光学遥感卫星的激光威胁及防护体制探讨

乔凯 高超 高秀娟 尚卫东 赵思思 韩潇 张蕾

（1 北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

（2 北京控制工程研究所，北京100094）

（3 北京空间机电研究所，北京100094）

0 引言

进入21世纪以来，控制外层空间、争夺制天权、在全球范围内取得信息优势已成为世界航天大国不断追求的目标。随着发达国家抢占太空领域发展权、主导权、控制权的企图越来越凸显，在积极发展军用卫星技术的同时，也在大力开展反卫星武器试验，太空安全形势日益严峻。特别是以激光武器为代表的定向能武器，由于其特有的反应迅速、攻击域广、不受外界电磁波的干扰、可以连续攻击等特点，是一种理想的反卫星武器[1-3]。当前我国在轨部署的空间监视、通信导航、气象、海洋、资源等系列卫星是我国土、海洋、气象、防灾减灾、国防等领域应用必不可少的装备，基本处于不设防状态，光学遥感卫星的光学载荷以及所有卫星的星敏感器，探测灵敏度高，是卫星系统的薄弱环节，面临严重的激光威胁，因此，为保证光学遥感卫星任务的可靠实施，急需加大力度开展激光威胁评估，研究高效防护策略和防护技术，尽快实现在轨应用。

1 光学遥感卫星激光辐照损伤机理

1.1 光电探测器的激光辐照效应

光学遥感卫星的光电探测器是光学成像系统的核心器件，激光对光电探测器的损伤按作用程度分为软、硬两类破坏。

软破坏是指光电探测器受到激光辐照时造成永久性或暂时性的性能退化。对于可见光探测器，组成CCD的半导体材料中处于杂质能带的电子吸收激光能量大量向导带跃迁，引起暗电流大量增加从而导致光电材料或器件的功能退化或暂时失效，它包括电学性能的退化和光学性能的退化。电学性能的退化包括泄露电流大幅增长与击穿电压的降低、势分布的改变及势阱降低。光学性能的退化包括“光饱和”、“光饱和串音”、点扩散函数（Point Spread Function，PSF）和调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）的退化。“光饱和”就是饱和干扰，“光饱和串音”指的是用激光辐照CCD的局部时，不仅被辐照区达到饱和，未被辐照的区域也有信号输出，而且当辐照的激光足够强时，最终整个CCD都将处于饱和状态的现象[4-5]。PSF和MTF退化主要是由于激光辐照造成沿多晶硅时钟线的势阱降低，当一个满的电荷包传输通过这些破坏了的时钟线时，被传输的电荷包被分成许多小电荷包，从而使得沿电荷运动方向的PSF扩大，而破坏区的MTF将明显降低。

硬破坏是指探测器受到激光辐照时造成永久性破坏，被破坏器件无信号输出或者出现结构的破坏，如器件中关键部分的热熔融、龟裂、断裂、击穿等。不同类型的光电传感器对不同的损伤现象有着不同的损伤阈值。目前对光电探测器激光破坏研究的方法一般是在各种工作条件下（如改变激光作用距离、激光作用时间、改变激光脉冲频率、改变激光波长和脉宽、改变激光束形状等）测量其相应的激光损伤阈值，进而分析其破坏机理。研究表明，CCD的少数像元受激光辐照破坏后，其结果将是整个器件无信号输出，而不是像场中存在几个暗点。

对于红外探测器，干扰主要表现为对红外通道输出信号饱和、响应率降低、瞬时致盲和恢复过程的时间。致盲是红外探测器（通常为半导体，如HgCdTe、InSb、PbS等）受到高能激光照射后，使得p-n结变窄，甚至发生击穿，损伤的二极管存在着泄漏路径，使得反向偏压电阻下降。HgCdTe探测器的损伤主要表现为Hg的析出，更高温度时表现为In焊的脱落和HgCdTe的熔化，更严重时发生不可逆的解理、热分解、熔融和汽化等[6]。

