激光干扰红外预警卫星的有效压制区研究

王 枭,张宇令,李云成

(66135部队,北京 100037)

1 引 言

红外预警卫星是反导预警体系的重要组成部分,具有监视范围广、探测灵敏度高等特点。典型的红外预警卫星系统,如美国的天基红外系统(SBIRS),能够在10～20 s内发现从全球任意位置发射的弹道导弹,进而实现稳定、可靠跟踪,并为后续反导传感器提供关键目标指示[1],是弹道导弹突防面临的首要威胁。干扰敌红外预警卫星,可缩短敌反导系统预警时间,降低敌跟踪拦截精度,提高我弹道导弹的突防概率。

对红外预警卫星的电子干扰措施主要包括激光有源干扰、烟幕无源干扰、通信链路干扰等[2]。其中,激光有源干扰能够使星载红外探测器过载饱和暂时失效,甚至对其造成永久损伤,是对抗红外预警卫星的理想手段。目前,各军事强国都在竞先发展高能激光武器,据报道,美军在放弃了兆瓦级功率的化学激光器后,为了对付弹道导弹和巡航导弹的威胁,仍在继续推进能获得兆瓦级功率的激光技术[3]；俄军前总参谋长曾宣称俄罗斯正在加紧研究的空基激光武器能够彻底摧毁数百公里外轨道上飞行的敌方卫星[4],可以预见,激光武器必将在红外预警卫星对抗中发挥重要作用。

目前,文献[5]～[8]等研究了激光干扰红外预警卫星的可行性、作用机理、效能评估方法,为激光器的研制论证提供了很好的参考借鉴,然而,从部队作战运用的角度考虑,指挥员往往更关注如何部署才能更好发挥装备效能。对此,本文在前述研究的基础上对激光干扰红外预警卫星的有效压制区进行研究,希望能够提供有益参考。

2 激光干扰红外预警卫星的作用机理

2.1 红外预警卫星预警探测原理[9-12]

助推段弹道导弹需要通过剧烈燃烧和喷射获得动力,这一过程产生大量火焰和高温气体对外形成强烈红外辐射。其中,二氧化碳和水汽作为主要燃烧产物,其分子能级结构决定了辐射能量主要集中在2.7 μm、4.3 μm和6.3 μm频段。美军现役SBIRS红外预警卫星采用硫化铅和碲镉汞材料的光敏探测器,这两种材料对1～3 μm及3～5 μm附近的红外辐射较为敏感,能够较好地匹配接收助推段弹道导弹的尾焰辐射。此外,大气层对地表的红外辐射有较强的吸收作用,因此,通常情况下,在星载红外探测器的视场中地球背景辐射可看作是黑背景。当弹道导弹飞到10 km～15 km 高空以后,大气层吸收损耗逐渐减弱,导弹尾焰辐射逐渐在星载探测器上呈现为一个亮点,预警卫星据此实现预警。

为实现威胁目标的测向定位,SBIRS卫星装有扫描型和凝视型双探测器。扫描型探测器采用一维阵列,主要用于对地表大范围的推扫探测,以快速发现可疑目标,其视场宽度为10°(南北方向)×20°(东西方向)；凝视型探测器采用二维阵列,主要用于在扫描型探测器的引导下,对威胁目标进行确认及跟踪、定位,其视场宽度为0.44°×0.44°。

2.2 激光干扰红外预警卫星原理[6,8-9,13]

激光武器通过定向发射的高功率激光束作用于目标,可直接对目标造成破坏,具有传输速度快、命中精度高、抗电磁干扰、能多次重复使用等优点,是对抗红外预警卫星的理想手段。根据作用于红外预警卫星的激光功率强度以及其受破坏的严重程度,激光武器的破坏效应可分为饱和、烧穿和摧毁。其中,饱和是指接收辐射强度略超出目标光敏元件的线性工作范围而导致的暂时失效；烧穿是指接收的辐射强度远超目标光敏元件的动态范围,光、热效应共同作用使目标光敏元件被永久性损坏；摧毁是指接收的辐射功率极强,以致目标平台被灼烧变形甚至爆炸。

