星载激光告警与面目标激告警组网技术

２００２年８月　现代防御技术　ＭｏＤＥＲＮ　ＤＥＦＥＮＣＥ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　Ａｕｇ．２００２　ＶｏＩ．３０　Ｎｏ．４　第３０卷第４期　星载激光告警与面目标激光告警组网技术　付　伟　（信息产业部东北电子技术研究所，辽宁锦州　１２１０００）　摘　要：随着激光武器技术的迅速发展，美、俄两国多次进行激光反卫星试验，卫星面临的激　光威胁已日趋严重，进行星载激光告警技术研究势在必行。保护面目标是激光对抗的一道难题，　目前，国外正在研究基于现有激光告警技术，并结合软件处理技术的面目标激光告警组网技术。　文章对星载激光告警和面目标激光告警组网技术作了分析。　关键词：星载；激光告警；面目标；激光告警组网　中图分类号：ＴＪ９５７；ＴＮ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—０８６Ｘ（２００２）０４—００４１—０５　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｂｏｒｎｅ　ｌａｓｅｒ　ｗａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　ａｒｅａ　ｔａｒｇｅｔ　ｌａｓｅｒ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＦＵ　Ｗｅｉ　（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ，１２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗｅａｐｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕ．Ｓ．ａｎｄ　Ｒｕｓｓｉａ　ｈａｖｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ　ｍａｎｙ　ａｎｔｉｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｂｏｒｎｅ　ｌａｓｅｒ　ｗａｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｔｈｒｅａｔ　ｔｏ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｄｉｉｃｕｌｆｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｏ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ａｒｅａ　ｔａｒｇｅｔ．Ａｒｅａ　ｔａｒｇｅｔ　ｌａｓｅｒ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｌａｓｅｒ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗａｍｉｎｇ　ａｎｄ　ａｒｅａ　ｔａｒｇｅｔ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈ－　ｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｂｏｍｅ；Ｌａｓｅｒ　ｗａｒｎｉｎｇ；Ａｒｅａ　ｔａｒｇｅｔ；Ｌａｓｅｒ　ｗａｍｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　１　引　言　为了争夺制太空权，美、俄双方在积极发展军用　卫星技术的同时，也在大力发展反卫星武器，并均已　具备了不同程度的激光反卫星能力。前苏联最先开　始研究反卫星激光武器，并且已经在１９７５年和１９８１　美国从２０世纪８０年代起进行反卫星激光武器　的研制与试验，尤其以美国陆军在１９９７年ｌＯ月进　行的激光反卫星试验最为引人注目，因为试验攻击　的目标是即将报废的ＭＳＴＩ一３卫星，使试验更具有　实战效果，而且采用高低两种不同能量的激光器多　次照射卫星，取得了极有价值的试验数据。