1.2 光学元件的激光辐照效应

在激光辐照下，光学元件的损伤分为面损伤和体损伤。面损伤是指激光辐照光学材料时造成光学材料表面的损伤，原因有三：一是材料本身所含杂质；二是抛光过程中材料表面残留的抛光磨料以及产生的缺陷、微裂纹等；三是材料表面暴露在空气中所吸附的杂质、水蒸气等而被污染。这些因素的存在，造成光学材料表面的激光破坏阈值的下降。体损伤是指激光辐照光学材料时造成光学材料炸裂等效果，当激光光束聚焦到光学材料内时，由于焦点处激光功率密度很高，引起强烈的非线性吸收，导致多光子电离并形成等离子体，等离子体迅速膨胀和材料局部温升导致材料的热膨胀，引起极大的热应力，当应力超过材料的断裂强度时，便产生炸裂破坏。当光学材料中含有杂质时（特别是金属颗粒杂质对激光有强烈的吸收），极易造成材料的炸裂破坏。另外，当激光的功率密度较高时，激光光束会发生自聚焦效应，引起材料的细丝性炸裂破坏。光学材料的面损伤阈值一般都低于其体损伤阈值，最大可相差一个数量级左右，表现形式也具有多样性，相应的表现形式如表1所示。

表1 光学元件结构破坏的表现形式Tab.1 The manifestation of structural damages of optical components

对不同的功能元件，损伤的表现形式也不一样，如表2所示。

表2 光学元件的功能性损伤Tab.2 Functional damages of optical components

1.3 电子部组件的激光辐照单粒子效应

研究表明，光学遥感卫星电子部组件产生的单粒子效应和总剂量效应是诱发在轨故障的主要原因之一，随着半导体行业的快速进步，新型的小封装、高速度、低功耗的高性能芯片迅速发展，其对粒子辐射的敏感程度大大增强，未来将使得单粒子效应和总剂量效应对航天器电子系统的威胁程度更加严重。强激光除了对光学遥感卫星光学部件、光电探测器件辐照效应造成光学饱和、致盲、毁伤等软硬杀伤效能，也会对光学遥感卫星电子部组件产生单粒子效应和总剂量效应，因此，面向未来空间强对抗可能出现的脉冲激光攻击产生单粒子效应，开展抗单粒子效应技术研究，提高单粒子效应阈值，对较易发生单粒子效应和易受总剂量效应影响的芯片要采取周密的加固措施[7-8]。

脉冲激光对光学遥感卫星电子部组件辐射时诱发单粒子效应，将导致光学遥感器无法有效成像。航天器上的单粒子效应主要是由重离子和质子引起的，而质子也是通过与半导体材料的核相互作用产生重离子进而由重离子诱发单粒子效应。脉冲激光与重离子诱发机制主要区别在于：

1）电离机制不同。重离子与半导体材料的靶分子或原子发生碰撞电离，形成电子一空穴对；而强激光脉冲则是通过光致电离，产生电子一空穴对。

2）径迹结构不同。离子径迹中，径向电荷浓度在中心强烈峰化并随半径而急剧衰减，低能离子径迹宽度约0.1~0.5μm，而宇宙线中的高能重离子（能量为GeV量级）其径迹宽度可达3μm，中心电荷浓度可达到1 023个/cm3，比典型半导体器件掺杂区的载流子浓度大得多；而聚焦后的激光光斑可以达到l～2μm，其径迹宽度比低能离子大得多，而与高能重离子相当，并且在径向呈高斯分布。

pn结收集电荷环节，脉冲激光与重离子的机制和物理过程是相同的，其中漏斗效应和扩散电荷都在激光模拟实验已被证实。但收集电荷的量会受到径迹结构的影响，因为具有相同LET值的激光脉冲和重离子相比，径迹宽大、中心电荷浓度低，对于高掺杂的半导体器件，如果径迹电荷浓度低于背景电荷浓度（杂质浓度）就不会形成漏斗效应，因此，激光脉冲的等效LET值必须大于一定的阈值（取决于器件掺杂浓度），就能产生重离子的单粒子效应，如图1所示。

