臨近空間高超聲速目標天基紅外探測技術研究*

敬韓博，王英瑞

(1.中國航天科工集團第二研究院，北京 100854； 2. 北京遙感設備研究所，北京 100854)

探測跟蹤技術

臨近空間高超聲速目標天基紅外探測技術研究*

敬韓博1，王英瑞2

(1.中國航天科工集團第二研究院，北京 100854； 2. 北京遙感設備研究所，北京 100854)

目前試飛成功的臨近空間高超聲速飛行器已經成為潛在威脅，對臨近空間高超聲速目標的預警探測成為了新的研究方向。分析了臨近空間高超聲速飛行器的目標特性，以美國天基紅外系統為參考對象，利用STK(satellite tool kit)軟件和靈敏度估算，分析了天基紅外系統對臨近空間目標探測的適用性，提出了天基紅外系統對臨近空間高超聲速飛行器預警探測需要關注和解決的問題。

臨近空間高超聲速目標;目標特性;天基紅外系統;預警;探測能力分析;覆蓋性能

0 引言

臨近空間高超聲速飛行器的試飛成功給防空反導系統帶來了嚴峻的挑戰，為了實現對臨近空間高超聲速目標的遠距離攔截，對其預警探測尤為重要。一方面，臨近空間高超聲速目標飛行速度極快(Ma數5～20)，表面溫度高，紅外輻射特征非常明顯，適于紅外探測系統實現遠距離探測；另一方面，相對于彈道導彈，臨近空間高超聲速目標飛行高度低(20～100 km)，地基和空基探測系統，因視距距離受地球曲率的約束，無法實現對其遠距離探測。因此，天基紅外預警探測系統將是實現對其探測的有效手段。

美國的紅外預警探測系統起步較早，其新一代用于彈道導彈預警探測的天基紅外系統處于世界領先水平。本文將以美國天基紅外系統為參考，分析天基紅外系統對臨近空間高超聲速目標預警探測和跟蹤的適應性,以及面臨的問題。

1 臨近空間高超聲速目標特性

目前，臨近空間高超聲速飛行器主要包括高超聲速助推-滑翔飛行器(hypersonic boost-glide vehicle，HBGV)和高超聲速助推-巡航飛行器(hypersonic boost-cruise vehicle，HBCV)，如美國開展演示驗證項目HTV-2，AHW高超聲速助推-滑翔飛行器和X-51A高超聲速助推-巡航飛行器[1]。

1.1 彈道特性

1.1.1 HBGV

HBGV的彈道主要包括：助推段、慣性段、再入拉起段、滑翔機動段和下壓段，如圖1所示。

助推段：HBGV采用的是火箭助推的方式，助推高度大概為100 km左右。

慣性段：當運載和載荷分離后，載荷在大氣層外進行慣性拋物線運動，相當于彈道導彈的中段。

再入拉起段：再入拉起段主要是指飛行器再入大氣層后，通過姿態控制系統，在40～50 km向上拉起機動，實現到達滑翔初始點的過渡飛行。

滑翔機動段：飛行器能夠在20～100 km進行長時間滑翔飛行，具有橫向機動能力。

下壓段：飛行器接近目標后，在較短距離內進行急速下壓，做近垂直運動。

1.1.2 HBCV

HBCV以X-51A為例進行說明，X-51A由轟炸機B-52H運載升空至15 km投放后的彈道如圖1b)所示。

助推段：X-51A利用助推器加速26 s至20 km[1]，巡航器分離，進入巡航飛行模式。

巡航段：X-51A的巡航高度一般在20～30 km，巡航Ma數為6左右，具有橫向機動能力。

下壓段：X-51A接近目標后，在短距離內進行急速下壓，做近垂直運動。

通過彈道特性分析，HBGV的助推段和慣性段與彈道導彈類似，再入拉起段、滑翔機動段和下壓段明顯不同；而HBCV與彈道導彈在助推段就明顯不同，再加上臨近空間高超聲速目標的橫向機動能力，以往針對彈道導彈依靠關機點等參數進行彈道預報的預警探測方式已經不再適用，需要對其全程探測跟蹤。

1.2 紅外輻射特性

臨近空間高超聲速飛行器的紅外輻射特性與其飛行狀態、發動機工作狀態、環境溫度、輻射面積和流場狀態等密切相關[2]，目前研究報道還不多，文獻[2]中給出了臨近空間高超聲速飛行器的紅外輻射特性分析與理論計算方法；文獻[3]以建立的錐導乘波體為模型，分析計算了其紅外輻射特征的空間分布；文獻[4]對球頭鈍錐飛行器在不同高度上3～5 μm和8～12 μm的輻射特性進行了分析。

