天基紫外預警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及思考

周峰鄭國憲閆鋒李想?yún)橇⒚?/p>

(1北京空間機電研究所，北京100076)

(2南京大學電子科學與工程學院，南京210093)

1 引言

導彈預警技術(shù)是伴隨著導彈技術(shù)的不斷進步而發(fā)展起來的。從范圍上看，導彈的射程越來越遠，導彈預警技術(shù)也逐漸從地基向空基以及天基發(fā)展。從波段上看，導彈燃料技術(shù)的發(fā)展使得導彈的尾焰波段發(fā)生了改變，導彈預警技術(shù)的波段選擇也逐漸向長波和短波雙方向擴展，以及逐漸發(fā)展多譜段聯(lián)合預警，以降低虛警率，提高精確度。

由于導彈尾焰輻射的譜線在2.7μm和4.3μm處具有特征峰，且CO2和水蒸氣對這兩個譜段有強烈的吸收，因此早期的導彈預警大都選擇這兩個譜段。但是，目前在導彈發(fā)動機技術(shù)方面的很多改進正在降低這些固有輻射中的多數(shù)輻射[1]，因此，不能保證在未來的導彈中仍會出現(xiàn)這些輻射譜線。

目前國外已經(jīng)設(shè)計并生產(chǎn)了尾氣中不含CO2和水蒸氣的發(fā)動機，羽煙中2.7μm，4.3μm，6.3μm的特征輻射將大大減小，導致紅外預警的虛警和誤警的增加。但是，無論導彈使用任何燃料，其尾焰中都含有紫外輻射[2]，這就成為捕捉目標的紫外輻射源，如表1所示[3]。紫外輻射機制主要包括化學發(fā)光、散射日光、熱致發(fā)光等。例如，低空固體含鋁導彈尾焰是一種混合輻射源，在二次燃燒中，大量的Al2O3粒子呈現(xiàn)灰體輻射，其熱狀態(tài)一直保持到二次燃燒熱量釋放完畢。而微小的未燃盡粒子在很高的非平衡溫度下發(fā)出紫外光，同時還會散射太陽光。而液體燃料導彈除了未燃盡液滴可以散射太陽紫外輻射，燃料的化學反應(yīng)也會產(chǎn)生很強的紫外特征輻射。因此，發(fā)展天基紫外預警技術(shù)，將其作為紅外預警的有效補充，有助于大大降低虛警率和誤警率。

表1 低空(50km以下)導彈羽煙的紫外特征Tab.1 UV characteristics of m issile plume at low altitude (below 50km)

此外，天基紫外預警技術(shù)還具有不需低溫冷卻、有效抵抗激光武器威脅、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點[3-4]。它是電子對抗向電磁全頻譜發(fā)展而產(chǎn)生的新方法、新途徑，在國防上具有非常重要的戰(zhàn)略意義，紫外譜段預警技術(shù)將成為天基預警技術(shù)的一個重要領(lǐng)域[5]。

2 天基紫外預警的特點和優(yōu)勢

2.1 紫外預警的特點

與紅外預警技術(shù)相比，紫外預警技術(shù)有許多獨有的特點[5]。

首先，所有的物體都具備可觀測的紅外特征，而可辨別的紫外特征并不是所有的物體都具有。根據(jù)這一特點，雖然紅外探測技術(shù)在軍事上被廣泛地研究和應(yīng)用，但隨著技術(shù)的發(fā)展和對抗雙方要求的提高，紫外預警技術(shù)越來越顯示出其特有的魅力。導彈尾焰中含有大量的紫外特征輻射，且紫外輻射在高空具有很好的透過率，為紫外預警提供了很有特色的目標識別基礎(chǔ)，可以作為紅外探測技術(shù)有力的補充。

其次，在具有紫外特征的目標中，紫外光譜（通常是金屬原子或離子以及一些小分子發(fā)射的）可以提供比紅外光譜（通常由水，二氧化碳或目標本體發(fā)射）更豐富的目標信息。水和二氧化碳在很多情況下不是目標獨有的，換句話說，紅外探測技術(shù)通常不能提供識別目標所需的獨一無二的信息，而紫外技術(shù)則可以在目標識別方面有更大作為，因為紫外特征光譜不容易引起混疊，更容易識別目標。

再次，目前的激光武器大都處于紅外譜段，使得紅外預警系統(tǒng)易受到激光武器致盲的威脅。而大功率紫外激光武器技術(shù)還不成熟，因此，紫外預警衛(wèi)星可以更安全地在軌運行。

