周冰潔, 王永志, 張大慶, 馬 含, 高 潔

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

為了在太空資源爭奪戰(zhàn)中占據(jù)優(yōu)勢,世界各強(qiáng)國都在大力發(fā)展激光武器、激光導(dǎo)引頭、激光雷達(dá)等光電裝備,以對(duì)敵方偵察、測量類在軌衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、監(jiān)視與攻擊。這類衛(wèi)星通常搭載有大口徑敏感光學(xué)載荷,損傷閾值低,極易受到各類激光威脅的攻擊,造成損傷甚至功能失常。為此,衛(wèi)星需要配備能對(duì)激光威脅源進(jìn)行探測感知的激光告警載荷,為平臺(tái)提供威脅告警信息使其及時(shí)規(guī)避、防御,承擔(dān)“哨兵”義務(wù)。

隨著激光武器及激光跟瞄雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,激光威脅源的類型不斷拓展,且威脅形式日漸豐富。從威脅源的工作波長看,涵蓋了從可見光到中長波紅外激光;從威脅源的工作模式看,有連續(xù)激光和脈沖激光;從威脅源的威脅形式看,有燒蝕毀傷衛(wèi)星平臺(tái)、干擾致盲光電傳感器及對(duì)平臺(tái)進(jìn)行跟蹤探測等。這些激光威脅源都是激光告警載荷需要探測感知的對(duì)象,對(duì)激光告警載荷的研制提出了挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星資源有限的情況下,如何以最小的代價(jià)對(duì)所有可能的激光威脅源進(jìn)行探測感知是目前亟需解決的重要問題。

本文圍繞不同衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)激光告警載荷的需求展開分析。從燒蝕毀傷、干擾致盲和跟蹤測量三方面對(duì)激光威脅的損傷機(jī)理和來源進(jìn)行分析;對(duì)高低軌有無敏感光學(xué)載荷衛(wèi)星的受威脅特點(diǎn)及所需的激光告警載荷類型進(jìn)行分析;從探測波長、探測類型、探測體制、告警視場、角度分辨率、探測靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行指標(biāo)需求分析,為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)激光告警載荷最優(yōu)化選配提供指導(dǎo)。

1 激光威脅分析

1.1 燒蝕毀傷

燒蝕毀傷是激光武器對(duì)在軌衛(wèi)星最具破壞力的威脅類型,將造成被攻擊衛(wèi)星的永久性毀傷。通過利用高功率激光武器對(duì)衛(wèi)星關(guān)鍵部位,如太陽能帆板、熱控系統(tǒng)等進(jìn)行長時(shí)間跟蹤照射,累積熱量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)毀傷。目標(biāo)燒蝕毀傷通常包括熱融化、龜裂、斷裂、擊穿等,屬于不可逆轉(zhuǎn)的硬毀傷[1]。

這類毀傷通常要求到達(dá)衛(wèi)星表面的激光功率密度達(dá)到100 W/cm2以上。目前能實(shí)現(xiàn)此類威脅的地基激光武器主要有美國的氟化氘(DF)和氧碘(COIL)化學(xué)激光武器,兩者均能達(dá)到兆瓦級(jí)以上的連續(xù)發(fā)光功率,工作波長分別為中紅外3.800μm和近紅外1.315μm[2]。理論計(jì)算表明,3 MW級(jí)的地基激光武器,在不考慮大氣影響的情況下,到達(dá)300 km軌道高度衛(wèi)星表面的功率密度可達(dá)200 W/cm2以上,可實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌衛(wèi)星燒蝕毀傷性攻擊。而對(duì)于1 000 km軌道高度的衛(wèi)星,到達(dá)其表面的功率密度則不足50 W/cm2[3]。

除了地基高能激光武器,天基激光武器也能對(duì)在軌衛(wèi)星造成燒蝕毀傷[4]。天基激光武器由于可抵近目標(biāo)進(jìn)行攻擊,因此所需激光能量較低,且不受平臺(tái)軌道限制,可從任意方向?qū)θ我廛壍佬l(wèi)星造成威脅。目前能夠應(yīng)用于天基激光武器的高功率激光源主要有固體激光器和光纖激光器,工作波長主要集中在(1.0～1.1)μm波段,功率達(dá)數(shù)百千瓦級(jí)[5],可對(duì)數(shù)十公里處的目標(biāo)衛(wèi)星造成毀傷性攻擊。

