激光干擾紅外預警衛星的有效壓制區研究

王 梟,張宇令,李云成

(66135部隊,北京 100037)

1 引 言

紅外預警衛星是反導預警體系的重要組成部分,具有監視范圍廣、探測靈敏度高等特點。典型的紅外預警衛星系統,如美國的天基紅外系統(SBIRS),能夠在10～20 s內發現從全球任意位置發射的彈道導彈,進而實現穩定、可靠跟蹤,并為后續反導傳感器提供關鍵目標指示[1],是彈道導彈突防面臨的首要威脅。干擾敵紅外預警衛星,可縮短敵反導系統預警時間,降低敵跟蹤攔截精度,提高我彈道導彈的突防概率。

對紅外預警衛星的電子干擾措施主要包括激光有源干擾、煙幕無源干擾、通信鏈路干擾等[2]。其中,激光有源干擾能夠使星載紅外探測器過載飽和暫時失效,甚至對其造成永久損傷,是對抗紅外預警衛星的理想手段。目前,各軍事強國都在競先發展高能激光武器,據報道,美軍在放棄了兆瓦級功率的化學激光器后,為了對付彈道導彈和巡航導彈的威脅,仍在繼續推進能獲得兆瓦級功率的激光技術[3]；俄軍前總參謀長曾宣稱俄羅斯正在加緊研究的空基激光武器能夠徹底摧毀數百公里外軌道上飛行的敵方衛星[4],可以預見,激光武器必將在紅外預警衛星對抗中發揮重要作用。

目前,文獻[5]～[8]等研究了激光干擾紅外預警衛星的可行性、作用機理、效能評估方法,為激光器的研制論證提供了很好的參考借鑒,然而,從部隊作戰運用的角度考慮,指揮員往往更關注如何部署才能更好發揮裝備效能。對此,本文在前述研究的基礎上對激光干擾紅外預警衛星的有效壓制區進行研究,希望能夠提供有益參考。

2 激光干擾紅外預警衛星的作用機理

2.1 紅外預警衛星預警探測原理[9-12]

助推段彈道導彈需要通過劇烈燃燒和噴射獲得動力,這一過程產生大量火焰和高溫氣體對外形成強烈紅外輻射。其中,二氧化碳和水汽作為主要燃燒產物,其分子能級結構決定了輻射能量主要集中在2.7 μm、4.3 μm和6.3 μm頻段。美軍現役SBIRS紅外預警衛星采用硫化鉛和碲鎘汞材料的光敏探測器,這兩種材料對1～3 μm及3～5 μm附近的紅外輻射較為敏感,能夠較好地匹配接收助推段彈道導彈的尾焰輻射。此外,大氣層對地表的紅外輻射有較強的吸收作用,因此,通常情況下,在星載紅外探測器的視場中地球背景輻射可看作是黑背景。當彈道導彈飛到10 km～15 km 高空以后,大氣層吸收損耗逐漸減弱,導彈尾焰輻射逐漸在星載探測器上呈現為一個亮點,預警衛星據此實現預警。

為實現威脅目標的測向定位,SBIRS衛星裝有掃描型和凝視型雙探測器。掃描型探測器采用一維陣列,主要用于對地表大范圍的推掃探測,以快速發現可疑目標,其視場寬度為10°(南北方向)×20°(東西方向)；凝視型探測器采用二維陣列,主要用于在掃描型探測器的引導下,對威脅目標進行確認及跟蹤、定位,其視場寬度為0.44°×0.44°。

2.2 激光干擾紅外預警衛星原理[6,8-9,13]

激光武器通過定向發射的高功率激光束作用于目標,可直接對目標造成破壞,具有傳輸速度快、命中精度高、抗電磁干擾、能多次重復使用等優點,是對抗紅外預警衛星的理想手段。根據作用于紅外預警衛星的激光功率強度以及其受破壞的嚴重程度,激光武器的破壞效應可分為飽和、燒穿和摧毀。其中,飽和是指接收輻射強度略超出目標光敏元件的線性工作范圍而導致的暫時失效；燒穿是指接收的輻射強度遠超目標光敏元件的動態范圍,光、熱效應共同作用使目標光敏元件被永久性損壞；摧毀是指接收的輻射功率極強,以致目標平臺被灼燒變形甚至爆炸。