最后，紫外探測技術(shù)有可能提供比紅外技術(shù)更為簡單和緊湊的系統(tǒng)。紫外光子具有比紅外光子更高的能量，對熱環(huán)境不像紅外技術(shù)那樣敏感，有可能用更小的冷卻系統(tǒng)（或無需冷卻）來滿足它的要求。

2.2 天基紫外預警的優(yōu)勢

相對應(yīng)其他預警方式，紫外預警最大的優(yōu)勢在于低的虛警率和誤警率。

導彈紫外預警是利用“大氣吸收區(qū)”的中紫外波段來探測飛出大氣層外導彈尾焰的紫外輻射?！按髿馕諈^(qū)”的中紫外波段是指0.25～0.28μm的譜段，其形成主要是由于太陽輻射（紫外輻射的主要來源）的這一波段的光波絕大部分被地球的臭氧層所吸收，只有極少數(shù)的自然太陽光能射到地面。也就是說沒有什么紫外光線會反射到大氣層外，所以在地球大氣層外觀察到的以地球為背景的輻射光譜曲線的中紫外波段的輻射非常微弱，并且背景輻射比較平滑。

這樣，如果在臭氧層外出現(xiàn)導彈，其發(fā)動機尾焰的中紫外輻射不受大氣吸收和衰減的影響，到達紫外探測儀的信號較強，而背景信號很小并且很平滑，預警探測儀接收到的紫外信號的信雜比就相當高，從而達到高效預警的目的。國外試驗表明，對于處于高度為40km的一種較小的導彈發(fā)動機F404尾焰，其信雜比就能達到100∶1，這樣的系統(tǒng)信雜比能夠使系統(tǒng)探測概率達到99%以上[1]。也就是說，利用中波紫外進行預警探測能夠更容易地在較微弱的背景下探測出導彈。

此外，相對紅外預警方式，紫外預警還有一些優(yōu)點，如表2所示。

表2 紫外預警的優(yōu)點Tab.2 Advantages of UV warning

可以預測，天基紫外探測系統(tǒng)作為新型導彈預警探測跟蹤手段，必將在未來預警衛(wèi)星上發(fā)揮重大作用。美國第一、二代DSP預警衛(wèi)星以及正在研制的天基紅外系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星都帶有紫外跟蹤系統(tǒng)。因此，跟蹤國外紫外探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，對紫外探測系統(tǒng)進行先期原理研究和關(guān)鍵技術(shù)探索，對于完善我國導彈防御系統(tǒng)具有重大意義。

3 國外研究現(xiàn)狀

國外天基紫外預警技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下3個階段：

（1）20世紀60年代到70年代末，目標特性研究及可行性分析階段

從20世紀60年代開始，美國等發(fā)達國家就開始導彈紫外預警研究，早期工作主要集中在導彈火箭羽煙紫外輻射的測量。導彈目標的探測、識別、預警、跟蹤是彈道導彈防御系統(tǒng)的關(guān)鍵，發(fā)展先進的探測技術(shù)在美國SDI計劃和現(xiàn)在的NMD和TMD計劃中一直占有極其重要的地位，并且動用衛(wèi)星和飛行試驗以獲取這一方面的數(shù)據(jù)。

美國空軍空間及導彈系統(tǒng)中心（Air Force Space and M issile System Center）對導彈對同溫層中臭氧的影響（RISO）進行了研究，并就天基紫外探測器對地探測遙感的可行性作了深入分析。

（2）20世紀70年代末到21世紀初，背景特性研究及試驗數(shù)據(jù)采集階段

70年代末，從軍事需要出發(fā)，美國開始進行極光和氣輝的遠紫外探測，研制了真空紫外（VUV）背景衛(wèi)星試驗裝置（Vacuum UltravioletBackground Satellite Experiment），搭載在1978年發(fā)射的S3-4極軌衛(wèi)星上[6]。該儀器包括了光譜儀和光度計2部分。極光/電離層繪圖儀AIM（Auroral Ionospheric Mapper）除可進行光譜和光度測量外，也具有獲得特定波段單色像的能力。該儀器由紫外光譜儀和光度計組成。紫外輻射通過掃描鏡后被拋物鏡聚焦在Ebert-Fastie光譜儀的入射狹縫上，光譜儀焦距125mm，工作波段110～190nm，光譜分辨率3nm，儀器視場角0.4°×1.7°，在100～150km極光、氣輝高度的空間分辨率為4km×20km，掃描寬度134.8°，掃描周期3s。探測器采用CsI陰極日盲型光電倍增管，能有效阻止可見光和近紫外波段背景輻射對測量結(jié)果的干擾。

