空間平臺(tái)主被動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)研究

鄧 全，王寶玉，馬 敏，牛 群

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，外層空間正成為新的軍事研究熱點(diǎn)，空間攻防勢(shì)必會(huì)成為新軍事變革下的重要領(lǐng)域。在空間攻防體系中，空間目標(biāo)的態(tài)勢(shì)感知、信息獲取是贏(yíng)得主動(dòng)、奪取制天權(quán)的前提和關(guān)鍵。當(dāng)前，美國(guó)、歐空局、俄羅斯、日本等持續(xù)開(kāi)展空間自主探測(cè)技術(shù)研究，其中天基激光探測(cè)技術(shù)是有效且重要手段之一。

主動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)主要指激光雷達(dá)（light detection and ranging，LIDAR）技術(shù)，具有波束窄、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)[1]。天基激光雷達(dá)可以在給定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)（包括合作目標(biāo)、非合作目標(biāo)）的搜索、跟蹤、測(cè)量，實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)三維空間信息；被動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)主要指激光告警（laser warming）技術(shù)，能夠快速識(shí)別敵方激光來(lái)襲方向，判別威脅程度，實(shí)施探測(cè)告警，從而引導(dǎo)我方平臺(tái)及時(shí)采取必要防御措施[2-3]。

從空間攻防角度考慮，如何遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)辨別敵我目標(biāo)，如何對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行偵察、測(cè)量，這是空間信息獲取的首要問(wèn)題。顯然，上述問(wèn)題的解決，不能單一、分裂地進(jìn)行激光雷達(dá)、激光告警技術(shù)研究，而應(yīng)將這兩種主、被動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)統(tǒng)一考慮，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。這對(duì)于提高天基平臺(tái)主動(dòng)防護(hù)能力、提升空間探測(cè)水平具有重要意義。

1 激光探測(cè)原理概述

作為主動(dòng)探測(cè)設(shè)備，激光雷達(dá)種類(lèi)多樣，以距離信息的獲取方式分類(lèi)，可分為連續(xù)波和脈沖式兩種，其中脈沖式又可分為掃描式和非掃描式。連續(xù)波式激光雷達(dá)通過(guò)計(jì)算發(fā)射激光與接收激光之間的相位差間接得到激光飛行時(shí)間（time of flight，TOF），而脈沖式激光雷達(dá)則通過(guò)測(cè)量發(fā)射激光與接收激光之間的時(shí)間差直接得到TOF[4]。連續(xù)波式激光雷達(dá)的精度高（一般為mm量級(jí)），但因其測(cè)程較近，不適合空間攻防應(yīng)用場(chǎng)合。

脈沖掃描式激光雷達(dá)發(fā)射預(yù)定功率的窄脈沖激光束，通過(guò)掃描裝置對(duì)預(yù)定區(qū)域進(jìn)行大視場(chǎng)（10°×10°）逐點(diǎn)掃描，目標(biāo)反射的回波信號(hào)經(jīng)光學(xué)天線(xiàn)匯聚后被光電探測(cè)器接收并處理，通過(guò)測(cè)量TOF時(shí)間差得到距離信息，再通過(guò)讀取該時(shí)刻掃描機(jī)構(gòu)角編碼器得到俯仰、方位信息。經(jīng)過(guò)不間斷地空間二維掃描，得到區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)解算后提取目標(biāo)特征。當(dāng)完成目標(biāo)搜索、捕獲后，激光雷達(dá)就轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。跟蹤模式下，激光雷達(dá)以小視場(chǎng)（1°×1°）繼續(xù)掃描目標(biāo)，同時(shí)提取目標(biāo)脫靶量，不斷修正角度跟蹤中心。至此，激光雷達(dá)完成對(duì)目標(biāo)的搜索、確認(rèn)、跟蹤，對(duì)外輸出目標(biāo)的三維信息（ρ，α，β）。脈沖掃描式激光雷達(dá)由于束散角較窄，能量相對(duì)集中，探測(cè)距離較遠(yuǎn)，缺點(diǎn)是體積重量、捕獲時(shí)間、跟蹤精度受到機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)的限制。脈沖掃描式激光雷達(dá)原理框圖如圖1所示，目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤示意圖如圖2所示。