美国空　军在参与地基反卫星技术研究的同时，也在积极进　行空基反卫星激光武器的研究。　年成功进行了陆基激光武器致盲侦察卫星的试验。　俄罗斯继承并发展了前苏联的激光反卫星技术。　＊收稿日期：２００１．１１－０５；修回日期：２００２．０２—１８　作者简介：付伟（１９５５一），男，辽宁锦州人，研究员，学士，１９８２年毕业于天津大学激光专业，长期从事电子对抗技术研　究工作。出版专著一部，主编三部，在国内外期刊和学术会议上发表论文３００余篇。　通信地址：１２１０００辽宁锦州３１信箱ｌ９分箱　电话：（４１０６）２８２８９９３（０）Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｕｗｅｉａ＠１６３．ｎｅｔ　维普资讯 http://www.cqvip.com

・４２・　现代防御技术　２００２年第３Ｏ卷第４期　随着激光武器技术的迅速发展，卫星可能受到　的激光威胁已日趋严重，进行星载激光告警技术的　研究势在必行。　所谓面目标，是指２～６　ｋｒｎ２的地域目标，它既　最根本方法。太空中，环境温度在一１７０～一１９５ｃｃ，　卫星太阳能电池板张开面积约十几平方米。当硅光　电池帆板受到激光照射后，局部位置由于热效应而　急剧升温，表面材料温度在几秒内升高到数百度，其　温度冲击速度将超过材料承受能力而受到破坏。　（３）卫星热控制系统对抗　激光破坏卫星热控系统也是一种可能的卫星对　可以是军事指挥所、发射阵地、码头、弹药库、地下工　事、机场、大型战舰等重要的军事目标，也可以是发　电站、水库、桥梁、港口这些重要的民用区域。　由于军用激光器束散角小，所以目前生产的激光　告警设备的警戒半径较为有限。按照目前的技术水　平，若在３　ｋｒｎ２地域范围进行激光告警，可能需要在　该区域内安装上百个告警天线。在这种情况下，天线　抗途径。按照目前的卫星热控制设计情况，当卫星　受到强激光的照射后，将容易产生热管理失控现象，　从而导致卫星的部分功能或全部功能失效，失去原　有的作战效能。　热控制技术是卫星设计中的一个关键因素，通　系统十分复杂，信号处理会有相当大的难度，实时性　差，并极易造成虚警和漏警，最终无法实现对面目标　的有效保护。所以，保护面目标是激光对抗的一道难　题，目前，国外正在研究基于现有激光告警技术，并结　常是通过对表面材料吸收率和发射率的合理控制，　使卫星对太阳辐射吸收和再辐射达到平衡。一般来　说，必须使卫星内部温度保持在很窄的范围内，以保　护功能系统。对热控制表面造成足以改变其吸收率　合软件处理技术的面目标激光告警组网技术。　２强激光干扰卫星的机理　低轨道侦察预警卫星轨道在４００～１　０００　ｋｍ左　与发射率的损伤，将导致破坏性的温度偏差，使卫星　发生故障。　右，强激光是其主要威胁源。陆基反卫星激光武器　可对卫星上的特定瞄准点进行精确射击，并累积足　３星载激光告警技术［１］　３．１星载激光告警系统的组成　星载激光告警系统包括光学接收、光电传感器、　够的能量使卫星上的关键部件失效，或因热损伤而　受损或被摧毁。当激光器与卫星上的光学传感器工　信号判别处理、地面通信等。光学接收部分由一系　列光学镜片组成，用于接收激光信号，限定探测空　作波长相同，并且激光束位于传感器视场内时，传感　器就可能由于饱和或热损伤而遭到暂时致盲或彻底　破坏。　间。光电传感器采用常温碲镉汞器件（探测波长１　～１１，ａｍ），可以保证有效告警并降低系统组成的体　强激光主要以３种方式干扰卫星：一是干扰或　积、质量。信号处理部分完成信号识别、信号接口处　理等功能。地面通信系统为卫星有效载荷之共用系　统，激光告警系统具备与其通信的接口。　激光告警系统的反应时间为毫秒量级。激光反　卫星武器的照射时间一般在ｌ～１００　ｓ，而对星载光　致盲星载光电传感器；二是破坏卫星太阳能电池；三　是破坏卫星热控系统。　（１）干扰或致盲光电传感器　低轨道侦察预警卫星一般都采用红外摄像机和　ＣＣＤ摄像机对地面红外目标和可见光目标进行侦　察。红外摄像机的工作波段通常是３～５Ⅱｍ和８—　１２肛ｍ，ＣＣＤ摄像机一般工作在可见光波段。