20世紀90年代在航天飛機等空間飛行器上，進一步安裝了ISO（Imaging Spectrometric Observatory）、RAIDS（Remote Atmospheric and Ionospheric Detection System） 和 MAHRSI（M iddle Atmosphere High Resolution Spectrographic Instrument）等儀器，用于地球大氣臨邊紫外波段氣輝輻射的探測，以獲得電離層和熱層大氣的結(jié)構(gòu)特性。

1990年，美國發(fā)射了LACE（Low-power Atmospheric Compensation Experiment）衛(wèi)星，其上搭載了UVPI（Ultraviolet Plume Instrument）載荷，在450～550km的距離成功探測到Strypi火箭的發(fā)射過程，得到了195～295nm、220～320nm、235～350nm以及300～320nm4個譜段的光譜輻射強度，收集地球、地球臨邊和天空的紫外圖像數(shù)據(jù)，驗證了空間平臺上紫外探測、跟蹤能力[7]。

1991年，美國進行了星實驗室（STARLAB）空間試驗任務(wù)，其目標之一就是進行導彈尾焰、空間、地球及臨邊背景的高分辨率多譜段觀測，獲得目標和背景輻射強度隨時間、空間及光譜的變化，軌道高度330.4km，軌道傾角33.4°。其上搭載的紫外相機設(shè)備（UVCA）工作于0.2～0.32μm，光學系統(tǒng)采用卡塞格林望遠鏡結(jié)構(gòu)，口徑200mm，采用8片濾光片輪實現(xiàn)不同波長的觀測，探測器采用像增強器與面陣CCD耦合器件[8]。

1994年1月，美國發(fā)射了Clementine繞月衛(wèi)星，軌道為橢圓形，近月點420km，遠月點3000km。其上搭載了紫外/可見光相機，質(zhì)量410g，功耗4.5W，用來獲取空間輻射和彈道導彈尾噴流輻射的重要數(shù)據(jù)[9-10]。

1996年美國發(fā)射了中段空間試驗MSX（M idcourse Space Experiment）衛(wèi)星，其軌道為高度888km傾角99.16°的圓形近太陽同步軌道。其上搭載了紫外可見光成像儀與光譜成像儀（UVISI），獲得了大量背景和目標特性的探測結(jié)果，為導彈探測預警提供了寬波段的精確背景輻射[11]。

1997～2000年，美國和俄羅斯聯(lián)合進行了M irEx試驗，獲得了70～300km高度地球夜間臨邊氣輝、380km高度Progress-M和Soyuz-TM飛船發(fā)動機噴焰紫外輻射特性，并同時觀測了地球大氣背景以及再入過程輻射現(xiàn)象[12]。

1999年2月，美國成功發(fā)射了全球觀測高級研究衛(wèi)星ARGOS（Advanced Research GlobalObservation Satellite）作為空軍空間探測計劃的組成部分。其軌道高度為833km，軌道傾角98.7°，周期為101.6min。其上搭載了兩臺遠紫外相機，用于測量高層大氣和天體的紫外輻射，為空間監(jiān)視提供紫外輻射背景[13]。

2001年，美國通過TIMED衛(wèi)星搭載了GUVI（GlobalUltraviolet Imager），進行了日輝和極光探測[14]。2003年，將GUVI進一步改進為SSUSI（Special Sensor UltravioletSpectrographic Imager），搭載在DMSP（DefenseMeteorologicalSatellite Program）衛(wèi)星上對熱層和電離層空間天氣效應(yīng)進行監(jiān)測[15]。

（3）21世紀初至今，在軌驗證

2007年4月25日，美國發(fā)射了AIM（Aeronomy of Ice in the Mesosphere）衛(wèi)星，軌道高度600km，傾角97.78°。其上搭載了CIPS（Cloud Imaging and Particle Size）載荷，通過4臺紫外相機拼接實現(xiàn)大視場覆蓋，其技術(shù)指標參數(shù)如表3所示[16]。

表3 CIPS技術(shù)指標參數(shù)Tab.3 Specifications of CIPS

可見，美國的導彈防御系統(tǒng)一直在進行導彈的紫外輻射探測的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括導彈本體目標的紫外輻射特性和空間背景輻射特性的研究工作，都已取得了較大的發(fā)展，并已在DSP上安裝了紫外跟蹤探測器，用于導彈彈頭的識別跟蹤。目前美國正在研制開發(fā)的天基紅外系統(tǒng)，其低軌道衛(wèi)星SBIRS-Low主要用于對導彈中段彈道軌跡進行探測跟蹤，獲得導彈彈頭的位置、速度和加速度，辨明真假目標和導彈碎片。由于軍事保密原因，SBIRS-Low的探測傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)未見公開報道，但是可以從MSX衛(wèi)星及ARGOS衛(wèi)星進行的大量空間紫外背景輻射試驗測量推測，用于彈頭探測跟蹤識別的SBIRS-Low衛(wèi)星帶有紫外跟蹤探測設(shè)備。