圖1 掃描式激光雷達(dá)原理框圖Fig.1 Block diagram of scanning LIDAR principle

圖2 目標(biāo)搜索、捕獲、跟蹤示意圖Fig.2 Schematic diagram of target search, capture and tracking

非掃描式激光雷達(dá)又稱(chēng)為閃光激光雷達(dá)。與采用單元探測(cè)器的掃描式激光雷達(dá)不同，非掃描式激光雷達(dá)主要采用面陣探測(cè)器接收激光回波。其主要工作過(guò)程為：在整機(jī)時(shí)序控制下，發(fā)射機(jī)發(fā)射一束激光脈沖，經(jīng)光學(xué)擴(kuò)束后照射到目標(biāo)表面，被目標(biāo)反射回的激光由接收光學(xué)系統(tǒng)匯集，面陣探測(cè)器同時(shí)完成對(duì)探測(cè)區(qū)域的多點(diǎn)測(cè)量，經(jīng)處理形成激光雷達(dá)圖像。非掃描式激光雷達(dá)為了使光斑能夠覆蓋目標(biāo)表面，一般采用大束散角發(fā)射，一次發(fā)射可以獲得多點(diǎn)測(cè)量結(jié)果，具有較高的探測(cè)速度，但因束散角大、能量分散導(dǎo)致探測(cè)距離較近，不適合空間攻防應(yīng)用場(chǎng)合。

作為被動(dòng)探測(cè)手段，星載激光告警設(shè)備一般采用靜態(tài)凝視體制，大視場(chǎng)監(jiān)視對(duì)方單程激光信號(hào)。當(dāng)對(duì)方激光信號(hào)照射到告警設(shè)備后，經(jīng)光學(xué)窗口匯集到光學(xué)探測(cè)器，信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、濾波、放大及數(shù)據(jù)處理，生成激光告警信息并上報(bào)我方平臺(tái)，為后續(xù)采取應(yīng)對(duì)措施提供信息支撐。星載激光告警設(shè)備功能組成及工作原理如圖3所示。

圖3 星載激光告警功能組成和工作原理Fig.3 Composition and working principle of space-borne laser warning function

星載激光告警設(shè)備由艙外告警探頭和艙內(nèi)處理單元兩部分組成。告警視場(chǎng)和角度分辨力是激光告警設(shè)備的重要指標(biāo)。當(dāng)前，激光告警設(shè)備的探測(cè)器主要分為成像型和光譜識(shí)別型兩種[3,5]。成像型多采用以CCD為核心的探測(cè)器，優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高精度方向分辨及波長(zhǎng)識(shí)別，缺點(diǎn)是只能單波長(zhǎng)工作，背景光較難控制且成本較高；光譜識(shí)別型多采用以光電二極管為核心的探測(cè)器，通過(guò)探測(cè)某個(gè)波長(zhǎng)的激光能量來(lái)判別威脅，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、大范圍的激光告警，技術(shù)相對(duì)成熟，缺點(diǎn)是角度分辨力較差。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

天基激光探測(cè)技術(shù)作為對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行偵察、測(cè)量、告警的主要形式，已經(jīng)成為各國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)。一般而言，空間攻防體系的被測(cè)目標(biāo)可分為非合作目標(biāo)（如敵方衛(wèi)星、飛船等）和合作目標(biāo)（如我方角錐棱鏡、面反射鏡等）兩類(lèi)。

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 針對(duì)非合作目標(biāo)的空間激光雷達(dá)

SSLS激光雷達(dá)系統(tǒng)（spaceborne scanning lidar system）由加拿大Optech公司和MDA公司聯(lián)合研制，是美國(guó)微衛(wèi)星研究計(jì)劃系列衛(wèi)星XSS-11（已于2005年4月發(fā)射）的有效載荷之一，主要對(duì)空間非合作目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤和測(cè)距[6]。SSLS激光雷達(dá)由光機(jī)頭和電子艙兩部分構(gòu)成，采用兩維振鏡實(shí)現(xiàn)20°×20°的視場(chǎng)掃描。SSLS激光雷達(dá)實(shí)物如圖4所示，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖4 SSLS激光雷達(dá)實(shí)物圖[6]Fig.4 Physical photo of SSLS LIDAR[6]

