紫外线技术在军事工程技术中的应用
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纵观文献, 紫外线的低层大气传播特性主要受四 个因素的影响[4, 12 ]:
(1) 氧分子的吸收。 虽然在较早的文献中并未考 虑氧分子的作用, 但是在以后的研究和模型中都考虑 到了它的影响。 氧分子是太阳紫外辐射在大气中人射 多深的主要因素, 并决定有多少游离的氧分子, 而这些 氧分子决定了大气中的臭氧含量。
早期的紫外线研究偏重于紫外线在大气中的传输特 性或理论性的分析研究。到了 20 世纪 50 年代中期, 初
性, 并在由紫外传输特性所奠定的理论基础上进行了 步测量了紫外视线型衰减[ l, 2]。由于臭氧浓度在海拔高
紫外线通讯 (传递信息) 的研究。在 20 世纪 60 年代, 美 国发展了导弹技术并成功的应用于军事领域内, 从而 引起了人们对导弹飞行监测技术的重视, 导弹尾焰中
比较, 并初步考虑了多次散射的影响。这个半经验模型
较好的解释了紫外传输特性。
目前可见光在大气中的传输模型和计算软件已经
存在了[4], 只不过是所计算的光谱宽度并没有扩展到
紫外而已。进入 20 世纪 80 年代以后, 随着对紫外线的
低层大气传播特性研究的深入, 针对紫外的计算模型
和计 算 软 件 相 继 出 现。 空 军 地 球 物 理 实 验 室 (A ir
大气进行了多次观测, 建立了一些实验并为此打下了
理论基础。
3 紫外通讯
紫外通讯系统的示意方框图如图 1 所示。
由于紫外线
在大气中的传输
存在严重的散射
和多路时间扩
散, 所 以 通 讯 系
统所传输的信号 的频率不可能太
图 1 紫外通讯方框图
高, 只适合于较低速率信号 (< 1M ) 的传输。 在早期的
309 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
308 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 4 期 张建勇, 等: 紫外线在军事工程技术中的应用
外线的其它研究中。 20 世纪 70 年代中后期, 在空军航天实验室 (A ir
射分子的范围。从仿真软件的应用和发展来看, 可以肯
定的是, 紫外线的大气传输特性的研究已经成熟, 其模
型和仿真软件已走向实用阶段。
212 从外层空间观测到的大气紫外特性
由于地球大气的紫外背景辐射和对太阳紫外线的
散射作用, 所以对在军事上的弹道导弹的预警和民用
的气象观测具有实际意义[45, 55 ]。美国在卫星轨道上对
Fo rce Geop hy sics L abo ra to ry) 相 继 编 写 了 L ow t ran
6、L ow t ran 7 等紫外仿真软件[14, 12, 16 ], 并研究了中紫
外 (200～ 300nm ) 从一个给定的高度到外层空间的传
播特性, 与L ow tran 6 的计算结果进行了比较。在空军
Abstract: U ltravio let go t fea tu res of h igh frequency, h igh sing le p ho ton energy and p a rticle cha racter. T hese fea2
tu res lim ited its app lica tion in m any field s. O n the o ther hand, it go t som e cha racters w h ich visib le ligh t and infra red do
(北京理工大学 光电工程系, 北京 100081) 摘要: 紫外线由于具有频率高、单位光子能量大和具有“粒子性”等特点, 所以一方面限制了它的应用, 另一方面使 它具有可见光和红外线所不具有的独特性。作为世界上第一大军事强国的美国, 对于紫外线在军事工程中的应用做了大 量的基础理论和技术研究工作, 并发表了大量的论文和报告。 本文对检索到的 100 多篇文献进行了综述, 对美国在紫外 技术方面的研究进行了总结。 关 键 词: 大气紫外特性; 紫外通讯; 紫外报警; 紫外探测 中图分类号: O 43412; TN 92911 文献标识码: A