4 天基紫外預警關(guān)鍵技術(shù)

天基紫外預警最關(guān)鍵的幾個技術(shù)問題可以歸納為以下幾個方面：

(1)目標/背景紫外輻射特性

紫外預警系統(tǒng)的最大問題就是紫外信號弱，目標是否會淹沒在大氣背景下，能否被預警系統(tǒng)探測識別是最重要的問題。因此，目標和背景輻射研究對于紫外探測是十分重要的。環(huán)境監(jiān)測中大氣背景輻射的變化，將影響探測器的動態(tài)范圍；對于導彈預警，想要在大氣背景中對潛在目標進行識別，就要考慮目標的輻射特性與大氣背景輻射之間的關(guān)系。因此，需要研究采用不同燃料的導彈目標的紫外輻射特性和不同波段的大氣背景輻射變化，以及不同季節(jié)、地理位置、地表反照率變化對大氣背景的影響，并總結(jié)它們之間的變化規(guī)律，為星載紫外探測提供理論依據(jù)。

(2)大氣紫外傳輸特性研究

大氣層對太陽輻射的作用是吸收和散射。一方面大氣層吸收了部分太陽輻射能，使到達地球表面的直射陽光減弱；另一方面，大氣氣體分子和不同密度、尺寸的懸浮顆粒將部分太陽輻射反射回空間或散射偏離太陽直射方向。這些散射介質(zhì)之間以及散射介質(zhì)和地表之間進行了多次散射，構(gòu)成了分布不均勻的天空向下和向上的散射輻射，使得不同的探測波段、探測高度的大氣透射和背景輻射迥然各異。因此需要對大氣紫外傳輸特性進行仔細分析，才能選擇合適的探測波段與方案。

(3)高靈敏度、低噪聲紫外探測器研制

目前的紫外探測器主要使用笨重、易損壞且成本較高的光電倍增管。因此，研制基于寬帶隙半導體材料、可工作在更高溫度、更高效和更可靠的日盲固態(tài)焦平面陣列紫外探測器是當前的發(fā)展趨勢。

(4)低噪聲信號處理技術(shù)

紫外探測系統(tǒng)一般是一個微弱信號接收、處理系統(tǒng)，常常要經(jīng)過諸如信號采集、光電轉(zhuǎn)換和放大，或調(diào)制—解調(diào)，或編碼—解碼等過程，尤其是需要解決抗干擾、去噪聲的問題。對于來自多方面的噪聲（如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲、放大器噪聲等），必須采取有效的措施（如相關(guān)處理、鎖定放大、信號平均、自適應(yīng)噪聲抵消、低噪聲前置放大、抑制電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)等外界干擾），以降低噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。

5 我國發(fā)展天基紫外預警過程中應(yīng)該注意的幾個問題

我國在相應(yīng)的天基紫外探測機理研究方面，在彈道導彈紅外光電特性及雷達特性方面作了一些技術(shù)研究，但在導彈目標紫外特征的研究方面還需要進一步開展工作。因此，根據(jù)彈道導彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求，充分了解國內(nèi)外的研究動態(tài)，跟蹤美國的國家導彈防御系統(tǒng)NMD及地區(qū)導彈防御系統(tǒng)TMD的研究動態(tài)以及天基紅外系統(tǒng)SBIRS中紫外探測的發(fā)展研究現(xiàn)狀，及早開展天基紫外預警相關(guān)技術(shù)研究，是非常必要的。

我國在開展天基紫外預警技術(shù)研究時需要著重考慮以下幾個方面：

1）開展紫外輻射在地球大氣中的吸收和散射理論及空間背景紫外輻射特性研究、導彈工作特性及各飛行段的物理化學特性研究。

2）紫外光學技術(shù)是獲取目標信號的關(guān)鍵，對系統(tǒng)的好壞起決定性作用。因此，要加強紫外光學元件設(shè)計技術(shù)研究，主要包括特定波長紫外濾光片的設(shè)計、光學系統(tǒng)的設(shè)計及紫外光學鏡頭的研制等。

3）開展大面陣、高靈敏度、低噪聲紫外探測器技術(shù)研究。目前，美國等西方發(fā)達國家的紫外探測器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并在深空探測和對地觀測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，我國的紫外探測器技術(shù)水平與國際先進水平還存在一定的差距。

