天基紫外预警技术发展现状及思考

周峰郑国宪闫锋李想吴立民

(1北京空间机电研究所，北京100076)

(2南京大学电子科学与工程学院，南京210093)

1 引言

导弹预警技术是伴随着导弹技术的不断进步而发展起来的。从范围上看，导弹的射程越来越远，导弹预警技术也逐渐从地基向空基以及天基发展。从波段上看，导弹燃料技术的发展使得导弹的尾焰波段发生了改变，导弹预警技术的波段选择也逐渐向长波和短波双方向扩展，以及逐渐发展多谱段联合预警，以降低虚警率，提高精确度。

由于导弹尾焰辐射的谱线在2.7μm和4.3μm处具有特征峰，且CO2和水蒸气对这两个谱段有强烈的吸收，因此早期的导弹预警大都选择这两个谱段。但是，目前在导弹发动机技术方面的很多改进正在降低这些固有辐射中的多数辐射[1]，因此，不能保证在未来的导弹中仍会出现这些辐射谱线。

目前国外已经设计并生产了尾气中不含CO2和水蒸气的发动机，羽烟中2.7μm，4.3μm，6.3μm的特征辐射将大大减小，导致红外预警的虚警和误警的增加。但是，无论导弹使用任何燃料，其尾焰中都含有紫外辐射[2]，这就成为捕捉目标的紫外辐射源，如表1所示[3]。紫外辐射机制主要包括化学发光、散射日光、热致发光等。例如，低空固体含铝导弹尾焰是一种混合辐射源，在二次燃烧中，大量的Al2O3粒子呈现灰体辐射，其热状态一直保持到二次燃烧热量释放完毕。而微小的未燃尽粒子在很高的非平衡温度下发出紫外光，同时还会散射太阳光。而液体燃料导弹除了未燃尽液滴可以散射太阳紫外辐射，燃料的化学反应也会产生很强的紫外特征辐射。因此，发展天基紫外预警技术，将其作为红外预警的有效补充，有助于大大降低虚警率和误警率。

表1 低空(50km以下)导弹羽烟的紫外特征Tab.1 UV characteristics of m issile plume at low altitude (below 50km)

此外，天基紫外预警技术还具有不需低温冷却、有效抵抗激光武器威胁、体积小和质量轻等优点[3-4]。它是电子对抗向电磁全频谱发展而产生的新方法、新途径，在国防上具有非常重要的战略意义，紫外谱段预警技术将成为天基预警技术的一个重要领域[5]。

2 天基紫外预警的特点和优势

2.1 紫外预警的特点

与红外预警技术相比，紫外预警技术有许多独有的特点[5]。

首先，所有的物体都具备可观测的红外特征，而可辨别的紫外特征并不是所有的物体都具有。根据这一特点，虽然红外探测技术在军事上被广泛地研究和应用，但随着技术的发展和对抗双方要求的提高，紫外预警技术越来越显示出其特有的魅力。导弹尾焰中含有大量的紫外特征辐射，且紫外辐射在高空具有很好的透过率，为紫外预警提供了很有特色的目标识别基础，可以作为红外探测技术有力的补充。

其次，在具有紫外特征的目标中，紫外光谱（通常是金属原子或离子以及一些小分子发射的）可以提供比红外光谱（通常由水，二氧化碳或目标本体发射）更丰富的目标信息。水和二氧化碳在很多情况下不是目标独有的，换句话说，红外探测技术通常不能提供识别目标所需的独一无二的信息，而紫外技术则可以在目标识别方面有更大作为，因为紫外特征光谱不容易引起混叠，更容易识别目标。

再次，目前的激光武器大都处于红外谱段，使得红外预警系统易受到激光武器致盲的威胁。而大功率紫外激光武器技术还不成熟，因此，紫外预警卫星可以更安全地在轨运行。

最后，紫外探测技术有可能提供比红外技术更为简单和紧凑的系统。紫外光子具有比红外光子更高的能量，对热环境不像红外技术那样敏感，有可能用更小的冷却系统（或无需冷却）来满足它的要求。