表1 SSLS激光雷達(dá)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of SSLS LIDAR

2005年，美國(guó)AOS公司針對(duì)NASA對(duì)空間目標(biāo)自主捕獲、跟蹤和測(cè)量的應(yīng)用需求，研制了空間自主測(cè)量激光雷達(dá)（laser range and bearing finder，LRBF）。LRBF激光雷達(dá)針對(duì)空間非合作目標(biāo)探測(cè)，采用直接探測(cè)體制，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖5 LRBF激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.5 Structure diagram of LRBF LIDAR[6]

表2 LRBF激光雷達(dá)主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of LRBF LIDAR

2.1.2 針對(duì)合作目標(biāo)的空間激光雷達(dá)

2009年，德國(guó)Jena-Optronik公司設(shè)計(jì)研制的激光交會(huì)敏感器（rendezvous，RVS），搭載于日本的HTV-1貨運(yùn)飛船，完成了與國(guó)際空間站（ISS）的在軌試驗(yàn)任務(wù)。RVS是一種掃描式激光雷達(dá)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。其中RVSH為機(jī)頭部分，RVSE為電子艙部分。RVS采用單元探測(cè)器結(jié)合互相垂直的雙擺鏡掃描，搜索安裝在實(shí)驗(yàn)艙的角反射器陣列（合作目標(biāo)），依靠合作目標(biāo)在三維圖像中的位置和角度計(jì)算HTV飛船和空間站的相對(duì)位姿。截止到2017年，RVS分別搭載在美國(guó)、日本和歐盟的19種航天器上，成功完成了40次與國(guó)際空間站自主交會(huì)的姿態(tài)測(cè)量任務(wù)[4]。表3為RVS主要技術(shù)指標(biāo)。

圖6 RVS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[4]Fig.6 Structure diagram of RVS[4]

表3 RVS主要性能參數(shù)Table 3 Main performance parameters of RVS

得益于RVS的巨大成功，Jena-Optronik公司又研發(fā)了RVS的改進(jìn)型RVS3000，并在2014年搭載于歐空局貨運(yùn)飛船ATV-5，成功完成了在軌測(cè)試。相對(duì)于RVS設(shè)備，RVS3000更換了新型光纖激光器，掃描裝置更換為全數(shù)控萬(wàn)向節(jié)掃描鏡，并縮小了體積和重量，這使其兼具了對(duì)非合作目標(biāo)的相對(duì)位姿獲取能力。改進(jìn)后的RVS3000主要參數(shù)如表4所示。

表4 RVS3000主要性能參數(shù)Table 4 Main performance parameters of RVS3000

2.1.3 星載激光告警設(shè)備

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)均已開(kāi)展過(guò)激光反衛(wèi)星試驗(yàn)[7]。國(guó)際上對(duì)空間攻擊和防御系統(tǒng)的研究已經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，其中美國(guó)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展占據(jù)主導(dǎo)地位。1999年美國(guó)空軍司令部發(fā)起研究“衛(wèi)星受威脅與攻擊告警（STW/AR）”系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用星載傳感器檢測(cè)對(duì)航天器有威脅的激光干擾，并將截獲的干擾特征向衛(wèi)星地面站發(fā)出告警，使工作人員做出相應(yīng)對(duì)策。2007年美國(guó)空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心啟動(dòng)“自感知太空態(tài)勢(shì)感知（SASSA）”計(jì)劃，該計(jì)劃是要研發(fā)“感知并確定”激光攻擊技術(shù)，具有自感知能力[8]。