1.2 干擾致盲

激光武器干擾致盲光電探測器最常見的表現(xiàn)形式包括兩種:一是通過激光照射使光電探測器飽和,暫時(shí)失去工作能力;二是通過激光照射使光電探測器永久性損傷,喪失部分甚至全部工作能力[1]。目前,衛(wèi)星光電載荷常用探測器包括可見光CCD相機(jī)、近波紅外相機(jī)、中波紅外相機(jī)和遠(yuǎn)波紅外相機(jī),探測波段覆蓋(0.4～14.0)μm超寬光譜范圍,極易受激光武器的干擾。對(duì)探測器進(jìn)行干擾所需的功率密度較低,一般為(10-2～1)W/cm2,遠(yuǎn)低于毀傷平臺(tái)所需的功率密度水平[6]。因此,能對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)造成燒蝕毀傷的激光武器,通過增減模塊、調(diào)整激光功率,均可對(duì)在軌衛(wèi)星干擾致盲。

1.3 跟蹤測量

跟蹤測量類激光威脅主要是指激光跟瞄雷達(dá)、激光成像雷達(dá)等對(duì)在軌衛(wèi)星的探測監(jiān)視類威脅。該類威脅主要以獲取目標(biāo)特征或?yàn)槲锢砉籼峁┲赶蛐畔槟康?。目前激光跟蹤測量類威脅以可見光-近紅外波段(0.4～1.1)μm的窄脈沖激光為主,激光器類型包括半導(dǎo)體激光器、固體激光器以及光纖激光器等,激光可能的來襲方向是全方位的。

綜上,激光威脅的波長跨度很大,且功率水平、裝載平臺(tái)、工作模式各不相同,常見激光威脅的特點(diǎn)如表1所示。

表1 激光威脅的特點(diǎn)

2 衛(wèi)星平臺(tái)的激光告警需求

2.1 不同軌道衛(wèi)星的威脅分析

在軌衛(wèi)星由于所處軌道高度和攜帶敏感光學(xué)載荷不同,其所受激光威脅將有較大差別。

低軌衛(wèi)星軌道高度低,較易受到來自地基高功率激光武器的毀傷性攻擊。天基激光武器由于可任意抵近衛(wèi)星,故也可對(duì)低軌衛(wèi)星進(jìn)行毀傷性攻擊。若該低軌衛(wèi)星上搭載有大口徑敏感光學(xué)載荷,則還可能遭受來自地基或天基低功率激光武器致盲性干擾的攻擊。同時(shí),各類低軌衛(wèi)星均可能受到來自激光跟瞄雷達(dá)的跟蹤測量類威脅。

中高軌衛(wèi)星軌道高度高,來自地基高功率激光武器的威脅難以對(duì)其造成嚴(yán)重影響。地基激光武器對(duì)中高軌衛(wèi)星唯一可能的威脅方式是對(duì)其搭載的敏感光學(xué)載荷進(jìn)行干擾致盲。中高軌衛(wèi)星主要的激光威脅來自于天基激光武器和激光雷達(dá),將分別遭受毀傷、干擾致盲和跟蹤測量等威脅。

為便于描述,將目前需要重點(diǎn)防護(hù)的衛(wèi)星平臺(tái)分為四類:I類為低軌有光學(xué)載荷的衛(wèi)星平臺(tái);II類為低軌無光學(xué)載荷的衛(wèi)星平臺(tái);III類為中高軌有光學(xué)載荷的衛(wèi)星平臺(tái);IV類為中高軌無光學(xué)載荷的衛(wèi)星平臺(tái)。四類衛(wèi)星平臺(tái)易受到的激光威脅類型如表2所示。

表2 四類衛(wèi)星平臺(tái)易受到的激光威脅類型

2.2 告警載荷的分類

針對(duì)各衛(wèi)星平臺(tái)易受到的激光威脅類型,將星載激光告警載荷分為毀傷類激光告警載荷、致盲類激光告警載荷和測量類激光告警載荷三大類。

毀傷類激光告警載荷應(yīng)至少包含近紅外(0.9～1.7)μm和中紅外(3.6～4.2)μm兩種連續(xù)激光告警探頭,分別用于對(duì)應(yīng)波段的高功率威脅激光告警探測。

致盲類激光告警載荷則應(yīng)至少包含可見光-近紅外(0.4～1.1)μm、中紅外(2.5～4.6)μm 和長波中紅外(8.0～10.6)μm三種連續(xù)激光告警探頭,分別用于對(duì)應(yīng)波段的低功率威脅激光告警探測。

測量類激光告警載荷應(yīng)包含可見光-近紅外波段窄脈沖激光告警探頭,用于對(duì)(0.4～1.1)μm波段的窄脈沖威脅激光告警探測。

2.3 告警體制的選擇

目前,各國已研制的激光告警載荷種類繁多,從探測體制看,主要分為五種:光譜識(shí)別型[7]、成像型[8]、相干識(shí)別型[9]、光柵衍射型[10]以及編碼探測型[11]。對(duì)以上不同探測體制的激光告警載荷的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)成像型激光告警載荷在技術(shù)成熟度、大視場、高角度分辨率等方面具有明顯優(yōu)勢,是目前選用較多的告警探測體制。