图1 激光脉冲单粒子效应Fig.1 Single events effect of laser pulse

2 光学遥感卫星面临的激光威胁分析

2.1 激光武器到靶能量分析

分析激光武器对高轨卫星平台及其光学载荷是否形成威胁，需要计算激光辐照到靶星处光斑或探测器靶面处光斑的功率密度是否超过平台损伤阈值，探测器干扰或致盲阈值等[9-10]。

（1）相机光学增益

相机入瞳处激光光束被相机光学系统汇聚成点光斑，相机入瞳面积与点光斑面积之比被定义为光学增益G，其值为：

式中SD是相机入瞳面积；SP是成像艾里斑面积；βS为成像光斑因子；DS是相机入瞳处光学系统直径；λ是激光波长；f是相机焦距。

（2）到目标处激光光斑直径

波长为λ的强激光武器打击距离L的远程目标时，目标处激光光斑直径d为：

式中Df为激光发射望远镜口径；L为打击距离；fβ为强激光远场光束品质因子。

（3）到目标处激光光斑功率密度

到目标激光光斑功率密度W0为：

式中aτ是大气吸收和波动损耗因子；P0为激光发射功率。

（4）探测器靶面激光光斑功率密度

入瞳处激光光斑经相机光学聚焦、光学衰减后，以点光斑的形式入射到探测器靶面，其功率密度W1为：

式中W0是到靶星处激光光斑功率密度；G是相机光学增益；η是相机滤光片截止深度；τ是光学系统透过率。

2.2 地基激光威胁分析

与传统化学激光器相比，固体激光器和光纤激光器具有小型化、模块化和通用化的性能特点，机动性和可靠性较高，通过增减模块调整激光功率，可装备不同的作战平台，方便高效应对不同层次威胁，数百千瓦级的固体激光和光纤激光器将是紧凑、机动平台战术应用的首选光源。

如果地基激光武器对高轨光学侦察卫星（尤其是光学载荷）形成威胁，需要满足两个基本条件：一是具备对高轨卫星的地基监测和精确跟瞄能力；二是到靶激光功率密度需超过卫星平台损伤或光学相机探测器饱和干扰/致盲阈值。当作战对象为光学相机时，还需同时满足激光器和相机视场匹配原则，即两者相互“对视”。

设激光武器波长1.05~1.1μm、功率0.5MW、激光发射口径3.5m，将地基固体激光武器及高轨卫星相机相关参数带入式（1）-式（4），计算得出到达相机探测器表面的最大激光功率密度，如表3所示。

表3 地基固体激光武器威胁分析表Tab.3 Threat analysis of ground-based solid laser weapon

根据上述分析，地基固体激光武器系统强激光满功率发射时，激光到靶星功率密度为8.9mW/cm2，远小于卫星平台主要部件（除光学相机）的损伤阈值，即使长时间持续照射也不会对卫星平台造成任何影响。但激光束一旦进入可见光相机视场，探测器靶面激光功率密度为4120W/cm2，可实现对探测器的损伤。因此地基固体激光武器系统构成威胁需要以下条件：一是光学相机正在观测激光武器所在区域（即空域条件）；二是激光武器所在地天气条件较好，满足跟踪条件；三是激光武器已跟踪瞄准且正在发射强激光（即时域条件）。地基激光武器暂无手段确定高轨卫星光学相机是否正在观测该区域，只能通过“盲打”方法干扰高轨卫星光学相机，掩护重要目标和防护重要区域。

2.3 天基激光威胁分析

国外天基激光武器研究重点在发展小功率激光武器，搭载在具备侦察功能的灵活机动卫星平台上，平时进行辅助目标侦察，战时逼近至目标卫星，发射强激光损伤卫星本体或致盲、干扰其光电载荷传感器。机动平台能够逼近打击目标星，且对激光器输出功率要求不高，例如：损伤30km处目标星包覆层和太阳能电池板，激光器功率约需39kW（激光功率密度8.0W/cm2），按照每千瓦12kg的质量功率比计算，激光器质量仅需468kg。根据当前激光器发展，假定天基固体激光武器系统典型应用及参数：部署在高轨查打卫星平台上，采用连续波固体光纤激光器，波长1.05~1.1μm，功率100kW，光束品质因子优于2，最大毁伤距离不小于75km。