通過上述文獻和經驗，結合空間高超聲速飛行器飛行特性，估計HBGV助推段的紅外輻射強度與彈道導彈的助推段基本一致， 在預警衛星中波紅外波段約為20 000～50 000 W/sr[5]。滑翔機動段的紅外輻射強度大大強于彈道導彈的中段，在中波紅外波段的輻射強度大概為數千瓦級/球面度，以下按3 000 W/sr計。對于像X-51A這樣的HBCV，它被釋放前紅外輻射主要來自B-52H，輻射強度明顯低于彈道導彈的尾焰；助推段在26 s內從15 km爬升至20 km高，發動機功率應小于彈道導彈發動機，其紅外輻射強度遠小于彈道導彈助推段；而巡航段由于其速度略低于HBGV的滑翔機動段，其紅外輻射強度也略低。可見，臨近空間高超聲速目標的紅外輻射特性與彈道導彈有著較大的區別。

圖1 彈道對比示意圖Fig.1 Diagram of ballistic contrast

2 天基紅外系統

據報道分析，天基紅外系統主要由5顆地球靜止軌道衛星(GEO)、2顆大橢圓軌道衛星(HEO)和24顆低軌衛星(LEO)3部分組成[6-7]。GEO和HEO統稱高軌預警衛星，主要完成彈道導彈的早期預警，通過探測導彈助推段發動機尾焰，對彈道導彈的發射進行監視，引導低軌預警衛星對導彈中段進行跟蹤。低軌預警衛星主要完成彈道導彈中段探測跟蹤。

2.1 高軌預警衛星

每一顆GEO衛星都采用掃描和凝視探測相結合的方式工作，掃描傳感器通過矩形掃描監測導彈發射時產生的尾焰，然后通過大面陣凝視傳感器對導彈的助推段進行雙星定位跟蹤。

由于受到地球曲率和大氣折射等因素的影響，GEO衛星只能對中低緯度地區的導彈進行早期預警，對高緯度的監視能力很差，所以又發展了2顆HEO衛星。HEO衛星能對北極圈進行全天時不間斷一重覆蓋，與美國本土遠程預警雷達共同完成預警[8]。

2.2 低軌預警衛星

低軌預警衛星最可能采用是由24顆高度相同的軌道衛星構成的Walker星座，3個軌道面[9]。美國2009年9月發射了2顆技術演示驗證衛星，衛星高度為1 350 km、傾角為58°[10-11]。

低軌預警衛星上都裝有1臺寬視場短波紅外掃描傳感器和1臺窄視場多光譜凝視傳感器，如圖2所示[12]。以地面為背景的掃描傳感器對高軌衛星

探測區域進行補充。在導彈進入中段以后，凝視傳感器綜合高軌衛星和低軌衛星掃描傳感器提供的信息，利用以深空為背景的長波紅外探測跟蹤中段彈頭[9-10]。

圖2 低軌衛星傳感器Fig.2 Sensors of LEO satellite

3 天基紅外系統對臨近空間高超聲速飛行器預警探測與跟蹤能力的分析

3.1 時空覆蓋性

利用STK(satellite tool kit)軟件可以對天基紅外系統傳感器的時空覆蓋性進行分析，其中GEO，HEO 2部分文獻[6,8]已經分析過，GEO能夠對地球(除高緯度地區)實現雙重覆蓋；HEO與地基遠程預警雷達共同完成對北極區域彈道導彈的助推段探測跟蹤。這樣，三者可以實現對地球(除南極)的全時空覆蓋。

對于LEO，一般用T/P/F來描述Walker星座，其中T為衛星數目，P為軌道面數，F為權值，所以低軌預警衛星可能的星座構型是24/3/0，24/3/1和24/3/2，軌道高度為1 350 km，傾角為58°。由于彈道導彈中段的紅外輻射低，LEO上的長波紅外凝視傳感器必須在地球臨邊以上深空背景下才能探測到目標。用STK仿真分析得到LEO對不同高度目標的時空覆蓋能力如表1，分析結果與文獻[13]基本一致。可見，LEO的以深空為背景設置凝視傳感器，對高度低于220 km的目標不能雙重覆蓋(雙星定位)，無法對臨近空間高超聲速目標的滑翔段或巡航段進行跟蹤。

表1 低軌星座對不同高度的空間覆蓋情況Table 1 Coverage of different altitudes provided by LEO satellite

考慮到臨近空間高超聲速目標滑翔段或巡航段的紅外輻射強度遠高于彈道導彈的中段，如果將LEO的凝視傳感器改進，以中波紅外作為主要工作波段，并可下視對地觀測，通過STK仿真分析，LEO對在20～100 km這部分區域活動的臨近空間高超聲速目標，能夠完成雙重覆蓋，如表2所示。