成像型激光告警載荷一般是利用成像光學(xué)鏡頭,并結(jié)合面陣類或其他具有光斑質(zhì)心分辨能力的光電探測器,以實(shí)現(xiàn)激光探測和角度分辨,其工作原理如圖1所示。圖中,廣角鏡頭的視場需覆蓋激光威脅全部可能的來襲方向。對(duì)于需要針對(duì)全空域范圍進(jìn)行告警的應(yīng)用場合,通過兩組半球空域的超大視場的激光告警載荷,可探測來自任意方向的威脅激光信號(hào)。面陣探測器具有高響應(yīng)靈敏度,且像元密度大,單像元尺寸小,可實(shí)現(xiàn)對(duì)威脅激光信號(hào)方位的高角度分辨。廣角鏡頭后往往還需要配備一定數(shù)量的窄帶濾光片和衰減片,即濾波衰減組合。窄帶濾光片主要用于濾除通帶外的雜散光,降低虛警概率,并實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長的告警;衰減片則用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍,以適應(yīng)毀傷、致盲、測量等不同威脅類型激光信號(hào)的告警。

圖1 連續(xù)激光告警載荷工作原理

對(duì)于窄脈沖激光的探測,可采用四象限雪崩光電二極管(QAPD)作為光電探測器進(jìn)行角度測量。根據(jù)成像光斑在探測器各象限的分布,可解算出不同來襲激光的入射角度和強(qiáng)度。該類脈沖激光告警載荷工作原理如圖2所示。

圖2 基于QAPD的脈沖激光告警載荷工作原理

2.4 主要指標(biāo)需求分析

在對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)所需激光告警載荷的探測波長、工作模式及探測體制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對(duì)其探測視場、角度分辨率、探測靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)進(jìn)行分析,保證激光告警載荷可為衛(wèi)星平臺(tái)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的威脅激光方位和強(qiáng)度等級(jí)等信息。

(1)探測視場需求

探測視場的大小通過威脅激光的來襲方向確定。目前地、海、空基激光武器的攻擊范圍相對(duì)確定,探測此類威脅的告警載荷一般只需覆蓋地球所在空域即可。具體而言,根據(jù)衛(wèi)星軌道高度和激光武器的攻擊角度,激光告警載荷的探測視場應(yīng)不小于90°。若考慮衛(wèi)星遭受激光武器威脅時(shí)的機(jī)動(dòng)以及衛(wèi)星的調(diào)姿需求,探測視場應(yīng)更大,一般可設(shè)計(jì)為180°。

而天基激光武器通常采用抵近式攻擊方式,其攻擊方向可能是全方位的,故一般要求對(duì)應(yīng)的激光告警載荷具備全空域視場探測能力。需要通過采用兩個(gè)具有半球視場的激光告警探頭背向安裝實(shí)現(xiàn)。

(2)角度分辨率需求

激光告警載荷的角度分辨能力是衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光威脅溯源、規(guī)避、甚至反擊的前提條件。對(duì)角度分辨率的需求根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度、任務(wù)特點(diǎn)不同而有所區(qū)別。一般對(duì)天基激光的告警以及低軌衛(wèi)星對(duì)地基激光的告警,角度分辨率達(dá)到1°以內(nèi)即可滿足溯源需求,而中高軌衛(wèi)星對(duì)地基激光的告警則需要更高的角度分辨率,一般要求小于0.1°。

(3)探測靈敏度需求

干擾致盲類激光和燒蝕毀傷類激光的到靶功率密度通常相差幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此告警載荷的探測靈敏度需求是不同的。特別是對(duì)于干擾致盲類的威脅,到靶光功率密度與告警載荷的探測器類型以及光學(xué)收發(fā)口徑有較大關(guān)系,為確保有效防護(hù),要求探測靈敏度較高。對(duì)于燒蝕毀傷類的激光威脅,到靶光功率密度一般要達(dá)到10 W/cm2以上,因此需要激光告警裝備的靈敏度不能過高,以確保激光告警載荷的探測器在高功率激光照射下也可以正常工作。

