日盲紫外探测技术的军事应用

鲜 勇，赖水清

(1.海装武汉局，湖北 武汉 430064； 2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

日盲紫外探测技术的军事应用

鲜 勇1，赖水清2

(1.海装武汉局，湖北 武汉 430064； 2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

论述了日盲紫外探测的原理、作用及系统组成，重点对日盲紫外探测技术在导弹逼近告警、通信、海上搜救、无人机自动着舰导引等军事方面的应用进行了分析研究。

日盲紫外探测；军事应用

0 引言

自然界中，太阳是最强烈的紫外光辐射源。当太阳的紫外光通过大气时，0.24μm～0.28μm波段的紫外光被大气中的臭氧层强烈吸收而难以到达地球表面，从而形成太阳紫外光在近地表面的盲区，人们通常称之为日盲区，而波长在 0.24μm～0.28μm之间的紫外光称为日盲紫外。如图1所示[1]。

太阳是最典型、能力最强的自然光源，其光谱覆盖了从极远紫外到远红外的整个光谱区，它会直接或间接地产生大气背景辐射，对近地面工作的光电探测系统造成严重的背景干扰。这种干扰除了会增加系统信号处理的负担，还会使系统产生虚警。日盲区的存在为近地表面工作于该波段的系统提供了天然的“保护伞”。当系统进行对空目标探测时，避开了最强的自然光源，系统在背景极其简单的条件下工作。这就降低了系统的信号处理难度，为系统高速采集紫外光信息提供了方便。

日盲紫外光与可见光和红外光相比，具有目标特征明显、抗干扰能力强、选择性好等特点。20世纪后期，随着光探测技术的发展，日盲紫外探测技术愈来愈受到重视，并在刑侦检测、医学、生物学等多个领域得到应用，同时其军事应用价值也越来越受到关注。美国等军事强国已将日盲紫外探测技术成功应用于导弹逼近告警、通信、海上搜救、着陆等方面。

图1 紫外日盲区示意图

我国日盲紫外探测技术在理论研究与实际应用方面与国外都有较大的差距，欣喜的是已经开始重视日盲紫外探测技术的研究，科研投入也比以前有了大幅度的提高，正在船舶破雾引航、森林火情告警、电网安全监测、海上搜救等方面得到应用。

1 日盲紫外探测系统

日盲紫外探测系统的主要任务是探测目标的日盲紫外信号，对信号进行处理后输出目标的相关信息。如图 2所示，一个典型的日盲紫外探测系统通常由信号探测单元、信息处理单元和结果输出单元三部分组成。

图2 日盲紫外探测系统结构

日盲紫外滤光器是保证探测系统不被非日盲波段光信号干扰的关键元件。滤光片一般有干涉型滤光片和吸收型滤光片两种。从国内外的技术现状来看，干涉型滤光片不能满足通信需求。如国内最好的紫外干涉滤光片在正入射时，背景光抑制效果为10～5，离满足通信应用还差3～4个数量级。要提高抑制效果，就必须牺牲透过率。当满足抑制效果时，透过率太低。吸收型滤光片具有杂光截止度深、与入射光角度无关的优点，特别适合紫外光通信既需要深截止、又要求较大视场的要求。由于国外高性能的吸收型紫外滤光片禁运，国内开展了基于有机染料、滤光薄膜、纳米多孔玻璃等多种材料的探索和研究，自主研制出了高性能日盲紫外滤光器件[2]。

日盲紫外探测系统是以探测目标的日盲紫外信号为基础，这必然要求其光学系统在日盲型紫外波段有较高的透过率。普通玻璃对日盲紫外光有很强的吸收作用，无法满足系统要求；而紫外光学石英玻璃(用氢氧焰熔化高级水晶粉料而成的光学石英玻璃)，在日盲紫外波段的平均透过率超过 60%，在 253.7nm处更是超过 90%。