表2 具備對地觀測能力的低軌星座空間覆蓋情況
Table 2 Coverage of different altitude provided by LEO sensors used for earth observation

h/km24/3/024/3/124/3/201重覆蓋1重覆蓋1重覆蓋202重覆蓋2重覆蓋2重覆蓋402重覆蓋2重覆蓋2重覆蓋802重覆蓋2重覆蓋2重覆蓋1002重覆蓋2重覆蓋2重覆蓋1502重覆蓋2重覆蓋2重覆蓋

3.2 可探測性分析

3.2.1 HBGV可探測性分析

由1.2節可知，HBGV助推段的紅外輻射強度約為20 000～50 000 W/sr，以30 000 W/sr計。按照預警低虛警率要求，高軌衛星對它的預警探測和跟蹤信噪比估計為30～50，在HBGV的滑翔段，它的紅外輻射強度比助推段小一個量級，按3 000 W/sr計，此時探測信噪比下降約10倍，約為3～5。因此，高軌衛星可以實現HBGV助推段的預警探測，但對滑翔段的跟蹤能力略顯不足。

對于LEO，經STK仿真計算雙重覆蓋條件下，最遠探測距離大概為4 500 km，取HBGV滑翔段J=3 000 W/sr計,大氣吸收τa=0.7，信號處理具有S/N=5的檢測能力，按照式(1)[14]，紅外系統的靈敏度NEFD(噪聲等效照度)應達到2.1×10-15W/cm2。

(1)

式中：NEFD為噪聲等效照度；J為目標輻射強度；α為大氣吸收系數;R為目標距離;S/N為信噪比。

設LEO上中波紅外凝視探測系統的參數如表3所示，按照式(2)[15]，系統的NEFD為9×10-16W/cm2，對目標探測信噪比可以達到10左右，滿足跟蹤要求，能夠對HBGV滑翔段連續穩定跟蹤。

表3中假設的探測系統各項指標雖然不低，但能夠實現，因此通過對LEO凝視傳感器進行改進，能夠對HBGV滑翔段連續穩定跟蹤。

表3 紅外探測系統參數設定Table 3 Parameters of infrared detection system

(2)

式中：f/#為F數；ζ為探測器填充系數；αβ為瞬時視場；Δf為系統噪聲等效帶寬；D0為光學系統口徑；τ0為光學系統的波段平均透過率；D*探測器的平均探測率；K1為光學彌散系數；K2為電路損失系數。

3.2.2 HBCV可探測性分析

由1.2節可知，X-51A釋放前紅外輻射主要來自B-52H，紅外輻射量級很小，很難通過高軌預警衛星發現；在助推段飛行高度為15～20 km，飛行時間26 s，相對彈道導彈助推段飛行高度低、時間短，高軌衛星很難實現預警；在巡航段紅外輻射量級與HBGV在滑翔段的紅外輻射強度相差不是很大，高軌衛星的跟蹤能力不足。

4 結論

在目前的參數設定條件下，通過分析，可以得到以下結論和啟示：

(1) 高軌衛星可以實現對HBGV助推段預警，但對其滑翔段跟蹤能力不足；低軌衛星的凝視傳感器如果不改為可下視，不能實現對HBGV的探測跟蹤。

(2) 高軌衛星很難實現對HBCV的預警。

(3) HBGV的滑翔段和HBCV的巡航段的紅外輻射強度遠強于彈道導彈的中段，如果能提高高軌衛星對這一飛行段的探測跟蹤能力，則可實現反導反臨近空間高超聲速飛行器天基預警探測一體兼容。

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Space-Based Infrared Detection for Near Space Hyptrsonic Targets

JING Han-bo1, WANG Ying-rui2

(1. The Second Research Academy of CASIC，Beijing 100854，China； 2. Beijing Institute of Remote Sensing Equipment, Beijing 100854，China)

Nowadays, the near space hypersonic aircrafts that has made a successful test flight hasbecome potential threats and the precaution and detection of the near space hypersonic targethave become a new research direction. The main categories and characteristics of the near space hypersonic targets are analyzed. On the basis of the introduction of the working mechanism of space-based infrared system, the applicability of space-based infrared system to the near space hypersonic targets detection is simulated with the STK software and noise equivalent flux density(NEFD) estimation. The issues about detection of near space hypersonic aircrafts with space-based infrared system are proposed for attention.

near space hypersonic target；target characteristics； space-based infrared system；early warning；detecting capability analysis；coverage performance

2016-02-17；

2016-03-18

有

敬韓博(1990-)，男，河南鄭州人。碩士生，主要從事紅外探測跟蹤技術方面的研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.014

TN219；TP391.1

A

1009-086X(2016)-06-0080-05

通信地址：100854 北京市142信箱205分箱

E-mail：hanbo0919@163.com