STSS红外传感器探测性能分析

佘二永 彭 灏

中国国防科技信息中心，北京100142

美国计划研制能力更强的新型天基红外预警系统(SBIRS)来取代早期的国防支援计划(DSP)预警卫星系统，SBIRS将由高轨道部分(SBIRS－high)和低轨道部分(SBIRS－Low)组成。其中，SBIRSLow更名为空间跟踪与监视系统(STSS)，其目标是提供足够精确的信息以引导拦截器拦截弹道导弹，同时希望能够提供辨别诱饵和其他假目标的能力，在国家防御战略中居于重要地位。

1 STSS传感器的探测参数分析

资料显示STSS跟踪传感器将工作在以下几个谱段范围［1－2］:可见光、中长波红外(MLWIR)、长波红外(LWIR)。而STSS跟踪传感器为了适应探测太阳下温度约240～500K的目标以及阴影下温度约180K中段目标的需求，其对应峰值波长在5.8～16.1μm，并且资料显示长波将大于14μm，因此，对于STSS中长波红外波段可认为在5～8μm左右，其长波红外波段为8～16μm左右。

1)探测单元尺寸

探测单元尺寸的缩小受到光学衍射限的制约，约15μm中心矩的焦平面像元尺寸通常被认为是中波红外探测器的优值，更加小的像元中心矩实际上已经不能直接分辨图像，而是一种过采样技术［3］。同时，对于采用双波段焦平面的共光学孔径探测系统，长波的探测单元约为中波的一倍。由此，可以设定STSS探测单元尺寸，中长波为20μm，长波为40μm。

2)等效带宽

探测器噪声等效带宽Δf为:

其中，fFm为传感器的帧频，tint为探测元的积分时间。焦平面的积分时间越长，目标与背景像元接收到的辐射能量差值就越大，系统的作用距离也就越大，越易于探测目标。在有关STSS信号处理与目标识别的文献中［4］，帧频设定为60Hz。因此，STSS目标跟踪传感器的噪声等效带宽设定为50Hz。

3)口径

从美国导弹防御系统的天基红外传感器发展来看，DSP卫星的红外传感器口径为60cm，MSX卫星的红外传感器(SPIRIT－Ⅲ)口径为38.63cm［5］。因此，STSS作为小卫星，其红外传感器的口径不会太大，可以设定为40cm。

4)探测率

噪声等效功率密度是决定天基红外系统探测能力的关键因素之一，正确分析探测器的噪声等效功率密度对准确认识STSS的探测能力十分重要。探测器噪声等效功率密度NEFD为:

式中，τ0为光学装置透过率;A0为光学孔径入口的面积(cm2);D*为探测率(cmHz1/2/W);Ad为探测器面积(cm2);Δf为测量电路的噪声带宽(Hz)。

光学透过率在计算中假定2个谱段上光学系统的性能相同，设定为0.7。同时，假设STSS的NEFD相当于MSX红外传感器SPIRIT III的长波红外探测器的NEFD值2×10－18W/cm2，由此，计算得到STSS的红外传感器探测率D*为1.6×1013cmHz1/2/W。另一方面，从雷声公司公布的关于STSS传感器的信息可以看到，STSS传感器采用HgCdTe探测器［6］，其制冷温度为40K［1］，而通过分析40K制冷温度下HgCdTe探测器的探测率理论数据可知，其长波探测率D*约为1013cmHz1/2/W。

2 中段目标红外辐射特性分析

通过对中段弹头与空间环境的热交换计算［7－8］，可以计算得到总段目标的平均温度变化，同时由普朗克定律知，目标在红外波长λ1～λ2的辐射强度为:

式中，c1和c2分别为第一辐射常数和第二辐射常数，ε为目标的光谱发射率，A为有效辐射面积。设定弹头表面涂层红外发射率取0.8，在有效辐射单位面积下的中段目标在150～300K温度下的辐射强度如图1所示，在300K平均温度下弹头中长波5～8μm红外辐射在15W/sr左右，长波8～16μm红外辐射在55W/sr。