对日盲紫外探测系统而言，探测器件的优劣直接影响系统的性能。一个优良的日盲紫探测器满足以下几个条件：对日盲紫外波段以外的光线不敏感，具有较高的量子效率、较大的动态范围、较低的噪声和较强的信号放大能力。日盲紫外探测系统按其探测器件类型可分非成像型探测系统和成像型探测系统两种。前者的探测器件为光电倍增管等单元器件，后者的探测器件为电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)等成像器件。自1970 年美国贝尔电话实验室研制成功第一只CCD以来，光电成像器件不断发展，随着微通道板(micro-channel plate，MCP)和紫外CCD技术的不断成熟，出现了图像增强CCD(ICCD)、背向照明CCD(BCCD)和电子轰击CCD(EBCCD)等多种可用于紫外探测成像的CCD器件。

2 导弹逼近紫外告警

导弹逼近紫外告警是在“日盲区”搜集导弹紫外辐射信号，实施探测和识别，显示其方位角并发出警报，在多重威胁出现时，进行威胁等级排序，提出对抗决策建议。典型的导弹逼近紫外告警系统包括紫外探测单元、信号处理单元和显示/控制单元，如图3所示。

紫外探测单元通常包括四个或六个紫外传感器，组合起来构成全方位、大空域的覆盖(例如360°×92°范围)，每个传感器均以凝视工作体制收集紫外辐射，经光电转换和多路传输把信号送至信号处理单元。信号处理单元先对信号做预处理，再送入计算机做统计判决，确定有无威胁源。若有，则解算其方位角，并向显示/控制单元发送信息；若有多个威胁源，则还要排定威胁程度的次序。显示/控制单元在接收信息后，以声、光或者电信号报警并显示目标信息，同时启动相应机构实施抗御[3]。

图3 导弹逼近紫外告警系统的结构图

自1987年美国洛勒尔公司成功研制出世界上第一台导弹逼近紫外告警系统以来，由于其具有虚警低，不需低温冷却，不扫描，告警器体积小和重量轻等优点，各国以它作为新的竞争领域，不断推陈出新，其告警体制也已历经了两代技术革新。

第一代产品基本上都是以单阳极光电倍增管作为探测器件，虽然具有体积小、重量轻、低虚警和低功耗的优点，但同时也存在着角分辨率低、灵敏度不高等缺点。美国的AN/AAR-47 型导弹逼近紫外告警系统为第一代导弹逼近紫外告警系统的典型代表。以色列的“吉它-300”、“吉它-320” 型导弹逼近紫外告警系统和南非的MAW型导弹逼近紫外告警系统也在此列。

第二代产品以面阵器件为核心探测器，具有角分辨率高，探测能力强，可对导弹进行分类识别并能引导定向红外对抗光束的特点，具有优异的技术性能和较好的态势估计能力。这类告警系统的探测器采用256×256或512×512等像素的面阵器件组合，以大视场、大孔径对空间的紫外信息进行接收，实现光电图像的增强、耦合和转换，经计算机处理后作出有无导弹威胁的判断；还能将具威胁的导弹以点源的形式表征在图像上，通过解算图像得出导弹在空间的相应位置，并进行距离的粗略估算。主要产品有美国西屋公司的AN/AAR-54、AN/AAR-60 型导弹逼近紫外告警系统和利顿公司的AMAWS型导弹逼近紫外告警系统，德国宇航公司的“米尔兹-2”(MILDS-2)型导弹逼近紫外告警系统。

3 紫外通讯

紫外通信的波段范围一般选择在日盲区域，具有灵活、难以截获、抗干扰性强等特点，并具备一定的非视距通信能力。其技术特点、器件发展情况以及应用领域，在各国都还是一个比较新的研究方向，普遍处于探索和研制阶段。

图4 AN/AAR-54型导弹逼近紫外告警系统实物

3.1 日盲紫外通信的特点

1) 抗干扰能力强

一方面，紫外线在大气层中受到臭氧层和氧气的吸收，使得近地表面的紫外线干扰很少，散射的作用也使得近地表面的紫外线以均匀方式分布，反映在接收端为直流的电平信号，从而可以利用滤波的方式去除这些背景信号；另一方面，由于紫外线衰减较快，所以第三方也不能在远方对本地施行紫外干扰[4]。