2.2 天基紫外预警的优势

相对应其他预警方式，紫外预警最大的优势在于低的虚警率和误警率。

导弹紫外预警是利用“大气吸收区”的中紫外波段来探测飞出大气层外导弹尾焰的紫外辐射。“大气吸收区”的中紫外波段是指0.25～0.28μm的谱段，其形成主要是由于太阳辐射（紫外辐射的主要来源）的这一波段的光波绝大部分被地球的臭氧层所吸收，只有极少数的自然太阳光能射到地面。也就是说没有什么紫外光线会反射到大气层外，所以在地球大气层外观察到的以地球为背景的辐射光谱曲线的中紫外波段的辐射非常微弱，并且背景辐射比较平滑。

这样，如果在臭氧层外出现导弹，其发动机尾焰的中紫外辐射不受大气吸收和衰减的影响，到达紫外探测仪的信号较强，而背景信号很小并且很平滑，预警探测仪接收到的紫外信号的信杂比就相当高，从而达到高效预警的目的。国外试验表明，对于处于高度为40km的一种较小的导弹发动机F404尾焰，其信杂比就能达到100∶1，这样的系统信杂比能够使系统探测概率达到99%以上[1]。也就是说，利用中波紫外进行预警探测能够更容易地在较微弱的背景下探测出导弹。

此外，相对红外预警方式，紫外预警还有一些优点，如表2所示。

表2 紫外预警的优点Tab.2 Advantages of UV warning

可以预测，天基紫外探测系统作为新型导弹预警探测跟踪手段，必将在未来预警卫星上发挥重大作用。美国第一、二代DSP预警卫星以及正在研制的天基红外系统的低轨卫星都带有紫外跟踪系统。因此，跟踪国外紫外探测技术的发展现状与趋势，对紫外探测系统进行先期原理研究和关键技术探索，对于完善我国导弹防御系统具有重大意义。

3 国外研究现状

国外天基紫外预警技术的发展经历了以下3个阶段：

（1）20世纪60年代到70年代末，目标特性研究及可行性分析阶段

从20世纪60年代开始，美国等发达国家就开始导弹紫外预警研究，早期工作主要集中在导弹火箭羽烟紫外辐射的测量。导弹目标的探测、识别、预警、跟踪是弹道导弹防御系统的关键，发展先进的探测技术在美国SDI计划和现在的NMD和TMD计划中一直占有极其重要的地位，并且动用卫星和飞行试验以获取这一方面的数据。

美国空军空间及导弹系统中心（Air Force Space and M issile System Center）对导弹对同温层中臭氧的影响（RISO）进行了研究，并就天基紫外探测器对地探测遥感的可行性作了深入分析。

（2）20世纪70年代末到21世纪初，背景特性研究及试验数据采集阶段

70年代末，从军事需要出发，美国开始进行极光和气辉的远紫外探测，研制了真空紫外（VUV）背景卫星试验装置（Vacuum UltravioletBackground Satellite Experiment），搭载在1978年发射的S3-4极轨卫星上[6]。该仪器包括了光谱仪和光度计2部分。极光/电离层绘图仪AIM（Auroral Ionospheric Mapper）除可进行光谱和光度测量外，也具有获得特定波段单色像的能力。该仪器由紫外光谱仪和光度计组成。紫外辐射通过扫描镜后被抛物镜聚焦在Ebert-Fastie光谱仪的入射狭缝上，光谱仪焦距125mm，工作波段110～190nm，光谱分辨率3nm，仪器视场角0.4°×1.7°，在100～150km极光、气辉高度的空间分辨率为4km×20km，扫描宽度134.8°，扫描周期3s。探测器采用CsI阴极日盲型光电倍增管，能有效阻止可见光和近紫外波段背景辐射对测量结果的干扰。

20世纪90年代在航天飞机等空间飞行器上，进一步安装了ISO（Imaging Spectrometric Observatory）、RAIDS（Remote Atmospheric and Ionospheric Detection System） 和 MAHRSI（M iddle Atmosphere High Resolution Spectrographic Instrument）等仪器，用于地球大气临边紫外波段气辉辐射的探测，以获得电离层和热层大气的结构特性。