采用脉　冲ＣＯ　激光器或ＤＦ化学激光器是干扰星载红外传　感器的有效手段；采用脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光器是干扰　电传感器致盲需照射１～１０　ｓ，对卫星上的太阳能电　池板等造成永久性热损伤照射时间需达几百秒，因　此，告警反应时间能满足激光防护系统的要求。　星载激光告警的作用是：当卫星受到激光攻击　时及时给出告警威胁信号，以使卫星防护系统有足　够的时间采取必要的防护与对抗措施，保护卫星免　星载ＣＣＤ摄像机的有效手段。　（２）破坏供电系统　采用激光破坏卫星太阳能电池板是对抗卫星的　受破坏；同时将卫星受到激光威胁的信息送到地面　接收站，判断威胁程度及威胁来源，以采用必要的军　留现代Ｐ＇２ｒ－Ｉ￣技术・探涮跟踪与目标环境特性司　维普资讯 http://www.cqvip.com

付伟：星载激光告警与面目标激光告警组网技术　・４３・　事或外交手段与其对抗。　星载激光告警系统安装在卫星易于受到反卫星　激光攻击的部位，其探测方向指向地面。由于激光　反卫星武器受设备质量和能量补给等条件制约，目　前还无法实现以天基平台装载，但作为一种潜在的　对卫星攻击平台，天基反卫星技术正在迅速发展。　带射频辐射不会造成虚警；能够对电磁干扰引起的　虚假信号进行校正。　ＳＴＷ／ＡＲ技术计划是为满足美国空军保护美国　空间系统的需要而制订的。该计划主要提供操作原　理，规定潜在系统原理，并研究相关的技术计划。　ＳＴＷ／ＡＲ计划的第一个目的是研究探测、识别、　因此，星载激光告警系统的探测范围不仅是地面，也　要考虑天基目标。　定位、描述和记录空间各种威胁的技术；第二个目的　是研制小型、低功率的射频传感器和激光传感器。　这些目的将通过在空军研究实验室的空间试验实　由于反卫星激光武器的辐射强度大约从１～１０　Ｗ／ｃｍ２，因此其可探测性不会成为问题，而且还需要　采取一定的能量衰减措施，防止探测器件产生饱和　现象。美国１９９７年１０月１７日前后进行的震惊世　现。采用先进的射频传感器与激光传感器来降低主　卫星的功率和质量是研究的主要目的。ＳＴＷ／ＡＲ技　术计划包括测试这些新技术和新技术性能的多次空　间试验。　３．２．２　ＳＴＷ／ＡＲ的系统设计　界的激光反卫星试验，试验结果证实未对卫星传感　器造成损伤，但出人意料的是低功率激光却能使光　电传感器饱和，所以在星载光电传感器上采取抗饱　和措施非常必要。如使用光学开关型激光滤镜来保　护探测器，还可在探测器上安装一个快速光栅。　星载激光告警主要是判断激光威胁的有无，不　一ＳＴＷ／ＡＲ系统包括光电传感器，数据收集／处理　硬件和处理软件，通讯硬件和相关的支持系统。　ＳＴＷ／ＡＲ系统的具体组成要根据主空间飞行器所需　的分系统部署情况而定。　ＳＴＷ／ＡＲ最普通的部署方式是沿载荷部署，但　还有几种方式：搭接载荷、加进载荷、微型悬浮卫星　和自主飞行的微型卫星。　定要分辨激光来袭的方位，可采用固定视场、凝视　型探测体制。由于激光告警器部署在空间，要考虑　宇宙射线对告警系统的损害。由于激光告警器长时　间警戒整个空间，宇宙射线也是造成虚警的重要因　素。为了降低虚警，告警器必须采用多元相关探测　技术。　以组合选项方式部署的ＳＴＷ／ＡＲ传感器比单独　选项方式部署的ＳＴＷ／ＡＲ传感器提供更为可靠的告　警网络。　３．２．３　ＳＴＷ／ＡＲ的激光传感器设计　３．２美国的“卫星受威胁与攻击告警”（ＳＴＷ／ＡＲ）　系统研究计划　３．２．１　ＳＴ　／ＡＲ的用途　Ｓａｎｄｉａ国家实验室的ＳＴＷ／ＡＲ项目重点是研制　与评估下一代激光传感器。由于地面激光器能对各　种星载传感器产生威胁，所以研制的传感器能为各　种主卫星提供ＳＴＷ／ＡＲ性能。计划重点不仅放在传　感器性能上，而且放在最小化、质量轻和低能耗方　由美国空军航天司令部发起，空军研究实验室　与利顿公司、洛斯阿拉莫斯和圣地亚国家实验室等　单位联合，正在开展研制“卫星受威胁与攻击告警”　（ＳＴＷ／ＡＲ）系统的高度保密计划。ＳＴＷ／ＡＲ计划利　用星载传感器探测、识别对卫星的射频和激光干扰，　侦察其特征，向卫星地面站告警并作出反应。