2) 保密性高

一是低窃听率：紫外线在传输过程中由于大气分子、悬浮颗粒的吸收和散射作用，能量衰减得很快，因此是一种有限距离的无线通信；在通信距离以外，能量已衰减消失，使得采用高灵敏度的紫外线探测器也不易窃听。二是低位辨率： 紫外线是不可见光，所以肉眼很难发现信号源的方位；紫外线又是以散射的形式向四面八方发射信号，因而很难从这些散射信号中判断出信号源的所在位置。

3) 全方位全天候工作

紫外通信主要是利用了紫外线的散射能力，在以光源为中心的有效半径内都可以接收到通信信息，不会像激光那样具有强烈的方位性。日盲区域内太阳的近地辐射微弱，因而即使在白天也不会有太大的干扰信号。季节、海拔高度、气候、能见度等因素的影响和太阳辐射的影响一样，在特定的时间和地点都可以看成是一种低频的背景信号，可以很容易地用滤波器去除。

4) 实现非视距通信

这是紫外光通信相比激光通信而言一个非常突出的优点。激光通信由于是直线距离的通信，在信道通路中不能有障碍物；而紫外线由于具有较强的散射作用，从而可以以非直线的方式传播，自然也就可以绕过障碍物而实现非视距通信。

3.2 日盲紫外通信存在的问题

1) 通信速率有待提高

日盲紫外通信是低速率的通信系统，但是通信业务要求在很短的时间里传输大量的信息，有时还要求传输高信息量的视频和图像信息，日盲紫外通信目前无法满足这些需要。日盲紫外通信的低速率传输性还成为制约语音实时通信的瓶颈。要实现实时的语音通信，比较适用的编码方法是混合编码。然而，混合编码的运算复杂度最高，普通的处理器难以实现实时处理，就需要寻求一种具有优异性能的处理器进行编解码运算处理。语音的有效压缩技术是另一个难题。要实现语音的有效压缩，既要使其压缩比大，满足低速率实时通信的需要，又要在一定程度上保证语音的质量，这就成为一个相互矛盾的问题。如何在两者折中，需要根据系统的需要来选取算法和实现方案。

2) 通信距离需要扩大

紫外线具有强烈的吸收特性，使得紫外线的传播范围不会太大，通常不会超过5km的半径范围。紫外线的这一特性可以使局域范围的通信内容不泄露给在远方监听的第三者，实现保密通信，但也限制了日盲紫外通信的通信距离。增强紫外光发射的强度，可以增加紫外光通信距离。可以设置紫外光通信中继点，就像无线发射塔一样，把接收到的信号倍增后发射到另外的中继点，延伸通信的距离，实现日盲紫外通信高保密性和远距离传输的有机结合。

3) 要求新的调制和解调手段

利用日盲紫外光代替无线电作为传输介质，其调制和解调的手段和传统通信系统有着很大的区别。传统通信系统是将基带电信号激发射频电路，产生出无线电信号；而日盲紫外通信系统却需要用基带电信号激发出光信号，以满足通信的需要。常用的电光调制技术都不太适合日盲紫外通信的要求，要建立实用的日盲紫外通信系统必须采用一种全新的调制和接收方式。

4 海上搜救

在海上搜救活动中，救援时间是一个非常重要的指标，而就目前的海上搜救案例来说，大部分的搜救时间都花费在了寻找遇险人员的位置上。因此，对遇险目标迅速、精确地探测定位就是决定搜救工作成败的关键。

尽管已有各种海上搜救技术(如表1所示)，但当定位范围已缩小至数千米范围内时，考虑到环境的复杂性，迅速、精确地找到落水人员依然十分困难。由于海上搜救领域的要求较高，对海上搜救技术的需求也越来越高，尤其是在复杂环境下对精确性、时效性、安全稳定性方面有跨越式创新的产品需求更为迫切。