图1 中段弹头辐射强度随温度的变化

3 STSS探测能力分析

一般地，传感器跟踪目标所要求的最低信噪比S/N≥3;当探测概率Pd=97%，虚警概率Pfa=1%时，所需目标信噪比为S/N=16。而对宇宙深空为温度约4K的冷背景，其对应的峰值辐射波长约为724.5μm，当传感器的工作谱段为5～16μm时，深空冷背景在红外探测器上产生的辐射很小，可忽略不计。STSS目标跟踪传感器探测距离计算结果如表1所示，图2和图3分别给出了SN=3与SN=16条件下的探测距离随温度的变化曲线。

表1 STSS目标跟踪传感器探测距离计算结果

已公布的有关STSS的长波红外传感器的预期性能数据显示［5，9］:能够有效探测到1亿km，辐射为6×108W/sr的小行星。对此，假设对于小行星的探测信噪比为3，则计算得到其长波对于55W/sr的中段目标有效探测距离为30000km，这与我们预估得到的24000km性能相当。同时，从探测的几何关系上分析，STSS在40～100km以内的临边高度下，对于最大飞行高度1800km左右的中段目标，其最大探测几何距离在10000km左右，这也从另一方面验证了我们分析的其对温度在300K的中段目标可靠探测距离为10000km。

4 小结

2颗STSS技术演示验证卫星已成功送入1350km高度、58°倾角的预定轨道，并演示验证了针对弹道导弹飞行全过程的监视与跟踪能力。美国导弹防御局正准备开展“精确跟踪与监视系统”(PTSS)计划，PTSS并不单纯是STSS后续计划，将追求获得小型化和可重构能力，因此，计划放弃助推段喷焰目标的捕获能力，而只设计为跟踪中段目标的功能以降低研发价格与风险。随着PTSS逐步建成，美国弹道导弹防御系统的作战效能将提升到一个前所未有的高度。

［1］ Space Tracking and Surveillance System(STSS)Block 06 Sensor Suite［EB/OL］.www.raytheon.com.

［2］ Space Tracking and Surveillance System Demonstrators Birth to Death Ballistic Missile Tracking［EB/OL］.www.northropgrumman.com/aerospacesystems.

［3］ 何力，杨定江，倪国强，等.先进焦平面技术导论［M］.国防工业出版社，2011.

［4］ J.Korn，H.Holtz，M.S.Farber.Trajectory Estimation of Closely Spaced Objects(CSO)Using Infrared Focal Plane Data of an STSS(Space Tracking and Surveillance System)Platform［C］.Proceedings of SPIE，2004，(5428):387-399.

［5］ 胡劲松.天基红外系统-低轨卫星的测量与识别能力［J］.863先进防御技术通讯(A类)，2000，(3):28-35.

［6］ High-Definition Infrared Focal Plane Arrays Enhance and Simplify Space Surveillance Sensors［EB/OL］.www.raytheon.com.

［7］ 佘二永，马红妹，等.弹道导弹中段监视与跟踪仿真系统设计［J］.航天控制，2007，(2):68-72.(She Eryong，Ma Hongmei，et al.Design of Midcourse Surveillance and Tracking Simulation System for Ballistic Missile［J］.Aerospace Control，2007，(2):68-72.)

［8］ 姚连兴，侯秋萍，罗继强.弹道导弹中段目标表面温度与红外突防研究［J］.航天电子对抗，2005，(2):5-6.

［9］ 佛显超，范宏深.空间跟踪与监视系统探测能力分析，探测与控制学报［J］.2009，(31):49-53.(Fu Xianchao，Fan Hongshen.Analysis of Detection Capability of the Space Tracking and Surveillance System［J］.Journal of Detection＆Control，2009，(31):49-53.)