Appl ica tion of ultrav iolet in m il itary eng ineer ing
ZHANG J ia n2yong , ZHONG S he ng 2dong
(D ep a rtm en t of O p tica l Eng ineering, B eijing In stitu te of T echno logy, B eijing 100081, Ch ina)
光 学 技 术 第26
200
卷第4 0年7
Leabharlann Baidu
期月 O
P
T
ICA
L
T ECHN IQU E VJoul.ly2 6 N2o0.040
文章编号: 100221582 (2000) 0420308205
紫外线技术在军事工程技术中的应用X
张建勇, 钟生东
光 学 技 术 第 26 卷
研究中[3, 4, 9, 10 ], 主要是针对语音信号的传输, 调制方式 多为脉冲频率调制; 而后来的研究主要是针对低速率 数字信号的传输[17～ 23 ]。
早 期 的 大 气 模 型 采 用 了 两 种 模 型[4]: 一 种 是
T exa s 的 辐 射 研 究 协 会 ( R ad ia t ion R esea rch
A ssocia te) 的M o llte Ca rlo 计算模型, 它能处理紫外传
播的任何复杂问题, 但是速度比较慢; 另一种是通过实
(2) 臭氧分子的吸收。 (3) 瑞利散射。 当粒子尺寸远小于人射光波长时 的散射被称为“瑞利散射”, 在大气中主要是大气分子 构成瑞利散射。 (4) 大气中悬浮粒子的吸收和散射。 当大气中的 悬浮粒子的几何尺寸比较大时, 这类粒子会在紫外光 场中形成不同类型的散射。因此可用M ie 散射理论来 描述。 悬浮粒子同时对紫外线还有吸收作用。 如果能 确切的测量出大气中散射粒子和分子的组成、几何尺 寸和密度分布, 利用以上两种理论就有可能计算出紫 外线在大气传播过程中由于散射引起的衰减情况。 在实验中大气参数测量分为两类[4]: 第一类是大 气传输与散射的测量, 既衰减系数与相函数的测量; 第 二类是大气基本参数的测量, 如大气压力、温度、湿度、 臭氧浓度、悬浮粒子的大小和分布、天气情况、能见度 等参数的测量。 把大气基本参数代入已知理论或计算 机程序, 算出的结果与第一种测量结果比较, 对理论进 行验证或提高。
测器和滤光片的性能以及其它的一些技术措施。 而到 研究可以分为两种类型。
了 20 世纪 80 年代末, 已开始有成型的装备使用在军 211 低层 (臭氧层以下) 大气紫外特性
事部门中。
从所检索到的文献来看, 在 20 世纪 50 年代以前,
纵观这 60 多年的文献, 大致可以看出如下规律: 对于紫外线的低层大气传播特性基本上没有什么实验
度约 25km 处达到最大, 因此在低层大气中, 太阳所发 出的日盲区 (2002300nm ) 紫外线几乎全部被吸收, 从 而为通讯和报警提供了良好的背景[3]。所以美国在 20
的紫外辐射和导弹飞行中产生的激波辐射成为观测对 世纪 70 年代提出了紫外秘密通讯, 并在同一世纪的
象; 美国里根总统的“星球大战计划”更进一步激发了 70 年代中后期开始研究紫外线的低层大气传播特性,
no t have. A s the g rea test m ilita ry pow er of the w o rld, U n ited Sta tes have p u t m uch effo rt in the resea rch of app lica tion
of u ltravio let in m ilita ry eng ineering. T h is p ap er gave a summ a ry of som e 100 p ap ers p ub lished in U S and in troduced the
resea rch m ade by U S in the field of u ltravio let techno logy.
