基于导弹羽烟紫外辐射的日盲型探测器_李炳军

第22卷第6期航天电子对抗
收稿日期:2006-05-19;2006-09-05修回。

作者简介:李炳军(1976-),男,硕士研究生,研究方向为紫外告警的应用;江文杰(1960-),男,副教授,研究方向为光电检测与信息处理;梁永辉(1972-),女,副教授,研究方向为光电信息处理。

基于导弹羽烟紫外辐射的日盲型探测器
李炳军,江文杰,梁永辉
(国防科技大学光电科学与工程学院,湖南长沙 410073)
摘要: 日盲型紫外探测器件是紫外告警技术的关键技术。

介绍了目标(导弹羽烟)与背景的紫外辐射特征,讨论了紫外探测器件发展及特点。

关键词: 日盲;紫外告警;紫外探测器
中图分类号: TN23 文献标识码: A
Solar blinded detector by UV radiation from missile plume
Li Bingjun,Jiang Wenjie,Liang Yonghui
(Co lleg e of Opto electric Science and Engineering,N ational U niversity of Defense
T echno logy,Changsha 410073,H unan,China)
Abstract:Solar blinded U V detector s ar e the key techno lo gies in U V war ning sy stem.T he U V radiation char acter istics of ty pical tar get (missile plume)and backg ro und ar e intr oduced.T he cur rent sit uation and char acters o f the U V photo electric detectors ar e discussed.
Key words:so lar blinded;U V w arning;U V detecto r
1 引言
地球大气层中的臭氧对200~290nm 波段的紫外光几乎完全吸收,形成了所谓的 日盲区 ,此时,导弹羽烟的紫外辐射在微弱的紫外背景下就容易显现出
来。

紫外告警设备是战术飞机等作战平台用来对来袭导弹进行逼近告警的一种光电探测装备,即通过探测来袭导弹羽烟的紫外辐射,来判断威胁方向及程度,实时发出警报信息,提示驾驶员或者为自动选择合适时机提供依据,实施有效干扰,采取规避等措施,对抗敌方导弹的攻击。

2 目标和背景的紫外辐射特征
2.1 导弹羽烟的辐射机理
无论是使用固体还是液体燃料,导弹产生的羽烟中都含有近紫外和中紫外辐射,这就成为探测器捕捉目标的紫外辐射源。

产生紫外辐射的原因有:温度辐射、化学发光、探照辐射、粒子辐射、分子电辐射[1]
,对于导弹中应用最广的固体推进剂而言,其紫外辐射主
要来源于以下几个部分
[2]
:
(1)热辐射
一类为黑体辐射。

由于羽烟的温度高达1000~3300K,根据黑体辐射理论,当物体温度升高时,发出的辐射能量增加,峰值波长向短波方向移动。

高温的羽烟可产生一定量的紫外辐射。

另一类是热粒子辐射。

为了提高固体推进剂的燃烧效率,一般加入固体铝作为燃烧剂,在羽烟的二次燃烧中大量的Al 2O 3粒子起主要作用,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。

羽烟中小的、未燃尽的Al 粒子在很高的非平衡温度下也可以发出紫外辐射。

图1是美国AFGL 实验室测得的导弹羽烟光谱[3],在0.263 m 附近出现的吸收峰是由于AlCl 的X →A 吸收谱产生的。

AlCl 的含量很少,但在以高氯酸胺为氧化剂的推进剂尾气中均含有,可由Al 2O 3和HCl 形成。

图1 导弹羽烟辐射光谱
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航天电子对抗2006(6)
(2)化学荧光辐射
化学荧光是由化学动力学过程所导致的非平衡自由辐射,也就是自由光子作为一种化学反应的过程。

导弹的尾气流中包含了大量的未燃尽的燃料,它们生成了高浓度的碳、氮、氢,这些未燃尽物质产生的化学反应导致了紫外辐射。

在太阳盲区波段,化学荧光主要来源于CO+O的重组:
CO+O→CO2+光子(蓝焰)
由于导弹的固体燃料和氧化剂是铝粉和过氯酸氨(NH4ClO3),因此导弹紫外辐射的主要贡献来自粒子的热发射和CO+O的化学荧光,其中尾气流中的高温Al2O3粒子在紫外发射中起关键作用。

表1是低空(高度<5km)导弹羽烟的特征辐射[4]。

从表1和图1我们可以看出:任何羽烟中都含有近紫外(NUV)和中紫外(MU V),这就为紫外光电被动告警提供了可能和依据。

表1 低空(5km以下)导弹羽烟的紫外辐射特征
燃料类型发射机制 波长范围 备 注
液胺/氮的氧化物CO+O化学发光
OH化学发光
V,NU V,M U V
NU V
铝化混合固体燃料A l2O3微粒热致发光
A l2O3微粒散射
CO+O化学发光
OH化学发光
V,NU V,M U V
V,NU V
V,NU V,M U V
NU V
烃类/液氧微尘热致发光
OH化学发光
CO+O化学发光
CH、C2燃料碎片的化学发光
V,NU V,M U V
NU V
V,NU V,M U V
V,NU V
液氢/液氧生成H2O化学发光V,NU V,M U V
V/可见光NU V/近紫光M U V/中紫光
同红外辐射相比,导弹羽烟产生的紫外光子数较少,这要求信号检测手段必须非常灵敏。