紅外預警衛星一般處于極遠的中、高軌道,同時地表大氣層對地基激光器又有較強的衰減損耗作用,因此,現有激光武器往往難以直接摧毀紅外預警衛星。然而,為能夠盡早探測感應到地表微弱的導彈尾焰信號,星載紅外探測器往往具有很高靈敏度,對此,地基激光武器并不需要太高的輻射功率就可使星載紅外探測器的接收干信比超出動態范圍,從而對其造成飽和干擾。

激光干擾紅外預警衛星雖在理論上具有可行性,但在具體實施時還面臨三項難題:一是對紅外預警衛星及星載紅外探測器的穩定跟蹤定位技術；二是大氣層對激光功率傳輸的復雜損耗效應；三是星載紅外探測器可能采取窄帶探測等反干擾技術。對此,本文不考慮這三方面因素,僅在理論可行性的層面進行研究。

3 紅外預警衛星的最大探測距離

3.1 無干擾時的最大探測距離[12,14]

假設導彈尾焰的紅外輻射強度為IS,其大氣透過率為τa,紅外預警衛星與導彈的距離為RS,則到達星載紅外探測器處的輻射照度為:

(1)

星載紅外探測器接收的紅外信號功率為:

(2)

星載紅外探測器的等效噪聲功率為:

(3)

式中,Ad=α2為紅外探測器像元面積;α為像元尺寸；Δf為等效噪聲帶寬；D*為背景噪聲限紅外探測系統探測率。

(4)

3.2 受干擾時的最大探測距離[6,8]

圖1展示了激光干擾紅外預警衛星的一般原理。假設激光器的輸出功率為PJ,大氣透過率為τb,激光的光束發散角為θA,激光器與衛星的距離為RJ,則到達星載紅外探測器處的干擾信號功率密度為:

(5)

假設激光入射方向與星載紅外探測器瞄準方向間的夾角為θB,則進入到紅外探測器的激光功率為:

式中,G(θB)為與入射角有關的干擾功率接收損耗,文獻[6]～[8]等均認為G(θB)=cosθB,考慮到紅外探測器的方向敏感性,我們認為G(θB)還與紅外探測器的瞬時視場寬度θC有關,即:

(7)

(8)

圖1 激光干擾紅外預警衛星原理Fig.1 Principle of laser interfering infrared early warning satellite

3.3 實例分析

3.3.1 無干擾時的最大探測距離

SBIRS衛星的紅外探測器入射孔徑直徑為D=0.9 m,透過率為τ0=0.5,探測率為D*=1×1010,像元面積為Ad=8×10-10m2,其掃描型探測器的等效噪聲帶寬為Δf=2000 Hz；假設探測目標為射程為900 km的彈道導彈,其在助推段的紅外輻射強度約為IS=40000 W/sr,假設高度為10 km時,大氣的紅外透過率為τa=0.57[14],據此可得SBIRS星載探測器門限信噪比與其對給定目標最大探測距離的關系如圖2所示。

圖2 SBIRS衛星對給定目標的最大探測距離Fig.2 Maximum detection distance of SBIRS satellites for a given target

由圖可見,對于射程為900 km、高度為10 km的助推段彈道導彈,如果SBIRS星載探測器的門限信噪比為16 dB,則其最大探測距離約為38000 km,略大于SBIRS GEO衛星的軌道高度36000 km。

3.3.2 有干擾時的最大探測距離

假設激光器與掩護目標相對紅外預警衛星所呈的角度為5°,激光器與衛星的距離為30310 km,激光器部署在地表,大氣透過率為τb=0.01,光束發散角為θA=300 μrad,掩護目標仍為射程900 km、高度10 km的彈道導彈(見3.3.1節),假設激光器輸出功率為10 kW、100 kW、300 kW,則根據式(8)可得SBIRS衛星掃描型探測器被飽和干擾時的門限干信比與其對給定目標最大探測距離的關系如圖3所示。