Key words: a tm o sp here u ltravio let cha racter; u ltravio let comm un ica tion; u ltravio let a la rm ; u ltravio let detection
验建立的半经验模型[3, 5, 13 ]:
PC (‹ )
m =
RSCA TT P (B, A) I 0A D FV F (H) e- ) (R + r) (RABS+ GRSCA TT 16P2R 2 r2
式中, P (B, A) 为相函数, 采用了两种形式, 即 H enyey2
G reen stein 和 D eirm end jian, 对这两种的结果进行了
研究紫外的兴趣, 首先发明的是预防导弹来袭的紫外 探讨紫外通讯的可能性。通过若干年的研究后, 奠定了
报警器, 它极大的扩宽了紫外线在军事工程中的应用 紫外线的大气传输理论基础, 建立了与实际较为符合
范围, 从而带动了紫外成像侦察技术、干扰及反干扰技 的计算模型和计算软件, 并以此模型为基础应用于紫
X 收稿日期: 2000201221 作者简介: 张建勇 (19772) , 男, 河南省商丘人, 北京理工大学光电工程系博士研究生, 主要从事紫外线应用的研究。
Fo rce A vion ics)、海军电子系统司令部 (N ava l E lec2 t ron ic Sy stem s Comm and) 和海军研究办公室 (O ffice of N ava l R esea rch) 的发起下, 普林斯顿宇航研究协会 A eronau t ica l R esea rch A ssocia tes of P rinceton ) 对于 紫外线的低层大气传播特性进行了详细的研究[3～ 6], 描述了从 1978 年夏到 1979 年的紫外通讯实验测量情 况[4], 详细的给出了实验结果[5]和实验中对相函数的 观测[6]。 通过与 20 世纪 80 年代的文献相比较可以发 现, 普林斯顿宇航研究协会所作的实验和实验结果为 以后的研究工作打下了基础。 海军海洋研究实验室 (N ava l R esea rch L abo ra to ry) 的 J A Cu rcio 和 G L Knestrick 分别研究了低层大气的紫外背景辐射和紫 外衰减特性[7, 8]。与普林斯顿宇航研究协会的实验同时 间的M IT 的W a rren S Ro ss 对紫外线的低层大气传 播特性作了研究[9～ 11], 他从光学传输理论的角度对大 气紫外传输特性进行了分析, 分别研究了单次散射理 论、漫射理论和多次前向散射理论在紫外传输上的应 用, 并在实验的基础上试图对传输方程进行简化。
1 引 言
术, 并促进了紫外探测器、紫外成像器件、紫外材料和 相关技术的发展。
美国对紫外线在军事领域中的应用研究已经有 60 多年的历史了。我们所见到的最早的一篇有关文献
2 大气紫外特性
是发表在 20 世纪 30 年代, 即紫外和远红外敏感探测
大气紫外特性是紫外通讯及紫外线在其它方面应
器的实验, 它探讨了在海军通讯中使用的紫外光源、探 用的基础。根据应用范围的不同, 对于大气紫外特性的
地 球物理实验室 (A ir Fo rce Geop hy sics L abo ra to ry)
的监督下, 光谱科学公司 (Sp ectra l sciences, Inc. ) 编写
了 M od t ran 紫 外 仿 真 软 件[15]。M od t ran 软 件 ”比
L ow tran 系列软件提高了光谱分辨率, 扩大了大气散
(1) 氧分子的吸收。 虽然在较早的文献中并未考 虑氧分子的作用, 但是在以后的研究和模型中都考虑 到了它的影响。 氧分子是太阳紫外辐射在大气中人射 多深的主要因素, 并决定有多少游离的氧分子, 而这些 氧分子决定了大气中的臭氧含量。
早期的紫外线研究偏重于紫外线在大气中的传输特 性或理论性的分析研究。到了 20 世纪 50 年代中期, 初
性, 并在由紫外传输特性所奠定的理论基础上进行了 步测量了紫外视线型衰减[ l, 2]。由于臭氧浓度在海拔高
紫外线通讯 (传递信息) 的研究。在 20 世纪 60 年代, 美 国发展了导弹技术并成功的应用于军事领域内, 从而 引起了人们对导弹飞行监测技术的重视, 导弹尾焰中
比较, 并初步考虑了多次散射的影响。这个半经验模型
较好的解释了紫外传输特性。
目前可见光在大气中的传输模型和计算软件已经
存在了[4], 只不过是所计算的光谱宽度并没有扩展到
紫外而已。进入 20 世纪 80 年代以后, 随着对紫外线的
低层大气传播特性研究的深入, 针对紫外的计算模型
和计 算 软 件 相 继 出 现。 空 军 地 球 物 理 实 验 室 (A ir
大气进行了多次观测, 建立了一些实验并为此打下了
理论基础。
3 紫外通讯
紫外通讯系统的示意方框图如图 1 所示。
由于紫外线
在大气中的传输
存在严重的散射
和多路时间扩
散, 所 以 通 讯 系
统所传输的信号 的频率不可能太
图 1 紫外通讯方框图
高, 只适合于较低速率信号 (< 1M ) 的传输。 在早期的
309 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
308 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第 4 期 张建勇, 等: 紫外线在军事工程技术中的应用
外线的其它研究中。 20 世纪 70 年代中后期, 在空军航天实验室 (A ir
射分子的范围。从仿真软件的应用和发展来看, 可以肯
定的是, 紫外线的大气传输特性的研究已经成熟, 其模
型和仿真软件已走向实用阶段。
212 从外层空间观测到的大气紫外特性
由于地球大气的紫外背景辐射和对太阳紫外线的