4）雖然導彈羽煙的紫外信號信雜比很高，但紫外輻射強度非常微弱，因而需要開展微弱信號檢測處理及成像增強技術(shù)研究，以盡早發(fā)現(xiàn)目標，增加預警時間。

5）開展多波段光電傳感器和多種光電信息的融合技術(shù)，使各類預警手段優(yōu)勢互補。，為地面軍事平臺提供對精確制導武器的實時預警和動態(tài)估計。

（References）

[1]唐紹凡,沈洪兵.天基導彈紫外預警及紫外預警探測儀[J].航天返回與遙感，2003,23(4):25-27.TANGShaofan,SHENHongbing.Space-basedM issileUVWarningand UVWarning Detecting Instrument[J].SpacecraftRecovery amp;Remote Sensing，2003,23(4):25-27.（in Chinese）

[2]李炳軍,江文杰,梁永輝.基于導彈羽煙紫外輻射的日盲型探測器[J].航天電子對抗，2006,22(6):7-10.LI Bingjun,JIANG Wenjie,LIANG Yonghui.The Solar-blinded UV Detectors by UV Radiation from M issile Plume[J].Aerospace ElectronicWarfare，2006,22(6):7-10.（in Chinese）

[3]李喜來,徐軍,曹付允,等.導彈紫外預警技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù)，2008(3):70-72.LIXilai,XUJun,CAOFuyun,etal.ResearchonUltravioletWarningTechnologyofM issile[J].TacticalM issile Technology，2008（3）:70-72.（in Chinese）

[4]石風,王丹偉.星載紫外探測淺析[C].2004年全國光電技術(shù)學術(shù)交流會，2004:285-288.SHIFeng,WANGDanwei.Introduction to Space-based UV Detection[C].2004NationalAcademic Conferenceon Photoelectricity Technology，2004:285-288.（in Chinese）

[5]趙永學,李麥亮,王曉,等.天基紫外探測預警技術(shù)[C].中國電子學會電子對抗分會第十三屆學術(shù)年會，2003:740-743.ZHAO Yongxue,LIMailiang,WANG Xiao,etal.Space-based UV DetectionWarning Technology[C].The 13th AnnualMeeting of ElectronicWarfare Comm ittee of The Chinese Institute of Electronics，2003:740-743.（in Chinese）

[6]王英鑒,王詠梅,管鳳君.紫外氣輝和極光空間探測進展[C].中國空間科學學會空間探測專業(yè)委員會第十七次學術(shù)會議，2004:39-42.WANGYingjian,WANGYongmei,GUANFengjun.DevelopmentofUVAirglow and AuroraSpaceDetection[C].The 17th Meeting of Space Detection Comm ittee of Chinese Society of Space Research，2004:39-42.（in Chinese）

[7]SmathersHW,Horan DM,Cardon JG,etal.UVPIImaging from the LACESatellite:The Starbird RocketPlume[R].1993.

[8]BechisK P.UV Observations During the STARLAB Space Shuttlem ission[J].SPIE，1989,1158:232-241.

[9]Kordas JF,Lew is IT,PriestRE,etal.UV/Visible Camera for the ClementineM ission[J].SPIE，1995,2478:175-186.

[10]Rustan PL.The Clementine Mission[J].SPIE，1994,2317:217-225.

[11]Carbary J F,Darlington E H,Heffernan K J,etal.Ultraviolet and Visible Imaging and Spectrographic Imaging(UVISI)Experiment[J].SPIE，1994,2217:204-212.

[12]Drakes JA,Swann D G,Karabadzhak G F,etal.DSMC Computations of the Progress-M SpacecraftRetrofiring Exhaust Plume[C].AIAA Aerospace Sciences Meeting(37th)，1999.

[13]Carruthers GR,Seeley TD.TheGlobal Imaging Monitorof the Ionosphere(GIMI)on the Advanced ResearchandGlobal Observation Satellite(ARGOS):Quick Look Results[J].SPIE，1999,3818:160-167.

[14]Morrison D,Paxton L,Humm D,etal.On-orbitCalibration of the Special Sensor Ultraviolet Scanning Imager(SSUSI):A Far-UV Imaging Spectrograph on DMSPF-16[J].SPIE，2002,4485:328-337.

[15]Thermosphere,Ionosphere,Mesosphere Energeticsand Dynam ics/GlobalUltraviolet Imager(TIMED/GUVI)[OL].http://www.cpi.com/projects/guvi.htm l.

[16]Rusch DW,Thomas G E,M cClintock W,etal.The Cloud Imaging and Particle Size Experimenton the Aeronomy of Ice in the MesosphereM ission:Instrument Concept,Design,Calibration,andon-orbit Performance[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2009,71:356-364.