圖3 激光干擾條件下SBIRS衛星對給定目標的最大探測距離Fig.3 Maximum detection distance of SBIRS satellites for a given target under laser interference conditions

根據圖3,如果SBIRS衛星飽和干擾的門限干信比小于46 dB,則激光器的輸出功率只需10 kW即可將SBIRS衛星的探測距離壓制到36000 km以內,即有效壓制。而10 kW的激光器在技術上是不難實現的,可見激光干擾是對抗紅外預警衛星較為理想的一種措施。

4 激光干擾紅外預警衛星的有效壓制區

4.1 定 義

為便于指揮員直觀了解激光干擾裝備的作戰效能,我們在干擾條件下紅外預警衛星最大探測距離指標的基礎上提出激光干擾紅外預警衛星的有效壓制區指標,其定義為:激光干擾使紅外預警衛星不能發現指定目標(紅外輻射強度、高度、大氣透過率一定)的區域。該指標可用于輔助指揮員擬定激光器的部署方案。

4.2 計算方法

根據前述定義與分析,當輸出功率較大時,激光器對紅外預警衛星的有效壓制區即為星載探測器瞄準激光器時瞬時視場的地表覆蓋區。該覆蓋區可利用STK等專業軟件進行計算,也可通過坐標旋轉的方法進行計算。

圖4 激光干擾紅外預警衛星的有效壓制區計算原理Fig.4 Calculation principle of effective suppression zone for laser interference to infrared early warning satellite

如圖4所示,任意位置的衛星S和激光器J都可通過四次三維旋轉變換到衛星處于北極方向、激光器處于東經90°的基準方位。該基準方位下,記衛星和激光器的位置分別為S0和J0,則∠OS0J0=∠OSJ=θEl,其中θEl為激光器J相對衛星S的俯仰角。此時,有效壓制區上任意邊界點P的坐標可通過如下旋轉變換進行計算:

(9)

式中,Rx和Rz分別為繞x軸和z軸的旋轉矩陣；LonS、LatS分別表示衛星S的經緯度坐標；θAz表示激光器J相對于衛星S的方位角；P0表示基準方位條件下有效壓制區上的任意邊界點。

(10)

4.3 實例分析

SBIRS GEO 1衛星的坐標為(80°E,0°N,36000 km),其掃描型探測器的瞬時視場寬度為θC1=10°,凝視型探測器的瞬時視場寬度為θC1=0.44°。假設激光器部署于(110°E,40°N),且發射功率足夠強,則可計算得其對SBIRS GEO 1衛星兩個探測器的有效壓制區分別如圖5、6所示。

圖5 對掃描型探測器的有效壓制區Fig.5 Effective suppression zone for scanning detectors

圖6 對凝視型探測器的有效壓制區Fig.6 Effective suppression zone for gaze detectors

由圖5、6可見,如果激光輸出功率足夠強,則對于SBIRS GEO 1掃描型探測器,一部激光器即可實現對我國全境的掩護覆蓋；對于SBIRS GEO 1凝視型探測器,一部激光器能夠掩護的區域面積十分有限,且與激光器的部署位置有關,如圖7所示?？梢?為實現對彈道導彈上升段的全程掩護,需要考慮部署多部激光器,并合理選定各裝備的部署位置。

圖7 激光器部署于不同位置對SBIRS GEO 1凝視型 探測器的有效壓制區Fig.7 Effective suppression zones of laser interference to SBIRS GEO 1 gaze detector under different laser deployment

5 結 論

隨著高功率激光技術的不斷發展突破,激光武器在空天對抗中的應用也指日可待。本文提出的激光干擾紅外預警衛星有效壓制區指標可在未來用于輔助指揮員制定激光武器部署方案。本文的研究是以理想簡化條件為基礎,沒有考慮激光跟蹤誤差、衛星反干擾措施等問題,這將是下一步研究需要重點關注的問題。此外,利用有效壓制區研究激光干擾裝備針對特定彈道的部署方法也是值得進一步研究的方向。