表1 各种海上搜救技术性能比较

定位技术的另一个发展方向是成像技术。成像技术是一种直观可靠、可以迅速对遇险目标进行形象直观定位的技术。

日盲紫外波段由于地表不存在任何背景干扰，可全天时、全天候被探测，因此系统可轻松获得海上搜救目标位置，是海上搜救的最佳光学手段。美国雷神公司于2010年申请了使用日盲紫外信号进行海上搜救的发明专利，该专利是通过在救生衣和漂浮物上安装日盲紫外信标光源的方法，在遇险人员落水时打开光源，之后救援人员在搜救船或飞机上使用日盲紫外成像器件成像，定位遇险人员。

目前国内相关单位也开展了相关研制工作，进行了物理仿真实验。图5所示为实验实时数据截图，验证了紫外探测器的性能以及图像解算算法的可行性等，取得了良好的效果。

图5 实时图像采集与解算

日盲紫外搜救系统主要由两部分组成，分别为信标和成像仪。

信标的作用是提供日盲紫外光信号，供日盲紫外成像仪对其成像。日盲紫外信标可放置在救身衣肩上或漂浮物上，如图6所示，利用海水的导电性在落水时自动开启并发出日盲紫外救援信号。

图6 日盲紫外信标安装示意图

日盲紫外成像仪主要由日盲通道和可见光通道组成，包含后续图像处理和显示模块，如图7所示。

图7 日盲紫外成像仪内部结构

图像分析从图像的获取开始，到图像的识别与解释，并最终得出结果，结果以图形、数据等形式表示，如图8所示。在这个过程中，由多种数学模型和算法实现的知识库起着至关重要的作用。

图8 图像分析系统的构成

5 着舰引导

随着舰载无人机的发展，无人机自动着舰导引技术也快速发展。目前，以美国为首的军事强国主要将GPS、舰载跟踪雷达与多传感器光电引导三种设备用于舰载无人机自动着舰引导。

基于雷达的着舰引导系统测控过程复杂，定位精度有限，无法实现多机同时测控。基于导航卫星的着舰引导系统易受攻击，抗毁性差。

传统光电着舰引导系统多采用可见光、红外，易受气象条件和背景环境影响。与传统光电着舰引导系统相比，日盲紫外成像着舰引导系统作为一种新型光电着舰引导系统，引导精度高，目标特征明显，抗干扰能力强，选择性好，正不断被关注。

日盲紫外导引系统分为日盲紫外成像机载设备与舰面导引标识两部分。其中，日盲紫外成像机载设备主要由日盲紫外成像模块、图像处理模块、供电与机载云台和控制模块组成。舰面导引标识提供日盲紫外成像导引算法所需的、按照预定图案排布的日盲紫外光信号阵列。以无人直升机为例，系统工作原理如图9所示。舰面导引紫外信标位于水面舰艇平台，其发出的日盲紫外光信号被无人机上的置于吊舱中的紫外成像模块捕捉，经图像处理模块得出机载相对位置与姿态数据，无人直升机飞控系统利用这些数据进行着舰导引飞行控制。

图9 无人直升机日盲紫外成像导引原理图

日盲紫外导引系统工作流程框图如图10所示。

图10 系统工作流程框图

无人直升机在飞行过程中，可能因为姿态和方位的原因，地面导引标识偏出日盲紫外成像模块视野，此时图像处理模块识别地面导引标识的偏差量，反馈至机载云台伺服机构，云台迅速调整日盲紫外成像模块的光轴方位角，在导引过程中将地面导引标识维持在日全盲紫外成像模块的视场中央。