地面　站的专家可以立即识别出攻击的类型，并估算其受　影响的程度。　面。Ｓａｎｄｉａ国家实验室已经研制出星载激光传感　器，但是它太大，不满足实战需求。现在需要重约　２．２７　ｋｇ的激光传感器，耗电量应为１０　ｗ左右。　传感器的任务是探测、定位和描述指向所保护　目标的威胁。一方面，激光传感器必须能探测到低　这项计划包括：体积小、质量轻、功耗低并可以　集成进小型接收器的新型激光传感器；研制信号处　理器及算法；进行在轨性能演示。对ＳＴＷ／ＡＲ系统　于损害的能级；另一方面，传感器应该能在引起损伤　的激光辐射中得到有效保护。这是通过安装一个快　速光栅来保护激光传感器的。　对于短脉冲损害级别以Ｊ／ｃｍ２表示。实验数据　的要求是：确保低的虚警率；飞行器放电导致的宽频　眄现代防御技术・探测跟踪与目标环境特性嗣　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　４４　・　现代防御技术　２００２年第３０卷第４期　表明：一台普通探测器的损害级别为１　０００　Ｗ／ｃｍ２　（连续波激光照射）和１　Ｊ／ｃｍ２（短脉冲激光照射）。　为了保证使用的需要，探测器应能满足相关波　光告警设备，如美国海军航天和海上作战系统中心　正在开发的舰载激光捕获系统，这是第一种能安装　在大型水面舰艇上的激光告警设备；另一方面也在　段的探测要求。选用冷却的探测器能大大改善红外　探测器的性能，但会增加能量和质量的消耗。在选　用未冷却的探测器阵列时，由于探测器探测能力和　研究在现有激光告警技术基础上结合软件处理技术　的面目标激光告警组网技术。　这种面目标激光告警组网系统就是在面目标区　在可见光波长对探测灵敏度的需求，所以应采用双　波段探测体制。　域内根据实际需要分布设置多个激光告警单元，所　有这些激光告警器的工作情况都由一个监控中心进　行监控；监控中心负责启动／关闭每个告警单元，并　完成告警器之间的协调控制。当激光威胁出现时，　在面目标上的激光告警器立即将威胁信号截获，并　采用的Ｓａｎｄｉａ激光传感器将使用一个千赫兹的　集成传感器。一个探测器能探测脉冲和连续波激光　信号，而双探测器将能覆盖从红外到可见光波段。　当探测到连续波信号时，通常采用配有斩光轮　来人工调制输入信号。原来的Ｓａｎｄｉａ设计是采用一　个斩光探测器和一个未斩光的探测器探测连续波与　将其传送至监控中心，监控中心对威胁信号进行及　时、准确的综合分析，判断出激光威胁的类型、方向　等重要的信号特征，发出告警信号，并将分析结果传　递给指挥中心作为进一步决策的依据。　每个告警单元还应具备独立、完整的告警功能，　这样，当面目标激光告警组网系统发生故障时，告警　单元也可以对其警戒范围内的点目标起到较为有效　的保护作用。　脉冲激光。为了使质量最小，新研制的传感器只采　用一个斩光探测器。可是，由于在一半时间内传感　器接收不到输入脉冲，所以无法用一个斩光系统探　测连续波和脉冲激光信号，所以还要应用机电装置　来连续检测连续波和脉冲激光信号。　由于来自阳光反射和红外辐射的地球背景光使　探测器的探测级别难以达到极低，因此需要采用光　电背景抑制技术。　可考虑用一维阵列和二维阵列，二维阵列可以　５　面目标激光告警组网系统的关键技　术　建立面目标激光告警组网系统需要强大的硬件　和软件技术的双重支持。硬件技术方面，面目标激　光告警组网系统的告警单元为降低虚警率和提高探　测灵敏度，应采用先进的虚警抑制技术；为实现对多　种激光威胁源的告警功能，应采用先进的多波长告　获得更多的有效信息，但是需要质量和能量补偿来　支持大量的图像处理系统。目前的传感器设计采用　两个线性阵列或３个线性阵列来探测与定位连续波　源和脉冲源。　目前采用一套可见光阵列和一套红外阵列来覆　盖可见光到红外波段，这两种传感器各自独立工作，　信号处理方式基本相同。每个阵列以一维线性的形　式定位地面上的激光威胁。但是，先前进行的轨道　警技术；为提高告警系统的生存能力，必须解决告警　单元探测器的激光防护问题；监控处理中心还应具　有多目标多批次的硬件处理能力。　软件技术方面，需要较高的威胁信号的综合分　析能力、数据融合能力以及快速的数字处理能力。　