(4)動(dòng)態(tài)范圍需求

受威脅形式、激光輸出功率以及傳輸路徑等因素影響,到達(dá)衛(wèi)星平臺(tái)的激光功率密度水平存在較大差異。為了適應(yīng)各類激光威脅工況下的功率密度,激光告警載荷需要具備足夠高的動(dòng)態(tài)范圍。考慮衛(wèi)星平臺(tái)的安全功率密度范圍,結(jié)合目前高功率激光技術(shù)的發(fā)展水平,激光告警載荷的動(dòng)態(tài)范圍需達(dá)到40 dB以上。

(5)響應(yīng)時(shí)間需求

激光告警載荷的響應(yīng)時(shí)間,即從接收到威脅信號(hào)到發(fā)出告警信號(hào)所需的時(shí)間。通常衛(wèi)星平臺(tái)會(huì)要求該時(shí)間越短越好,但受告警載荷自身的設(shè)計(jì)及平臺(tái)通信資源的限制,該響應(yīng)時(shí)間不可能無限縮短。從應(yīng)用角度看,激光武器的照射時(shí)間一般為(1～100)s,光電傳感器致盲的照射時(shí)間為(1～10)s,太陽能電池帆板等造成永久性損傷的照射時(shí)間為幾百秒,平臺(tái)的規(guī)避防御操作時(shí)間通常也在秒級(jí)以上。故激光告警載荷的響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)為100 ms以內(nèi)即可滿足使用要求,不會(huì)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的規(guī)避操作造成延誤影響。

毀傷類、致盲類、測量類激光告警載荷的主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)如圖3所示。

圖3 激光告警載荷的主要技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

3 發(fā)展趨勢

目前對(duì)星載激光告警載荷的應(yīng)用需求十分迫切,其技術(shù)研究正處于從工程研制到裝備應(yīng)用的過渡階段。國內(nèi)已有部分激光告警載荷開展或即將開展在軌應(yīng)用,未來激光告警載荷將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

(1)向多波長探測發(fā)展

激光威脅源波長覆蓋范圍廣已是不爭的事實(shí)?，F(xiàn)代防御需求中,僅能探測單一波長的激光告警載荷已不能滿足應(yīng)用需求,故必須發(fā)展多波長探測的告警載荷。

(2)告警性能持續(xù)提升

未來,激光告警載荷在角度分辨率、虛警概率、探測概率、視場、響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)范圍等方面的性能需持續(xù)提升。高精度的角度分辨率是實(shí)現(xiàn)地基激光威脅源定位和與定向能干擾/壓制式激光武器配套使用的前提;低虛警概率、高探測概率是激光告警載荷研制的永恒主題;更大的告警視場(如4π空域)、更快的響應(yīng)時(shí)間(如毫秒級(jí))、更寬的動(dòng)態(tài)范圍(如40 dB)等是快速準(zhǔn)確獲得威脅告警信息的保障。

(3)向通用化及裝備化發(fā)展

面對(duì)日趨復(fù)雜的光電威脅環(huán)境,未來激光告警載荷將朝著更加小型化、模塊化和具有通用功能的綜合設(shè)備方向發(fā)展,同時(shí)應(yīng)具備更長、更穩(wěn)定的在軌工作壽命(8年～15年)和更低的功率消耗。

(4)與多種對(duì)抗系統(tǒng)交聯(lián)集成

為進(jìn)一步擴(kuò)展激光告警載荷在空間攻防中的作用,可將其與有源或無源干擾系統(tǒng)結(jié)合,組成偵察告警/干擾系統(tǒng);與雷達(dá)警戒接收機(jī)、紅外目標(biāo)監(jiān)視交聯(lián),組成多功能告警系統(tǒng);與強(qiáng)激光武器結(jié)合,組成偵察/反輻射武器系統(tǒng)等,以大幅提高我衛(wèi)星在太空的生存能力。

4 總結(jié)

分析了燒蝕毀傷、干擾致盲、跟蹤測量三類激光威脅的損傷機(jī)理、波長覆蓋范圍、功率大小、工作模式等內(nèi)容;歸納總結(jié)了不同軌道、有無敏感光學(xué)載荷衛(wèi)星平臺(tái)的受攻擊特點(diǎn);并以此為基準(zhǔn),分析了對(duì)應(yīng)激光告警載荷對(duì)工作波長、工作模式、探測體制、探測視場、角度分辨率、探測靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間等的需求。通過分析總結(jié),明確了不同衛(wèi)星平臺(tái)需要配置的激光告警載荷類型,對(duì)于兼顧激光告警功能完備性和資源占用率,提高衛(wèi)星平臺(tái)激光告警載荷配置的合理性,具有一定指導(dǎo)意義。同時(shí),結(jié)合激光武器等裝備的發(fā)展趨勢,對(duì)星載激光告警載荷的未來發(fā)展進(jìn)行了展望,為今后此類載荷的研制提供參考。