臨近空間高超聲速目標(biāo)天基紅外探測技術(shù)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(shè)備研究所，北京 100854)

探測跟蹤技術(shù)

臨近空間高超聲速目標(biāo)天基紅外探測技術(shù)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(shè)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(jīng)成為潛在威脅，對臨近空間高超聲速目標(biāo)的預(yù)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(biāo)特性，以美國天基紅外系統(tǒng)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(tǒng)對臨近空間目標(biāo)探測的適用性，提出了天基紅外系統(tǒng)對臨近空間高超聲速飛行器預(yù)警探測需要關(guān)注和解決的問題。

臨近空間高超聲速目標(biāo);目標(biāo)特性;天基紅外系統(tǒng);預(yù)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(dǎo)系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為了實現(xiàn)對臨近空間高超聲速目標(biāo)的遠(yuǎn)距離攔截，對其預(yù)警探測尤為重要。一方面，臨近空間高超聲速目標(biāo)飛行速度極快(Ma數(shù)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(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測；另一方面，相對于彈道導(dǎo)彈，臨近空間高超聲速目標(biāo)飛行高度低(20～100 km)，地基和空基探測系統(tǒng)，因視距距離受地球曲率的約束，無法實現(xiàn)對其遠(yuǎn)距離探測。因此，天基紅外預(yù)警探測系統(tǒng)將是實現(xiàn)對其探測的有效手段。

美國的紅外預(yù)警探測系統(tǒng)起步較早，其新一代用于彈道導(dǎo)彈預(yù)警探測的天基紅外系統(tǒng)處于世界領(lǐng)先水平。本文將以美國天基紅外系統(tǒng)為參考，分析天基紅外系統(tǒng)對臨近空間高超聲速目標(biāo)預(yù)警探測和跟蹤的適應(yīng)性,以及面臨的問題。

1 臨近空間高超聲速目標(biāo)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(dāng)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(dāng)于彈道導(dǎo)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(tài)控制系統(tǒng)，在40～50 km向上拉起機動，實現(xiàn)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(biāo)后，在較短距離內(nèi)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(shù)為6左右，具有橫向機動能力。

下壓段：X-51A接近目標(biāo)后，在短距離內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)彈在助推段就明顯不同，再加上臨近空間高超聲速目標(biāo)的橫向機動能力，以往針對彈道導(dǎo)彈依靠關(guān)機點等參數(shù)進行彈道預(yù)報的預(yù)警探測方式已經(jīng)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(tài)、發(fā)動機工作狀態(tài)、環(huán)境溫度、輻射面積和流場狀態(tài)等密切相關(guān)[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(dǎo)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(jīng)驗，結(jié)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(dǎo)彈的助推段基本一致， 在預(yù)警衛(wèi)星中波紅外波段約為20 000～50 000 W/sr[5]?；铏C動段的紅外輻射強度大大強于彈道導(dǎo)彈的中段，在中波紅外波段的輻射強度大概為數(shù)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(dǎo)彈的尾焰；助推段在26 s內(nèi)從15 km爬升至20 km高，發(fā)動機功率應(yīng)小于彈道導(dǎo)彈發(fā)動機，其紅外輻射強度遠(yuǎn)小于彈道導(dǎo)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(biāo)的紅外輻射特性與彈道導(dǎo)彈有著較大的區(qū)別。

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

2 天基紅外系統(tǒng)

據(jù)報道分析，天基紅外系統(tǒng)主要由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、2顆大橢圓軌道衛(wèi)星(HEO)和24顆低軌衛(wèi)星(LEO)3部分組成[6-7]。GEO和HEO統(tǒng)稱高軌預(yù)警衛(wèi)星，主要完成彈道導(dǎo)彈的早期預(yù)警，通過探測導(dǎo)彈助推段發(fā)動機尾焰，對彈道導(dǎo)彈的發(fā)射進行監(jiān)視，引導(dǎo)低軌預(yù)警衛(wèi)星對導(dǎo)彈中段進行跟蹤。低軌預(yù)警衛(wèi)星主要完成彈道導(dǎo)彈中段探測跟蹤。