散射作用, 所以对在军事上的弹道导弹的预警和民用
的气象观测具有实际意义[45, 55 ]。美国在卫星轨道上对
Fo rce Geop hy sics L abo ra to ry) 相 继 编 写 了 L ow t ran
6、L ow t ran 7 等紫外仿真软件[14, 12, 16 ], 并研究了中紫
外 (200～ 300nm ) 从一个给定的高度到外层空间的传
播特性, 与L ow tran 6 的计算结果进行了比较。在空军
Abstract: U ltravio let go t fea tu res of h igh frequency, h igh sing le p ho ton energy and p a rticle cha racter. T hese fea2
tu res lim ited its app lica tion in m any field s. O n the o ther hand, it go t som e cha racters w h ich visib le ligh t and infra red do
(北京理工大学 光电工程系, 北京 100081) 摘要: 紫外线由于具有频率高、单位光子能量大和具有“粒子性”等特点, 所以一方面限制了它的应用, 另一方面使 它具有可见光和红外线所不具有的独特性。作为世界上第一大军事强国的美国, 对于紫外线在军事工程中的应用做了大 量的基础理论和技术研究工作, 并发表了大量的论文和报告。 本文对检索到的 100 多篇文献进行了综述, 对美国在紫外 技术方面的研究进行了总结。 关 键 词: 大气紫外特性; 紫外通讯; 紫外报警; 紫外探测 中图分类号: O 43412; TN 92911 文献标识码: A
Appl ica tion of ultrav iolet in m il itary eng ineer ing
ZHANG J ia n2yong , ZHONG S he ng 2dong
(D ep a rtm en t of O p tica l Eng ineering, B eijing In stitu te of T echno logy, B eijing 100081, Ch ina)
光 学 技 术 第26
200
卷第4 0年7
Leabharlann Baidu
期月 O
P
T
ICA
L
T ECHN IQU E VJoul.ly2 6 N2o0.040
文章编号: 100221582 (2000) 0420308205
紫外线技术在军事工程技术中的应用X
张建勇, 钟生东
光 学 技 术 第 26 卷
研究中[3, 4, 9, 10 ], 主要是针对语音信号的传输, 调制方式 多为脉冲频率调制; 而后来的研究主要是针对低速率 数字信号的传输[17～ 23 ]。
早 期 的 大 气 模 型 采 用 了 两 种 模 型[4]: 一 种 是
T exa s 的 辐 射 研 究 协 会 ( R ad ia t ion R esea rch
A ssocia te) 的M o llte Ca rlo 计算模型, 它能处理紫外传
播的任何复杂问题, 但是速度比较慢; 另一种是通过实
(2) 臭氧分子的吸收。 (3) 瑞利散射。 当粒子尺寸远小于人射光波长时 的散射被称为“瑞利散射”, 在大气中主要是大气分子 构成瑞利散射。 (4) 大气中悬浮粒子的吸收和散射。 当大气中的 悬浮粒子的几何尺寸比较大时, 这类粒子会在紫外光 场中形成不同类型的散射。因此可用M ie 散射理论来 描述。 悬浮粒子同时对紫外线还有吸收作用。 如果能 确切的测量出大气中散射粒子和分子的组成、几何尺 寸和密度分布, 利用以上两种理论就有可能计算出紫 外线在大气传播过程中由于散射引起的衰减情况。 在实验中大气参数测量分为两类[4]: 第一类是大 气传输与散射的测量, 既衰减系数与相函数的测量; 第 二类是大气基本参数的测量, 如大气压力、温度、湿度、 臭氧浓度、悬浮粒子的大小和分布、天气情况、能见度 等参数的测量。 把大气基本参数代入已知理论或计算 机程序, 算出的结果与第一种测量结果比较, 对理论进 行验证或提高。
测器和滤光片的性能以及其它的一些技术措施。 而到 研究可以分为两种类型。
了 20 世纪 80 年代末, 已开始有成型的装备使用在军 211 低层 (臭氧层以下) 大气紫外特性
事部门中。
从所检索到的文献来看, 在 20 世纪 50 年代以前,
纵观这 60 多年的文献, 大致可以看出如下规律: 对于紫外线的低层大气传播特性基本上没有什么实验
度约 25km 处达到最大, 因此在低层大气中, 太阳所发 出的日盲区 (2002300nm ) 紫外线几乎全部被吸收, 从 而为通讯和报警提供了良好的背景[3]。所以美国在 20
的紫外辐射和导弹飞行中产生的激波辐射成为观测对 世纪 70 年代提出了紫外秘密通讯, 并在同一世纪的
象; 美国里根总统的“星球大战计划”更进一步激发了 70 年代中后期开始研究紫外线的低层大气传播特性,
no t have. A s the g rea test m ilita ry pow er of the w o rld, U n ited Sta tes have p u t m uch effo rt in the resea rch of app lica tion
of u ltravio let in m ilita ry eng ineering. T h is p ap er gave a summ a ry of som e 100 p ap ers p ub lished in U S and in troduced the
resea rch m ade by U S in the field of u ltravio let techno logy.