天基逼近查打类平台能够对卫星目标进行抵近侦察和激光打击，该类平台激光武器威胁能力分析过程详如表4所示（攻击距离按照75km分析）。

表4 天基激光武器威胁分析表Tab.4 Threat analysis of space-based laser weapon

典型天基激光武器机动平台在抵近至目标卫星75km距离处，激光武器投射到目标卫星上的功率密度为41W/cm2，持续照射将造成太阳能电池性能出现不可逆性致命损伤，并烧穿包覆层隔热材料，使卫星失去电力供应，舱体隔热防护功能丧失。如激光进入光学相机入瞳处，将达到探测器的损伤阈值，造成探测器失效。

3 光学遥感卫星的激光防护体制及技术

卫星光学遥感器的薄弱环节为光电探测器，因此在激光束到达焦面前进行大幅度衰减，即可实现高效防护。光学滤波和激光阻断是实现激光防护的有效途径，防护体制主要包括自适应激光防护薄膜、快反微镜阵列等[11-12]。

3.1 激光防护体制及技术原理

（1）自适应激光防护薄膜

常规激光防护薄膜基于线性光学原理，技术相对成熟，缺点主要是防护波段较窄，只对波长敏感而对激光强度不敏感，且防护能力受限于激光入射角度[13-14]。为满足多波段激光防护的要求，国内外相关研究机构开展了多波长负滤光片薄膜技术研究和器件制备，G.A.Murananova等设计并制作了多层光学薄膜，透过波段在320~1 600nm，能同时对355nm、532nm、694nm、1 064nm、1 315nm和1 540nm激光具有防护作用，光密度（OD）大于3，透过率曲线如图2所示。

自适应激光防护薄膜主要是利用材料自身的线性和三阶非线性光学性质，在不同激光强度下产生相应的光学效应，控制目标表面的激光能量密度在安全范围内，从而达到防护目的。

图2 多波长激光防护薄膜透过率曲线Fig.2 Transmittance curve of multi-wavelength laser protective film

基于非线性光学原理的防护材料属于光强防护型材料，该种材料能对波长及光强均敏感，且非线性光学材料的防护波段宽、响应时间快、可见光透过率更高，具备了接收正常信号和防激光致盲这两大功能，以富勒烯C60和金属酞菁材料为典型代表[15]。富勒烯C60分子的化学性质非常活泼，表现出强的反饱和吸收和强的光限幅效应，现己作为一种基准光限幅材料。酞菁芳香共轭体系的大环共轭配合物。具有良好的光、热及化学稳定性、优异的光电性质，在可见光区有较好的吸收以及分子结构的可调节性[16-17]。同时酞菁环可以容纳铁、铜、铝等金属元素生成金属酞菁掺杂聚合物，它是一种典型的有机小分子光电半导体材料，在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且具有极好的化学、热及光稳定性，如图3所示。

另外一种自适应激光防护薄膜VO2基于材料的相变原理，该种材料也有与非线性材料相同的优势，防护波段宽、动态范围大、对波长光强均敏感、能同时兼顾信号与致盲防护功能。VO2从低温半导体态相变到高温金属态后，其中电阻率的变化幅值可以高达104量级，光谱特性由高透陡变为高反，而且其相变快速、可逆[18]。A. Jin P.等利用VO2热变色薄膜和TiO2防辐射涂层制备的多功能智能窗口，具有较高的可见光透过率和防高能激光辐射等功能，透过率曲线如图4所示。对3~5μm、8~12μm波段红外光透过率在70%以上，当遭到敌方中长波红外激光器试图探测或致盲时，可以在纳秒级的时间内实现对红外波段光几乎不透明（透过率小于5%）。