红外预警卫星一般处于极远的中、高轨道,同时地表大气层对地基激光器又有较强的衰减损耗作用,因此,现有激光武器往往难以直接摧毁红外预警卫星。然而,为能够尽早探测感应到地表微弱的导弹尾焰信号,星载红外探测器往往具有很高灵敏度,对此,地基激光武器并不需要太高的辐射功率就可使星载红外探测器的接收干信比超出动态范围,从而对其造成饱和干扰。

激光干扰红外预警卫星虽在理论上具有可行性,但在具体实施时还面临三项难题:一是对红外预警卫星及星载红外探测器的稳定跟踪定位技术；二是大气层对激光功率传输的复杂损耗效应；三是星载红外探测器可能采取窄带探测等反干扰技术。对此,本文不考虑这三方面因素,仅在理论可行性的层面进行研究。

3 红外预警卫星的最大探测距离

3.1 无干扰时的最大探测距离[12,14]

假设导弹尾焰的红外辐射强度为IS,其大气透过率为τa,红外预警卫星与导弹的距离为RS,则到达星载红外探测器处的辐射照度为:

(1)

星载红外探测器接收的红外信号功率为:

(2)

星载红外探测器的等效噪声功率为:

(3)

式中,Ad=α2为红外探测器像元面积;α为像元尺寸；Δf为等效噪声带宽；D*为背景噪声限红外探测系统探测率。

(4)

3.2 受干扰时的最大探测距离[6,8]

图1展示了激光干扰红外预警卫星的一般原理。假设激光器的输出功率为PJ,大气透过率为τb,激光的光束发散角为θA,激光器与卫星的距离为RJ,则到达星载红外探测器处的干扰信号功率密度为:

(5)

假设激光入射方向与星载红外探测器瞄准方向间的夹角为θB,则进入到红外探测器的激光功率为:

式中,G(θB)为与入射角有关的干扰功率接收损耗,文献[6]～[8]等均认为G(θB)=cosθB,考虑到红外探测器的方向敏感性,我们认为G(θB)还与红外探测器的瞬时视场宽度θC有关,即:

(7)

(8)

图1 激光干扰红外预警卫星原理Fig.1 Principle of laser interfering infrared early warning satellite

3.3 实例分析

3.3.1 无干扰时的最大探测距离

SBIRS卫星的红外探测器入射孔径直径为D=0.9 m,透过率为τ0=0.5,探测率为D*=1×1010,像元面积为Ad=8×10-10m2,其扫描型探测器的等效噪声带宽为Δf=2000 Hz；假设探测目标为射程为900 km的弹道导弹,其在助推段的红外辐射强度约为IS=40000 W/sr,假设高度为10 km时,大气的红外透过率为τa=0.57[14],据此可得SBIRS星载探测器门限信噪比与其对给定目标最大探测距离的关系如图2所示。

图2 SBIRS卫星对给定目标的最大探测距离Fig.2 Maximum detection distance of SBIRS satellites for a given target

由图可见,对于射程为900 km、高度为10 km的助推段弹道导弹,如果SBIRS星载探测器的门限信噪比为16 dB,则其最大探测距离约为38000 km,略大于SBIRS GEO卫星的轨道高度36000 km。

3.3.2 有干扰时的最大探测距离

假设激光器与掩护目标相对红外预警卫星所呈的角度为5°,激光器与卫星的距离为30310 km,激光器部署在地表,大气透过率为τb=0.01,光束发散角为θA=300 μrad,掩护目标仍为射程900 km、高度10 km的弹道导弹(见3.3.1节),假设激光器输出功率为10 kW、100 kW、300 kW,则根据式(8)可得SBIRS卫星扫描型探测器被饱和干扰时的门限干信比与其对给定目标最大探测距离的关系如图3所示。