1990年，美国发射了LACE（Low-power Atmospheric Compensation Experiment）卫星，其上搭载了UVPI（Ultraviolet Plume Instrument）载荷，在450～550km的距离成功探测到Strypi火箭的发射过程，得到了195～295nm、220～320nm、235～350nm以及300～320nm4个谱段的光谱辐射强度，收集地球、地球临边和天空的紫外图像数据，验证了空间平台上紫外探测、跟踪能力[7]。

1991年，美国进行了星实验室（STARLAB）空间试验任务，其目标之一就是进行导弹尾焰、空间、地球及临边背景的高分辨率多谱段观测，获得目标和背景辐射强度随时间、空间及光谱的变化，轨道高度330.4km，轨道倾角33.4°。其上搭载的紫外相机设备（UVCA）工作于0.2～0.32μm，光学系统采用卡塞格林望远镜结构，口径200mm，采用8片滤光片轮实现不同波长的观测，探测器采用像增强器与面阵CCD耦合器件[8]。

1994年1月，美国发射了Clementine绕月卫星，轨道为椭圆形，近月点420km，远月点3000km。其上搭载了紫外/可见光相机，质量410g，功耗4.5W，用来获取空间辐射和弹道导弹尾喷流辐射的重要数据[9-10]。

1996年美国发射了中段空间试验MSX（M idcourse Space Experiment）卫星，其轨道为高度888km倾角99.16°的圆形近太阳同步轨道。其上搭载了紫外可见光成像仪与光谱成像仪（UVISI），获得了大量背景和目标特性的探测结果，为导弹探测预警提供了宽波段的精确背景辐射[11]。

1997～2000年，美国和俄罗斯联合进行了M irEx试验，获得了70～300km高度地球夜间临边气辉、380km高度Progress-M和Soyuz-TM飞船发动机喷焰紫外辐射特性，并同时观测了地球大气背景以及再入过程辐射现象[12]。

1999年2月，美国成功发射了全球观测高级研究卫星ARGOS（Advanced Research GlobalObservation Satellite）作为空军空间探测计划的组成部分。其轨道高度为833km，轨道倾角98.7°，周期为101.6min。其上搭载了两台远紫外相机，用于测量高层大气和天体的紫外辐射，为空间监视提供紫外辐射背景[13]。

2001年，美国通过TIMED卫星搭载了GUVI（GlobalUltraviolet Imager），进行了日辉和极光探测[14]。2003年，将GUVI进一步改进为SSUSI（Special Sensor UltravioletSpectrographic Imager），搭载在DMSP（DefenseMeteorologicalSatellite Program）卫星上对热层和电离层空间天气效应进行监测[15]。

（3）21世纪初至今，在轨验证

2007年4月25日，美国发射了AIM（Aeronomy of Ice in the Mesosphere）卫星，轨道高度600km，倾角97.78°。其上搭载了CIPS（Cloud Imaging and Particle Size）载荷，通过4台紫外相机拼接实现大视场覆盖，其技术指标参数如表3所示[16]。

表3 CIPS技术指标参数Tab.3 Specifications of CIPS

可见，美国的导弹防御系统一直在进行导弹的紫外辐射探测的关键技术研究，包括导弹本体目标的紫外辐射特性和空间背景辐射特性的研究工作，都已取得了较大的发展，并已在DSP上安装了紫外跟踪探测器，用于导弹弹头的识别跟踪。目前美国正在研制开发的天基红外系统，其低轨道卫星SBIRS-Low主要用于对导弹中段弹道轨迹进行探测跟踪，获得导弹弹头的位置、速度和加速度，辨明真假目标和导弹碎片。由于军事保密原因，SBIRS-Low的探测传感器相关数据未见公开报道，但是可以从MSX卫星及ARGOS卫星进行的大量空间紫外背景辐射试验测量推测，用于弹头探测跟踪识别的SBIRS-Low卫星带有紫外跟踪探测设备。