（2）快速转发微镜阵列

快速转发微镜阵列是将光路中的激光反射镜做成数码微镜结构（Digital Micromirror Device，DMD），由传感器获取改变量来控制微机械结构环，通过改变单元结构微镜反射角度和反射时间达到限制进入光电设备的激光强度的目的，有效地抑制了光饱和现象，实现了抗激光辐射光开关的效果。微镜阵列的每个单元则由铁磁性金属光栅和铝电极组成，由铝电极产生的磁场控制金属光栅的闭合，而且阵列中的每个单元可以分别对应探测器上的每个像元，并可以选择性的部分闭合。Gunnar Ritt等将空间光调制及波长多路技术与倾斜的微镜阵列相结合实现对激光的防护，该阵列由13.68μm的微镜单元组成，每个微镜能在+12°到-12°范围旋转，波长范围在420~700nm。如图5所示，当视场中某处出现高能激光时，由检测控制单元调节相应微镜单元的倾斜程度来滤除激光，衰减量达到37dB，能量低的光几乎不受影响。

图3 金属酞菁掺杂聚合物光限幅曲线Fig.3 Optical limiting curve of metal phthalocyanine doped polymer

图4 典型VO2薄膜的高低温透过率曲线Fig.4 High and low temperature transmittance curves of typical film VO2

图5 快速转发微镜阵列示意Fig.5 Schematic diagram fast forwarding micro-mirror array

3.2 激光防护效能分析

激光防护薄膜对于较弱的（在滤光片抑制范围和损伤范围之内）波段外激光有很好的抑制效果，并且相机仍能正常工作；但当激光较强（超过滤光片抑制范围和损伤范围之内）时，波段外激光或由此产生的热辐射进入探测器，将大大降低相机的成像品质（红外相机更为明显）；当激光更强（超过激光防护薄膜抑制范围和损伤范围之内）时，防护薄膜可能会损伤，那将直接影响光学系统的成像品质，甚至无法成像。对于波段内激光，防护薄膜起不到任何防护作用，激光直接进入光学系统参与成像，当光强很强时，正常成像信号将被压制。

通过分析，基于线性光学的激光防护薄膜只能对预定的防护波长起一定的防护作用，对预定防护波长之外的激光，将无能为力，而且对于吸收型防护薄膜，还会因吸收强光产生热效应，对光电探测器产生较为明显的干扰效果。但对于新体制非线性防护薄膜，在较宽的波段内，只要激光强到一定程度，就能自动保护，在激光未达到滤光片破坏阈值之前，防护效果无疑是最好的。

所以为了应对激光武器的威胁，对光学遥感卫星的激光的防护必须具有以下的性能要求：

1）足够宽的防护波段。对于各种波长的激光，都要有足够的衰减倍数。

2）足够低的输出阈值。对于强度很高的入射激光，其输出功率密度和能量应低于光电设备所能承受的阈值范围，以便当强激光入射时，光电设备能够正常工作。

3）足够低的输入阈值。对于相对较低的强入射激光，防护结构能有效响应，输出能量和功率要能够被钳位在所规定的输出能量值以下。

4）弱辐射有较高的线性透过率。在低能辐射下有较高的透过率，以确保光电设备能对信号进行正常的探测和接收。

5）快速响应时间。对脉宽在皮秒或纳秒数量级且重复频率较高的激光能够实现快速的响应。

6）高损伤阈值。受到高强激光的辐射时，防护介质的防护性能不会被高能激光所损。

7）大防护角度。对光电设备大视角范围的入射激光进行有效防护。

4 结束语

随着空间攻防态势日益加剧，光学遥感卫星受到的激光威胁愈加严重，针对大动态来袭激光威胁现已探索出不同的激光防护措施，实现机理上经历了由线性到非线性的发展过程，自适应光限幅防护是一个重要的技术发展方向；从应用方式上，单一方式向通过激光威胁告警转发、光限幅、光开关实现复合防护是重要的发展趋势。