图3 激光干扰条件下SBIRS卫星对给定目标的最大探测距离Fig.3 Maximum detection distance of SBIRS satellites for a given target under laser interference conditions

根据图3,如果SBIRS卫星饱和干扰的门限干信比小于46 dB,则激光器的输出功率只需10 kW即可将SBIRS卫星的探测距离压制到36000 km以内,即有效压制。而10 kW的激光器在技术上是不难实现的,可见激光干扰是对抗红外预警卫星较为理想的一种措施。

4 激光干扰红外预警卫星的有效压制区

4.1 定 义

为便于指挥员直观了解激光干扰装备的作战效能,我们在干扰条件下红外预警卫星最大探测距离指标的基础上提出激光干扰红外预警卫星的有效压制区指标,其定义为:激光干扰使红外预警卫星不能发现指定目标(红外辐射强度、高度、大气透过率一定)的区域。该指标可用于辅助指挥员拟定激光器的部署方案。

4.2 计算方法

根据前述定义与分析,当输出功率较大时,激光器对红外预警卫星的有效压制区即为星载探测器瞄准激光器时瞬时视场的地表覆盖区。该覆盖区可利用STK等专业软件进行计算,也可通过坐标旋转的方法进行计算。

图4 激光干扰红外预警卫星的有效压制区计算原理Fig.4 Calculation principle of effective suppression zone for laser interference to infrared early warning satellite

如图4所示,任意位置的卫星S和激光器J都可通过四次三维旋转变换到卫星处于北极方向、激光器处于东经90°的基准方位。该基准方位下,记卫星和激光器的位置分别为S0和J0,则∠OS0J0=∠OSJ=θEl,其中θEl为激光器J相对卫星S的俯仰角。此时,有效压制区上任意边界点P的坐标可通过如下旋转变换进行计算:

(9)

式中,Rx和Rz分别为绕x轴和z轴的旋转矩阵；LonS、LatS分别表示卫星S的经纬度坐标；θAz表示激光器J相对于卫星S的方位角；P0表示基准方位条件下有效压制区上的任意边界点。

(10)

4.3 实例分析

SBIRS GEO 1卫星的坐标为(80°E,0°N,36000 km),其扫描型探测器的瞬时视场宽度为θC1=10°,凝视型探测器的瞬时视场宽度为θC1=0.44°。假设激光器部署于(110°E,40°N),且发射功率足够强,则可计算得其对SBIRS GEO 1卫星两个探测器的有效压制区分别如图5、6所示。

图5 对扫描型探测器的有效压制区Fig.5 Effective suppression zone for scanning detectors

图6 对凝视型探测器的有效压制区Fig.6 Effective suppression zone for gaze detectors

由图5、6可见,如果激光输出功率足够强,则对于SBIRS GEO 1扫描型探测器,一部激光器即可实现对我国全境的掩护覆盖；对于SBIRS GEO 1凝视型探测器,一部激光器能够掩护的区域面积十分有限,且与激光器的部署位置有关,如图7所示。可见,为实现对弹道导弹上升段的全程掩护,需要考虑部署多部激光器,并合理选定各装备的部署位置。

图7 激光器部署于不同位置对SBIRS GEO 1凝视型 探测器的有效压制区Fig.7 Effective suppression zones of laser interference to SBIRS GEO 1 gaze detector under different laser deployment

5 结 论

随着高功率激光技术的不断发展突破,激光武器在空天对抗中的应用也指日可待。本文提出的激光干扰红外预警卫星有效压制区指标可在未来用于辅助指挥员制定激光武器部署方案。本文的研究是以理想简化条件为基础,没有考虑激光跟踪误差、卫星反干扰措施等问题,这将是下一步研究需要重点关注的问题。此外,利用有效压制区研究激光干扰装备针对特定弹道的部署方法也是值得进一步研究的方向。