面目标组网告警与单个激光告警器告警的最大　差别是组网系统要对来自面目标区域内各个告警器　的告警信号再次进行综合的处理、分析和识别，最后　判断出激光告警威胁源的类型和信号特征。这就要　激光传感器试验表明，要达到所要求的低虚警率，灵　敏度高的系统需要一个三维阵列。因此，尽管增加　了质量和能量，最终的激光告警系统将采用一个三　维阵列方式。　４面目标激光告警组网系统的工作方　式　］　国外一方面在研制先进的能警戒较大范围的激　求组网系统的软件处理具备多传感器数据融合技　术。当激光威胁信号被面目标区域内的告警单元捕　劈现代防御技术・探测跟腺与目标环境特性啊　维普资讯 http://www.cqvip.com

付伟：星载激光告警与面目标激光告警组网技术　・４５・　获后，这些告警单元立即将各自的告警信号传送到　数据处理系统，相关处理后的数据作为最终的告警　信息显示出来。　面目标激光告警组网系统的多传感器数据融合　数特征。借助这个数据库，可以将截获的激光信号　特征与之对比，从而准确识别威胁信号的类型和特　征参数。　ｂ．导弹数据库　该库包括各种激光制导导弹、炮弹、炸弹的性能　技术，主要是多路告警信息的相关处理与信号识别。　（１）告警信号相关处理　各告警单元发出告警信号以后，需要对来自面　目标内各个告警器的信息进行相关处理，才能从复　杂、多变的激光信号中提取出更为精确、有用的数　参数。在准确识别激光威胁源信号特征的基础上，　识别来袭导弹，进行有效对抗。　ｃ．作战平台数据库　在建立激光威胁源和导弹数据库的基础上，还　据，作出正确的识别。大量数据的相关处理既要保　证处理结果的尽可能精确，又要满足高技术战争的　需要而尽可能快，这就要求研究并采用先进的激光　告警信息相关处理与识别的算法。　（２）信号的识别　为了能够准确识别激光威胁源并及时采取有效　可以建立一个作战平台数据库，从而进一步对作战　平台进行确认，为采取对抗措施提供依据。　［参　考　文　献］　［１］Ｊａｎｅ　ｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｉｎｃ．ＪＡＮＥ　Ｓ　ＲＡＤＡＲ＆ＥＷ（１９９９　～２０００）［ｚ］．Ｌｏｎｄｏｎ，２０００：１２４—１３０．　的对抗措施，应该建立起与激光威胁相关的一系列　数据库为信号识别的依据，如：　ａ．激光威胁源数据库　该库包括现今的各种军用激光器的激光脉冲参　［２］　Ｗｉｌｍｏｔ　Ｄ　Ｗ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｈａｎｄ—　ｂｏｏｋ：Ｃｏｕｎｔｅｍｅａｒｓｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．Ｖｏｌｕｍｅ．７，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：　ＳＰＩＥ　Ｐｒｅｓｓ，１９９３：１６５—１７３．　［简　讯］　ＥＶＯＣ　ＥＩＰ系列产品进入军事领域　ＥＶＯＣ（研祥智能股份公司）经过多年的市场考验，终于让自己的ＥＩＰ产品在军事领域的应用占据了重要　地位。目前，ＥＶＯＣ已经为军事领域多家单位提供了解决方案，包括航空器材库房计算机综合监测、导弹远　程测控、鱼雷测试设备计量、网络式军用机场供油控制、军用车载雷达自动测试、基于集群通讯的飞行监控　等系统解决方案。　在越来越讲究军队建设现代化的今天，军用测控技术的要求也越来越高。商用计算机虽然在价格上略　显优势，但其使用的条件相对来说不太适应军事领域的应用环境。各种军事装备必须能够承受各种极端恶　劣环境：高温、低温、潮湿、多尘、电磁、振动、辐射等。ＥＶＯＣ　ＥＩＰ系列产品正是有针对性的为军事领域设计，　具有耐高／低温、潮湿、多尘、电磁、振动、辐射等性能，另外，ＥＶＯＣ　ＥＩＰ产品还具有特有的配置灵活性、维护方　便性、易扩展和延伸性，更适合在各种武控设备研制阶段和装备军队时的使用。目前，ＥＶＯＣ　ＥＩＰ系列产品以　通用化、模块化、智能化、标准化、数学化、网络化为特点，成为军用ＡＴＥ首选解决方案，并在国际上得到了迅　猛发展。　（屈晓燕供稿）　劈现代防御技术・探测跟踪与目标环境特性莉