目前，由于激光反衛(wèi)星武器受設(shè)備重量和能量補(bǔ)給等條件制約，強(qiáng)激光武器暫時(shí)還無(wú)法裝載到天基平臺(tái)。因此，星載激光告警設(shè)備主要是探測(cè)陸基強(qiáng)激光武器的激光威脅信號(hào)。但是，作為一種潛在的激光對(duì)抗平臺(tái),天基反衛(wèi)星技術(shù)正在迅速發(fā)展[9]。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，我國(guó)應(yīng)用天基激光探測(cè)技術(shù)的產(chǎn)品主要有：2007年，發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”激光高度計(jì)，用于月球表面的地形測(cè)量；2016年，發(fā)射了首臺(tái)用于對(duì)地測(cè)繪的“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)[10]。我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，相關(guān)單位研制的激光雷達(dá)采用基于合作目標(biāo)的主動(dòng)掃描成像探測(cè)方式，圓滿(mǎn)完成天宮一/二號(hào)與神舟八號(hào)/九號(hào)/十號(hào)/十一號(hào)載人飛船的4次飛行任務(wù)，在軌共完成8次交會(huì)、6次對(duì)接任務(wù)[11]。

星載激光告警方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的星載激光告警系統(tǒng)采用光學(xué)成像，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)濾光片分光，采用PbSe和HgCdTe面陣探測(cè)器成像的方式。但由于該系統(tǒng)使用的探測(cè)器存在制冷問(wèn)題，質(zhì)量、體積和功耗較大。中科院上海技術(shù)物理研究所研制的激光告警系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、多波段特點(diǎn)，覆蓋了從近到遠(yuǎn)所有紅外波段，視場(chǎng)角達(dá)到120°，然而信噪比較低，數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，需要改進(jìn)[8]。

總體而言，近年來(lái)我國(guó)激光探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，激光雷達(dá)及激光告警產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空基、?；㈥懟脚_(tái)，但受天基平臺(tái)及太空環(huán)境制約，應(yīng)用于空間的激光產(chǎn)品相對(duì)較少。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

從上述資料分析，天基激光探測(cè)設(shè)備的使用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，天基主被動(dòng)激光探測(cè)技術(shù)有如下趨勢(shì)：1）對(duì)合作目標(biāo)、非合作目標(biāo)的混合探測(cè)，典型產(chǎn)品如德國(guó)RVS3000；2）多波段告警，當(dāng)前單一波段告警已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的作戰(zhàn)需求；3）主被動(dòng)激光復(fù)合探測(cè)，利用被動(dòng)告警信息避險(xiǎn)和粗引導(dǎo)，采取主動(dòng)探測(cè)或干擾的方式，達(dá)到“快速機(jī)動(dòng)、有效反制”的目的。目前，業(yè)界廣泛開(kāi)展了MEMS激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)、片上激光雷達(dá)等方面的研究，但受器件工藝水平、性能參數(shù)等限制，現(xiàn)階段還無(wú)法應(yīng)用到空間攻防領(lǐng)域。天基激光掃描機(jī)構(gòu)大多仍采用二維機(jī)械掃描，主要還是考慮技術(shù)成熟度以及空間環(huán)境適應(yīng)性等因素。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 體制選擇

針對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)，可以考慮：1）電視成像+激光測(cè)距，該方案具有較高的探測(cè)精度，缺點(diǎn)是陰影區(qū)系統(tǒng)無(wú)法工作，且容易受到背景光的強(qiáng)干擾，其應(yīng)用受限；2）紅外成像+激光測(cè)距，理論上該方案可以實(shí)現(xiàn)陰影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)全天時(shí)工作，缺點(diǎn)是紅外相機(jī)受目標(biāo)輻射特性影響較大，對(duì)低溫、遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)能力差，系統(tǒng)可用性不足。

結(jié)合空間攻防應(yīng)用需求，考慮當(dāng)前光電設(shè)備的可靠性、空間適應(yīng)性等因素，本文擬采用主被動(dòng)天基激光探測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的搜索、跟蹤和告警，其中主動(dòng)探測(cè)技術(shù)選用脈沖掃描式激光雷達(dá)，被動(dòng)探測(cè)技術(shù)采用光譜識(shí)別型激光告警設(shè)備。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)及主要組成

天基平臺(tái)空間攻防一方面要求能夠主動(dòng)探測(cè)對(duì)方，辨別敵我目標(biāo)，另一方面還需被動(dòng)探測(cè)對(duì)方是否有激光威脅信號(hào)，提前告警，采取規(guī)避措施。為此，在天基平臺(tái)上共同搭載激光雷達(dá)、激光告警設(shè)備，充分發(fā)揮主被動(dòng)天基激光探測(cè)技術(shù)的各自?xún)?yōu)勢(shì)。天基平臺(tái)激光探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 天基平臺(tái)激光探測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of laser detection system framework in space-based platform