4 天基紫外预警关键技术

天基紫外预警最关键的几个技术问题可以归纳为以下几个方面：

(1)目标/背景紫外辐射特性

紫外预警系统的最大问题就是紫外信号弱，目标是否会淹没在大气背景下，能否被预警系统探测识别是最重要的问题。因此，目标和背景辐射研究对于紫外探测是十分重要的。环境监测中大气背景辐射的变化，将影响探测器的动态范围；对于导弹预警，想要在大气背景中对潜在目标进行识别，就要考虑目标的辐射特性与大气背景辐射之间的关系。因此，需要研究采用不同燃料的导弹目标的紫外辐射特性和不同波段的大气背景辐射变化，以及不同季节、地理位置、地表反照率变化对大气背景的影响，并总结它们之间的变化规律，为星载紫外探测提供理论依据。

(2)大气紫外传输特性研究

大气层对太阳辐射的作用是吸收和散射。一方面大气层吸收了部分太阳辐射能，使到达地球表面的直射阳光减弱；另一方面，大气气体分子和不同密度、尺寸的悬浮颗粒将部分太阳辐射反射回空间或散射偏离太阳直射方向。这些散射介质之间以及散射介质和地表之间进行了多次散射，构成了分布不均匀的天空向下和向上的散射辐射，使得不同的探测波段、探测高度的大气透射和背景辐射迥然各异。因此需要对大气紫外传输特性进行仔细分析，才能选择合适的探测波段与方案。

(3)高灵敏度、低噪声紫外探测器研制

目前的紫外探测器主要使用笨重、易损坏且成本较高的光电倍增管。因此，研制基于宽带隙半导体材料、可工作在更高温度、更高效和更可靠的日盲固态焦平面阵列紫外探测器是当前的发展趋势。

(4)低噪声信号处理技术

紫外探测系统一般是一个微弱信号接收、处理系统，常常要经过诸如信号采集、光电转换和放大，或调制—解调，或编码—解码等过程，尤其是需要解决抗干扰、去噪声的问题。对于来自多方面的噪声（如热噪声、散弹噪声、低频噪声、放大器噪声等），必须采取有效的措施（如相关处理、锁定放大、信号平均、自适应噪声抵消、低噪声前置放大、抑制电磁感应与静电感应等外界干扰），以降低噪声，提高系统信噪比。

5 我国发展天基紫外预警过程中应该注意的几个问题

我国在相应的天基紫外探测机理研究方面，在弹道导弹红外光电特性及雷达特性方面作了一些技术研究，但在导弹目标紫外特征的研究方面还需要进一步开展工作。因此，根据弹道导弹防御系统的作战需求，充分了解国内外的研究动态，跟踪美国的国家导弹防御系统NMD及地区导弹防御系统TMD的研究动态以及天基红外系统SBIRS中紫外探测的发展研究现状，及早开展天基紫外预警相关技术研究，是非常必要的。

我国在开展天基紫外预警技术研究时需要着重考虑以下几个方面：

1）开展紫外辐射在地球大气中的吸收和散射理论及空间背景紫外辐射特性研究、导弹工作特性及各飞行段的物理化学特性研究。

2）紫外光学技术是获取目标信号的关键，对系统的好坏起决定性作用。因此，要加强紫外光学元件设计技术研究，主要包括特定波长紫外滤光片的设计、光学系统的设计及紫外光学镜头的研制等。

3）开展大面阵、高灵敏度、低噪声紫外探测器技术研究。目前，美国等西方发达国家的紫外探测器技术已经非常成熟，并在深空探测和对地观测等领域得到广泛应用，我国的紫外探测器技术水平与国际先进水平还存在一定的差距。

4）虽然导弹羽烟的紫外信号信杂比很高，但紫外辐射强度非常微弱，因而需要开展微弱信号检测处理及成像增强技术研究，以尽早发现目标，增加预警时间。

5）开展多波段光电传感器和多种光电信息的融合技术，使各类预警手段优势互补。，为地面军事平台提供对精确制导武器的实时预警和动态估计。

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