日盲紫外成像技术应用于无人机着舰导引，关键在于高性能的目标状态识别机制和算法。目前国内外对基于计算机视觉的无人机着陆导引算法已经有了一定的基础，如使用“F”型信标，使得系统从空中各个方位角拍摄得到的图案不同，实现360°无死角。图11所示即为信标图案，信标的尺寸d1=7m,d2=7m,d3=1.75m，并且演示模拟了同一距离不同视角以及同一视角不同距离情况下，紫外成像系统探测得到的信标图案。由于紫外成像系统在空间不同位置处探测到的图案各不相同，根据成像特性反推即可得到无人机相对于信标(即舰船)的方位信息。

图11 信标视场角变换视场示意图

根据信标坐标系统xwywzwow和无人机坐标系统xoyozooo之间的关系，通过控制无人机的运动方向进行自动着舰。信标坐标系统和无人机坐标系统的4个参数为无人机的偏航角Ω、俯仰角α、旋转角φ以及两坐标系原点之间的距离向量T。图12为坐标系之间的映射关系。两坐标系原点之间的距离向量T的示意图如图12(a)所示。无人机偏航角Ω、俯仰角αD、旋转角φ分别如图12(b)、(c)、(d)所示。光电着舰导引的目标是将世界坐标系转到和无人机坐标系重合。将世界坐标系绕zw轴旋转一定的角度Ω，使无人机坐标系yo轴在xwowyw上的投影同

图12 光电着舰导引坐标系之间的映射关系

yw平行，获取偏航角Ω，如图12(b)所示(虚线坐标表示旋转之前的坐标轴，而实线坐标则表示旋转完成之后的坐标轴)。之后，在上一次旋转的基础上，将世界坐标系绕新的xw旋转α角，使无人机坐标系yo轴同yw平行，获取俯仰角α，如图12(c)。同理，在上次旋转的基础上，将世界坐标系绕新的yw轴旋转φ角，使zw与zo平行即可，获取旋转角φ，如图12(c)。根据两坐标系的变换规则，即可通过旋转变换矩阵直接确定世界坐标与无人机坐标之间的关系。采用坐标映射求解无人机相对于信标姿态的流程图如图13[5]。

图13 采用坐标映射求解无人机相对于信标姿态的流程图

6 结束语

随着日盲紫外探测技术的发展，其在军事上的应用也越来越多，美国已在海陆空各军兵种中都有应用，未来很可能会和红外应用技术一样，在军事装备和其它领域的设备中得到更广泛的应用。日盲紫外探测技术的发展不仅在国防上有着十分重大的意义，在众多民用领域的应用价值也是十分巨大的。所以，国内相关单位应该紧紧抓住时机，进行更高层次的研究，探索和掌握先进技术，开发出性能更好的产品。相信在不远的将来，不仅在军事应用领域会有紫外技术的国产设备装备部队，同时在公安、安全、消防以及相关领域中也会有相应的紫外技术国产设备出现。

[1] 郝晓剑，李仰军，刘 吉，等.光电探测技术与应用[M].北京:国防工业出版社，2009，1-6，18-20.

[2] 安毓英，曾晓东，冯喆珺.光电探测与信号处理[M].北京:科学出版社，2010，1-7.

[3] 付 伟.导弹逼近紫外告警技术的发展[J].光机电信息，2002，19(8):26-29.

[4] 蓝 天，倪国强.紫外通信的大气传输特性模拟研究[J].北京理工大学学报，2003，23(4):419-423.

[5] 张志勇.飞行目标位置和姿态光电测量技术的研究与应用[D].成都:电子科技大学博士学位论文，2008，4-6.

Military Applications of the Blind Ultraviolet Detection Technology

XIAN Yong1，LAI Shuiqing2

(1.Wuhan Military Representative Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China； 2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

This article discussed the principle, function and composition of the blind ultraviolet detection. The analysis and research focused on the military applications of the blind ultraviolet detection technology , such as missile approach warning, communication, maritime search and rescue, UAV automatic carrier landing guidance, etc.

blind ultraviolet detection；military application

2016-02-26 作者简介：鲜 勇(1974-)，男，四川巴中人，硕士，高工，研究方向：光电子技术及自动控制。

1673-1220(2016)02-067-06

V243.5

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