激光雷達(dá)采用主動(dòng)掃描成像體制，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行大范圍、高精度掃描成像，通過(guò)搜跟算法、圖像識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，主要包括激光發(fā)射機(jī)、收發(fā)光學(xué)、二維掃描機(jī)構(gòu)、激光接收機(jī)以及信息處理機(jī)等。

星載告警設(shè)備包括對(duì)地激光告警和對(duì)空激光告警兩種，對(duì)地告警是對(duì)陸基強(qiáng)激光武器進(jìn)行探測(cè)、告警，對(duì)空告警是當(dāng)其他空間目標(biāo)使用激光時(shí)，根據(jù)探測(cè)到的光譜能量告警來(lái)襲方向、判別威脅類(lèi)型（如激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光通信等），其構(gòu)成如前所述，不再贅述。

一般而言，角反射器陣列是無(wú)源光學(xué)元件，具有定向反射的特點(diǎn)[12]，能夠?yàn)榧す馓綔y(cè)提供較高的反射率（約為0.9）。考慮到空間攻防應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)有源可調(diào)制角反射器陣列，使用電控光電玻璃作為角反射器陣列的保護(hù)窗口，通過(guò)加載電壓控制角反射器的開(kāi)啟或關(guān)閉。圖8為可調(diào)制角反射器陣列示意圖。

圖8 可調(diào)制角反射器陣列示意圖[12]Fig.8 Schematic diagram of modulated corner reflector array[12]

3.3 工作模式及流程

上電后，激光告警設(shè)備始終處于工作狀態(tài)，大視場(chǎng)凝視探測(cè)空域內(nèi)其他平臺(tái)的激光信號(hào)。天基平臺(tái)根據(jù)激光告警設(shè)備的探測(cè)信息，使激光雷達(dá)工作在3種不同模式。

1）當(dāng)探測(cè)到對(duì)方激光為約定編碼的激光信號(hào)時(shí)，可判定為我方目標(biāo)。按照事先約定，雙方激光雷達(dá)加電，分別開(kāi)啟可調(diào)制角反射器陣列，形成基于合作目標(biāo)的應(yīng)答探測(cè)模式。由于雙方均探測(cè)單程激光，最小可探測(cè)功率與距離的平方成反比，因而能從更遠(yuǎn)距離建立合作測(cè)量關(guān)系，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。這對(duì)于空間攻防中開(kāi)展快捷交會(huì)對(duì)接繼而完成空間維修、補(bǔ)給回收等任務(wù)具有重要意義。

2）當(dāng)探測(cè)到對(duì)方激光為無(wú)規(guī)則激光信號(hào)時(shí)，可判定為敵方目標(biāo)。天基平臺(tái)一方面根據(jù)告警信息采取機(jī)動(dòng)避讓或主動(dòng)干擾，另一方面將激光來(lái)襲方向作為粗引導(dǎo)信息，使激光雷達(dá)指向相應(yīng)區(qū)域，開(kāi)展基于非合作目標(biāo)的空間探測(cè)。在此過(guò)程中，可調(diào)制角反射器處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)我方逼近敵方目標(biāo)到一定距離時(shí)，天基平臺(tái)突然開(kāi)啟角發(fā)射器陣列，瞬時(shí)反射強(qiáng)的激光回波，利用光電流的急劇增大造成敵方激光探測(cè)器的損傷甚至失效[13]。

3）當(dāng)告警設(shè)備在空域內(nèi)未探測(cè)到激光信號(hào)時(shí)，此時(shí)不再區(qū)分?jǐn)?、我方目?biāo)。激光雷達(dá)輸出大功率，根據(jù)掃描策略在大范圍內(nèi)進(jìn)行基于非合作目標(biāo)的成像探測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)解算、圖像識(shí)別后，實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的搜索、捕獲、跟蹤。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 空間機(jī)動(dòng)目標(biāo)快速捕獲、跟蹤技術(shù)