不同导弹的固体推进剂变化很大,能量的幅值依赖于所要观察的波长和燃料组份。

2.2 背景的中紫外辐射
太阳辐射通过地球大气层到达地球表面时由于大气的衰减造成了辐射光谱的改变,其中,波长短于0.29 m的中紫外辐射由于同温层中臭氧的吸收,基本上到达不了地球近地表面,使得太阳光的中紫外辐射在近地表面形成盲区,紫外告警系统可以在比较干净的背景中探测导弹羽烟的中紫外辐射,降低了信号处理的难度,使虚警率大大降低。

另外在12km高度以下的大气中,太阳光的截止波长变化很小。

但高度超过12km后,随着高度的升高,截止波长将向短波方向移动,使紫外告警系统的背景噪声增大,因此紫外告警系统的使用高度应限制在12km以下的中低空[5]。

天空中大气辉光覆盖了从0.1~0.39 m整个紫外频谱,是中紫外设备的主要背景源,但其辐射级极低,通常每平方厘米只有几百个光子。

大气辉光主要是由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子并与分子发生低几率碰撞产生的。

大气辉光由钠原子、氧原子、氧分子、氢氧根离子以及其它连续发射谱组成。

图2为天空背景的紫外辐射谱[1]。

目标和背景的辐射特点要求紫外探测器件的响应波段必须小于0.29 m。

图2 天空背景的紫外辐射谱
3 紫外探测器件
紫外告警系统中依探测器的类型可分为真空探测器件和固体探测器件。

3.1 真空探测器件
目前,真空探测器件有如下几类:紫外真空二极管、紫外光电倍增管、成像型紫外变像管、紫外增强器
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2006(6)李炳军等:基于导弹羽烟紫外辐射的日盲型探测器
及紫外摄像管等。

真空探测器件的关键一是要研制合适的紫外光电阴极,二是光窗材料和滤光片的选择。

紫外滤光片是实现太阳光谱盲区光子图像接收检测的门户,需在最大抑制背景和最大透过信号间折衷考虑。

概率型单通道紫外探测器是第一代紫外告警设备,核心设备为紫外光电倍增管。

该设备具有很高的内增益,缺点是探测灵敏度和角分辨率低、虚警率较高。

其工作过程是:紫外探测头的光学系统把各自视场空间内特定的紫外辐射光子(包括目标与背景)收集起来,通过窄带滤波后到达光电倍增管阴极接收面,经光电转换处理后形成光电子脉冲,放大后由屏蔽电缆传输到信号处理系统。

该系统对信号进行预处理后送入计算机系统,中央处理器依据目标特征及预定算法对输入信号作出有无导弹威胁的统计判断。

探测器通常由4个传感器实现360 的方位覆盖,角分辨率为90 。

典型器件有美国Loral 公司的AAR 47,以色列Lafal 公司的吉它-300、吉它-320,南非的MAW 。

成像型紫外告警设备是第二代紫外告警设备,以像增强器为核心探测器,精确接收导弹羽烟紫外辐射,并对所观测的空域进行成像探测,识别分类威胁源。

具有识别能力强、探测灵敏度高的优点。

它不但可以引导红外弹投放器和定向红外干扰机,
而且具有很好的态势估计能力。

光学系统以大视场、大孔径对空间紫外信息进行接收;紫外探测头把各自视场内空间特定波长紫外辐射光子(包括目标、背景)图像经光电转换后形成光电图像,由同步接口传输到信息处理分机,经预处理后送入计算机;计算机依据目标特征及预定算法对输入信号做出有无导弹威胁的统计判决[6]。

图3是采用这种像管对紫外辐射源成像的原理示意图。

辐射源发出的光经物镜会聚在像管的光阴极上(光阴极前加紫外滤光片,滤掉工作波段以外的光),紫外线照射光阴极产生电子,电子的密度分布与图像的亮度成正比。

光电子进入有一定倾角的微通道板,通过微通道板放大后形成大量次级电子,轰击荧光粉发光,在荧光屏上形成二维图像,图像每点的亮度与光电
图3 采用普通CCD 对紫外源成像原理示意图
阴极上对应的光强度成正比。

图像经中继光学系统(透镜或光锥)耦合到普通CCD 光敏面上,最后经驱动电路输出视频信号。

属于这类告警装备有美国西屋公司的AN/AAR 54(V),AAR 57,美国和德国合作研制的A AR 60以及德国和法国合作研制的MILDS 2等,都是以4~6个紫外成像探测器为核心的紫外告警系统。

其基本性能可达到:目标到达角测量精度为1 ,告警时间为0.5~1s,探测距离约为5km 。

其中的AAR 60是目前世界上体积最小、性能最好的告警器之一,不仅能指示目标来袭方向,还能估算其距离[7]。

3.2 固体探测器件
固体紫外探测器是一种新研制的紫外探测器件,包括紫外增强型硅光电二极管,紫外雪崩二极管,GaAsP 和GaP 加膜紫外光电二极管,GaN 单晶紫外光电二极管,GaN 和GaAlN 探测器,紫外CCD 等。

