波形成的,而是由博物馆四周的墙面形成的。其原理是与雷达波垂直的物体表面反射雷达波非常强烈,而与雷达波平行的表面反射雷达波则非常微弱。由于同一物体上不同表面反射雷达波的强度不同,为合成孔径雷达成像技术造成了非常大的困难,大大影响了合成孔径雷达成像的质量。目前解决该问题的最好办法就是让飞机在目标地区的四个方向都测绘一次地图,然后,将从四个不同方向测绘的地图加以叠加,便可以获得较理想的图像效果和较高的分辨率。即所谓的亮度转换方法(BTF)。
由合成孔径雷达成像模式得到的图片的模拟信号将被转换成数字信号并被传输到雷达的处理器中。不幸的是:F-16飞机没有装备数字式多功能显示器,也就不能把数字图像直接显示给飞行员。此数字信号图像还需要被再次转换成模拟信号以显示到飞行员的显示器上。对比图10(数字信号图片)和图11(模拟信号图片),我们发现经过转换的模拟信号图片在分辨率和图像质量上有明显的下降。糟糕的是,显示给飞行员的图像是图11上分辨率较差的图像。

图11、显示给F-16飞行员的模拟信号图片,可见经过转换的模拟信号图片在分辨率和图像质量上比数字图片有明显的下降

飞行试验经验

APG-68(V)9雷达研制试飞的最优方案是将该雷达装在成熟的航电系统平台上进行飞行试验,以便发现问题。但是,该雷达系统却被安装到两种还在进行试验的航电系统平台/软件上进行试验,这样,将三种不成熟的系统/软件安排在一起进行试验,给试验小组带来了不小的麻烦。
这种试验方式是对试验人员提出的一次挑战,因为每当试验出现问题时,我们都要区分到底是三套系统中哪套系统出现了故障。这三套系统中任何一套系统出了问题,就会影响其他两个系统。每次系统出现问题时,我们只有耐心地等待一套或者两套系统重新启动,所以每个试飞架次的效率都因为飞行员的工作负担的加重而降低。
糟糕的试验状况常常导致我们要面对试验时间延迟的局面。我们从中得到的经验就是在制定试验计划时一定要留有选择系统平台的余地,特别是一系列存在互相依存关系的系统,这样能增加试验的效率。
最后的经验就是如何处理定量数据和定性数据之间的关系。所有的APG-68(V)9雷达性能测试要求都是针对我们专门建造的反射器阵列制定的。为了真实的测试雷达的性能,要求严格地控制反射器阵列的间距尺码。因为测绘地图对于收集试验数据没有太大的帮助,所以最初的试验计划并没有要求使用合成孔径雷达测绘具有代表性的战术目标的地图。
幸运的是,试飞员说服了项目办公室进行一些合成孔径雷达地图测绘的试验,从而揭示了合成孔径雷达在进行阵列测试和侦察典型军事目标时的差异。即使这样,过分地强调定量数据使得定性试验变得很难协调,因为雷达的测试报告最终还是要以定量数据为基础。
正如前面的图片显示的那样,测绘空军试飞博物馆的地图有助于指出雷达工作模式的差异。进行地图测绘试验时最好使用亮度转换方法(BTF)来进行,但是BTF方法也不是在所有情况下都适用的。
定性试验也揭示了合成孔径雷达在测绘地图时,在同一地区由于雷达波反射强度不同而造成的差异。正如你在图10和图11中看到的那样,雷达波反射强度高的区域在地图中明显发亮,而雷达波反射强度低的地区则明显黯淡。
原始的测绘图片基本上能够满足设计指标的需求,但是图片质量并没有达到我们期望的效果。虽然我们可以通过改进图片的输出方式的方法来改进该系统,以求其在军事上的得到更好的应用,但是试验合同仅要求我们的试验结果满足设计指标即可,并没有要求我们改进该系统。另外,由于该系统还存在一系列的问题,所以导致发展时间比计划有所延长,我们应该是分步骤完善该系统,先使其达到设计指标,再将其改进到能够满足实际应用的水平。
美国空军目前提出了新的装备试验概念,即在武器系统的试验周期内尽可能早地进行使用试验,美国空军认为定性的评估系统在真实使用条件下的效能的试验进行的越早,那么该系统的发展周期就越短,该系统装备部队的时间就可以相应提前。
任何试验计划的目的都是希望系统能够达到实际应用的水平。对于试飞工程师来说,最重要并不是如何采集试验数据,而是考虑用户如何能有效而方便地使用该系统。

总结

APG-68(V)9火控雷达(FCR)极大地提高了F-16飞机的探测能力。随着雷达探测距离的增加,F-16飞行员可以在空战中实现“先敌发现”,“先敌锁定”和“先敌开火”。合成孔径雷达的全天候高分辨率地图测绘能力可以显著地增强F-16的目标识别能力、目标精确定位能力和全天候的目标搜索/探测能力。雷达工作模式的增加就意味着作战方式的增加。而雷达可靠性的增加就意味着更高的出勤率和更少的维护保养时间。但是,测试SAR雷达对飞行试验技术提出了特殊的要求。

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