Key words: a tm o sp here u ltravio let cha racter; u ltravio let comm un ica tion; u ltravio let a la rm ; u ltravio let detection
验建立的半经验模型[3, 5, 13 ]:
PC (‹ )
m =
RSCA TT P (B, A) I 0A D FV F (H) e- ) (R + r) (RABS+ GRSCA TT 16P2R 2 r2
式中, P (B, A) 为相函数, 采用了两种形式, 即 H enyey2
G reen stein 和 D eirm end jian, 对这两种的结果进行了
研究紫外的兴趣, 首先发明的是预防导弹来袭的紫外 探讨紫外通讯的可能性。通过若干年的研究后, 奠定了
报警器, 它极大的扩宽了紫外线在军事工程中的应用 紫外线的大气传输理论基础, 建立了与实际较为符合
范围, 从而带动了紫外成像侦察技术、干扰及反干扰技 的计算模型和计算软件, 并以此模型为基础应用于紫
X 收稿日期: 2000201221 作者简介: 张建勇 (19772) , 男, 河南省商丘人, 北京理工大学光电工程系博士研究生, 主要从事紫外线应用的研究。
Fo rce A vion ics)、海军电子系统司令部 (N ava l E lec2 t ron ic Sy stem s Comm and) 和海军研究办公室 (O ffice of N ava l R esea rch) 的发起下, 普林斯顿宇航研究协会 A eronau t ica l R esea rch A ssocia tes of P rinceton ) 对于 紫外线的低层大气传播特性进行了详细的研究[3～ 6], 描述了从 1978 年夏到 1979 年的紫外通讯实验测量情 况[4], 详细的给出了实验结果[5]和实验中对相函数的 观测[6]。 通过与 20 世纪 80 年代的文献相比较可以发 现, 普林斯顿宇航研究协会所作的实验和实验结果为 以后的研究工作打下了基础。 海军海洋研究实验室 (N ava l R esea rch L abo ra to ry) 的 J A Cu rcio 和 G L Knestrick 分别研究了低层大气的紫外背景辐射和紫 外衰减特性[7, 8]。与普林斯顿宇航研究协会的实验同时 间的M IT 的W a rren S Ro ss 对紫外线的低层大气传 播特性作了研究[9～ 11], 他从光学传输理论的角度对大 气紫外传输特性进行了分析, 分别研究了单次散射理 论、漫射理论和多次前向散射理论在紫外传输上的应 用, 并在实验的基础上试图对传输方程进行简化。
1 引 言
术, 并促进了紫外探测器、紫外成像器件、紫外材料和 相关技术的发展。
美国对紫外线在军事领域中的应用研究已经有 60 多年的历史了。我们所见到的最早的一篇有关文献
2 大气紫外特性
是发表在 20 世纪 30 年代, 即紫外和远红外敏感探测
大气紫外特性是紫外通讯及紫外线在其它方面应
器的实验, 它探讨了在海军通讯中使用的紫外光源、探 用的基础。根据应用范围的不同, 对于大气紫外特性的
地 球物理实验室 (A ir Fo rce Geop hy sics L abo ra to ry)
的监督下, 光谱科学公司 (Sp ectra l sciences, Inc. ) 编写
了 M od t ran 紫 外 仿 真 软 件[15]。M od t ran 软 件 ”比
L ow tran 系列软件提高了光谱分辨率, 扩大了大气散