在日盲区紫外探测范围,GaN 及其合金具有禁带宽度大、导热性能好、电子漂移饱和速度高以及化学稳定性高等优点,其中三元合金GaAlN 探测器随Al 组分的变化禁带宽度在3.4~ 6.2eV 之间连续变化,对应波长范围为200~365nm,是制作日盲区紫外探测器的理想材料[8],也是紫外探测技术研究的重点。

用这种新材料研制的检测器将直接响应紫外光子,大大简化光通道,取消了像增强器和CCD 器件,使成本大幅降低,并改善探测性能。

美国从20世纪90年代末开始,在3年多的时间内,投资了1400万美元研制Ⅲ族氮化物材料的紫外固态焦平面阵列,主要应用于导弹临近告警系统。

表2 采用不同探测器的典型紫外告警设备
探测器类型
特点核心设备 典型紫外告警设备 真空探测器
概率型
紫外光电倍增管紫外真空二极管A AR 47(美),M A WS(南非),吉它 300、吉它 320(以色列)成像型
像增强器、紫外变像管紫外摄像管
A N/A A R 54、A A R 57(美)A AR 60(美、德)M IL DS 2(法、德)固体探测器
成像型
GaN 和G aA lN 探测器紫外CCD
未见成熟产品
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航天电子对抗2006(6)
但是,现在GaAlN材料的研究还面临着很多困难,随着Al摩尔比率的增加,增加了与衬底之间的晶格及热失配,使器件性能变坏。

目前固体探测器并没有完全走向实用阶段,性能还有待于进一步提高。

目前我国能够生产少数几种真空型紫外探测器件,如南京电子器件研究所的GDB 601型日盲型MCP PM T,PM T采用近贴聚焦结构。

在成像型紫外探测器件方面与国外还有较大差距。

另外,由于国内的CCD器件研制水平较低,研制紫外固体成像器件还有很多工作去做。

4 结束语
紫外告警具有虚警率低、不需低温冷却、不扫描、告警器体积小、质量轻等优点,以其独特的优势得到迅猛发展。

紫外告警设备在近二十年的发展中成为装备量最大的导弹逼近告警系统之一。

目前绝大部分紫外探测器还是概略型和成像型的真空紫外探测器件,其中,高性能的凝视型紫外探测器代表了目前最成熟先进的技术,而固体探测器尤其是GaAlN合金探测器以其固有的许多优点,如体积小、耐劣环境、探测波长可调、工作电路简单等,正在逐步走向军事舞台。

但根据国内现有技术状况,研制真空成像型的紫外告警系统应该是重点发展方向。

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(上接第2页)离大功率干扰飞机干扰其卫星系统的下行链路,采用电子干扰诱饵/假目标欺骗星载探测信号。

(2)对SBIRS卫星干扰站。

采用地面高能激光器制盲低轨卫星,采用欺骗诱饵/假目标干扰高轨卫星。

(3)SAR干扰系统。

采用多平台超大功率雷达干扰系统干扰其探测预警和跟踪功能。

4.2 对信息传输链路的对抗系统[2]
(1)DSCS卫星干扰系统。

采用地面大功率干扰站干扰其卫星通信上行链路,采用远距离大功率干扰飞机和舰载/机载无人机干扰其卫星通信系统的下行链路。

(2)对GBS卫星干扰系统。

同4.1中(2)。

(3)对预警飞机干扰系统。

采用地面超大功率雷达干扰系统干扰其探测预警和空中指挥控制功能。

(4)CEC电子对抗系统。

采用多系统、多平台的综合对抗系统对CEC系统实施全面对抗。

(5)对BM/C3干扰系统。

采用机载、无人机或分布投放式干扰系统,压制、干扰BM/C3系统。

(6)对JT IDS数据链干扰。

采用机载、无人机或分布投放式干扰系统,压制、干扰JT IDS。

(7)对导弹遥控指令干扰。

采用机载大功率或无人机干扰系统干扰拦截导弹遥控指令系统。

5 结束语
对抗TM D/NM D系统可以采用实体攻击和摧毁的方法,将BMD导弹系统中的一个节点或几个节点彻底摧毁,如摧毁卫星、卫星地面站、 宙斯盾 导弹驱逐舰或 宙斯盾 作战系统、GBR、预警飞机等,但这种攻击不但要求应当装备有精确、高效的攻击武器,如动能杀伤拦截器一类的反卫星武器、高能武器、反辐射导弹等,而且还必须装备有能够支援遂行这些实体攻击和摧毁作战任务的综合情报侦测和监视信息系统,其功能要达到BM D的水平。

对抗TM D/NM D系统的另一个十分有效的方法是利用信息战和电子战手段,干扰T MD/NMD系统中的探测预警、跟踪引导、拦截交战和杀伤评估的指挥控制、信息传输和通信链路,使BMD系统得不到及时的早期预警、探测跟踪和指挥控制的态势信息、精确数据和作战命令,从而削弱、破坏或瘫痪整个BMD系统的反导能力。

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