2.1 高軌預(yù)警衛(wèi)星

每一顆GEO衛(wèi)星都采用掃描和凝視探測相結(jié)合的方式工作，掃描傳感器通過矩形掃描監(jiān)測導(dǎo)彈發(fā)射時產(chǎn)生的尾焰，然后通過大面陣凝視傳感器對導(dǎo)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(wèi)星只能對中低緯度地區(qū)的導(dǎo)彈進行早期預(yù)警，對高緯度的監(jiān)視能力很差，所以又發(fā)展了2顆HEO衛(wèi)星。HEO衛(wèi)星能對北極圈進行全天時不間斷一重覆蓋，與美國本土遠(yuǎn)程預(yù)警雷達共同完成預(yù)警[8]。

2.2 低軌預(yù)警衛(wèi)星

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

低軌預(yù)警衛(wèi)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(wèi)星

探測區(qū)域進行補充。在導(dǎo)彈進入中段以后，凝視傳感器綜合高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)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(wèi)星傳感器Fig.2 Sensors of LEO satellite

3 天基紅外系統(tǒng)對臨近空間高超聲速飛行器預(yù)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(tǒng)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(jīng)分析過，GEO能夠?qū)Φ厍?除高緯度地區(qū))實現(xiàn)雙重覆蓋；HEO與地基遠(yuǎn)程預(yù)警雷達共同完成對北極區(qū)域彈道導(dǎo)彈的助推段探測跟蹤。這樣，三者可以實現(xiàn)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(wèi)星數(shù)目，P為軌道面數(shù)，F(xiàn)為權(quán)值，所以低軌預(yù)警衛(wèi)星可能的星座構(gòu)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(dǎo)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(biāo)。用STK仿真分析得到LEO對不同高度目標(biāo)的時空覆蓋能力如表1，分析結(jié)果與文獻[13]基本一致?？梢姡琇EO的以深空為背景設(shè)置凝視傳感器，對高度低于220 km的目標(biāo)不能雙重覆蓋(雙星定位)，無法對臨近空間高超聲速目標(biāo)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(biāo)滑翔段或巡航段的紅外輻射強度遠(yuǎn)高于彈道導(dǎo)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(qū)域活動的臨近空間高超聲速目標(biāo)，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(jié)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(yù)警低虛警率要求，高軌衛(wèi)星對它的預(yù)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(wèi)星可以實現(xiàn)HBGV助推段的預(yù)警探測，但對滑翔段的跟蹤能力略顯不足。

對于LEO，經(jīng)STK仿真計算雙重覆蓋條件下，最遠(yuǎn)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(tǒng)的靈敏度NEFD(噪聲等效照度)應(yīng)達到2.1×10-15W/cm2。

(1)

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

設(shè)LEO上中波紅外凝視探測系統(tǒng)的參數(shù)如表3所示，按照式(2)[15]，系統(tǒng)的NEFD為9×10-16W/cm2，對目標(biāo)探測信噪比可以達到10左右，滿足跟蹤要求，能夠?qū)BGV滑翔段連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。

表3中假設(shè)的探測系統(tǒng)各項指標(biāo)雖然不低，但能夠?qū)崿F(xiàn)，因此通過對LEO凝視傳感器進行改進，能夠?qū)BGV滑翔段連續(xù)穩(wěn)定跟蹤。

表3 紅外探測系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定Table 3 Parameters of infrared detection system

(2)

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

3.2.2 HBCV可探測性分析

由1.2節(jié)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(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)；在助推段飛行高度為15～20 km，飛行時間26 s，相對彈道導(dǎo)彈助推段飛行高度低、時間短，高軌衛(wèi)星很難實現(xiàn)預(yù)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(wèi)星的跟蹤能力不足。

4 結(jié)論

在目前的參數(shù)設(shè)定條件下，通過分析，可以得到以下結(jié)論和啟示：

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

(2) 高軌衛(wèi)星很難實現(xiàn)對HBCV的預(yù)警。

(3) HBGV的滑翔段和HBCV的巡航段的紅外輻射強度遠(yuǎn)強于彈道導(dǎo)彈的中段，如果能提高高軌衛(wèi)星對這一飛行段的探測跟蹤能力，則可實現(xiàn)反導(dǎo)反臨近空間高超聲速飛行器天基預(yù)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(shù)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