窄波束激光實(shí)現(xiàn)大范圍目標(biāo)的捕獲和跟蹤，是天基激光雷達(dá)的技術(shù)難點(diǎn)之一。該項(xiàng)技術(shù)需要解決運(yùn)動(dòng)平臺(tái)激光點(diǎn)陣掃描探測(cè)對(duì)空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)的快速搜索、捕獲問(wèn)題。根據(jù)應(yīng)用設(shè)想，本文擬采用激光告警信息作為粗引導(dǎo)，結(jié)合二維掃描機(jī)構(gòu)，優(yōu)化掃描速度、光斑重疊率等參數(shù)，研究最佳搜索、捕獲、跟蹤策略，研究運(yùn)動(dòng)圖像的補(bǔ)償、修正算法。

4.2 大功率、高重頻激光發(fā)射技術(shù)

如何在空間環(huán)境下輸出大功率、高重頻、高質(zhì)量光斑，是天基激光發(fā)射技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。這涉及激光器的工作體制、諧振腔、泵浦方式、溫控、散熱、耦合等一系列復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)技術(shù)[14]。這些方面往往存在著相互約束的因素。近年來(lái)，光纖激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器（DPSSL）是天基激光發(fā)射技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

4.3 空間強(qiáng)背景下高靈敏度接收機(jī)技術(shù)

接收機(jī)是激光雷達(dá)信號(hào)獲取的關(guān)鍵部件，接收機(jī)的性能指標(biāo)直接影響激光雷達(dá)的捕獲、跟蹤和測(cè)量性能。根據(jù)架構(gòu)設(shè)想，天基激光雷達(dá)要具備對(duì)合作目標(biāo)、非合作目標(biāo)的混合目標(biāo)探測(cè)能力，這就要求其必須具備高的靈敏度和大的動(dòng)態(tài)范圍。在空間環(huán)境下，接收機(jī)還需要解決背景光噪聲抑制、溫度補(bǔ)償探測(cè)器增益起伏等問(wèn)題。為適應(yīng)混合目標(biāo)探測(cè)，接收機(jī)可以考慮不同的時(shí)間增益控制曲線(xiàn)（TGC），同時(shí)采用脈沖信號(hào)互相關(guān)探測(cè)技術(shù)，以提高系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的處理能力。

4.4 小型化、高效率光束掃描技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)窄束散角激光束的大空域探測(cè)，需要光束掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光大范圍快速掃描。航天環(huán)境對(duì)體積、重量和功耗的苛刻限制，無(wú)疑增加了掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。要充分考慮到光束重疊率、掃描速度、測(cè)量精度及空間適應(yīng)性等因素，綜合分析擺鏡掃描、轉(zhuǎn)鼓掃描、光楔掃描等技術(shù)體制的優(yōu)缺點(diǎn)和系統(tǒng)的適用性，通過(guò)模擬仿真計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等方式研究新型掃描方法。

4.5 低虛警率、大視場(chǎng)激光告警技術(shù)

對(duì)航天器的攻擊會(huì)被視為戰(zhàn)爭(zhēng)行為，因此天基激光告警設(shè)備要求有更低的虛警率指標(biāo)，以免誤判。天基激光告警設(shè)備在整個(gè)工作壽命期間是一直開(kāi)機(jī)工作的，要在電磁環(huán)境惡劣的太空環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)激光告警設(shè)備更低虛警率指標(biāo)，就要從光學(xué)設(shè)計(jì)（窄帶濾光、視場(chǎng)抑制）、信號(hào)濾波（耦合隔直、干擾剔除）、通道融合算法等多方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保大視場(chǎng)告警信息既不能漏報(bào)，也不可錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)[15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展天基平臺(tái)空間攻防研究，對(duì)于保證我國(guó)空間安全意義重大。本文通過(guò)對(duì)主被動(dòng)天基激光探測(cè)的深入研究，提出了一種基于激光雷達(dá)和激光告警設(shè)備聯(lián)合使用的架構(gòu)設(shè)想。這種設(shè)想特別是應(yīng)用模式的探索，具有較為明顯的新穎性。當(dāng)前，這種應(yīng)用設(shè)想還受到諸如器件環(huán)境適應(yīng)性、性能指標(biāo)等制約因素的限制。但相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種架構(gòu)設(shè)想必定能逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。