临近空间高超声速目标天基红外探测技术研究*

敬韩博，王英瑞

(1.中国航天科工集团第二研究院，北京 100854； 2. 北京遥感设备研究所，北京 100854)

探测跟踪技术

临近空间高超声速目标天基红外探测技术研究*

敬韩博1，王英瑞2

(1.中国航天科工集团第二研究院，北京 100854； 2. 北京遥感设备研究所，北京 100854)

目前试飞成功的临近空间高超声速飞行器已经成为潜在威胁，对临近空间高超声速目标的预警探测成为了新的研究方向。分析了临近空间高超声速飞行器的目标特性，以美国天基红外系统为参考对象，利用STK(satellite tool kit)软件和灵敏度估算，分析了天基红外系统对临近空间目标探测的适用性，提出了天基红外系统对临近空间高超声速飞行器预警探测需要关注和解决的问题。

临近空间高超声速目标;目标特性;天基红外系统;预警;探测能力分析;覆盖性能

0 引言

临近空间高超声速飞行器的试飞成功给防空反导系统带来了严峻的挑战，为了实现对临近空间高超声速目标的远距离拦截，对其预警探测尤为重要。一方面，临近空间高超声速目标飞行速度极快(Ma数5～20)，表面温度高，红外辐射特征非常明显，适于红外探测系统实现远距离探测；另一方面，相对于弹道导弹，临近空间高超声速目标飞行高度低(20～100 km)，地基和空基探测系统，因视距距离受地球曲率的约束，无法实现对其远距离探测。因此，天基红外预警探测系统将是实现对其探测的有效手段。

美国的红外预警探测系统起步较早，其新一代用于弹道导弹预警探测的天基红外系统处于世界领先水平。本文将以美国天基红外系统为参考，分析天基红外系统对临近空间高超声速目标预警探测和跟踪的适应性,以及面临的问题。

1 临近空间高超声速目标特性

目前，临近空间高超声速飞行器主要包括高超声速助推-滑翔飞行器(hypersonic boost-glide vehicle，HBGV)和高超声速助推-巡航飞行器(hypersonic boost-cruise vehicle，HBCV)，如美国开展演示验证项目HTV-2，AHW高超声速助推-滑翔飞行器和X-51A高超声速助推-巡航飞行器[1]。

1.1 弹道特性

1.1.1 HBGV

HBGV的弹道主要包括：助推段、惯性段、再入拉起段、滑翔机动段和下压段，如图1所示。

助推段：HBGV采用的是火箭助推的方式，助推高度大概为100 km左右。

惯性段：当运载和载荷分离后，载荷在大气层外进行惯性抛物线运动，相当于弹道导弹的中段。

再入拉起段：再入拉起段主要是指飞行器再入大气层后，通过姿态控制系统，在40～50 km向上拉起机动，实现到达滑翔初始点的过渡飞行。

滑翔机动段：飞行器能够在20～100 km进行长时间滑翔飞行，具有横向机动能力。

下压段：飞行器接近目标后，在较短距离内进行急速下压，做近垂直运动。

1.1.2 HBCV

HBCV以X-51A为例进行说明，X-51A由轰炸机B-52H运载升空至15 km投放后的弹道如图1b)所示。

助推段：X-51A利用助推器加速26 s至20 km[1]，巡航器分离，进入巡航飞行模式。

巡航段：X-51A的巡航高度一般在20～30 km，巡航Ma数为6左右，具有横向机动能力。

下压段：X-51A接近目标后，在短距离内进行急速下压，做近垂直运动。

通过弹道特性分析，HBGV的助推段和惯性段与弹道导弹类似，再入拉起段、滑翔机动段和下压段明显不同；而HBCV与弹道导弹在助推段就明显不同，再加上临近空间高超声速目标的横向机动能力，以往针对弹道导弹依靠关机点等参数进行弹道预报的预警探测方式已经不再适用，需要对其全程探测跟踪。

1.2 红外辐射特性

临近空间高超声速飞行器的红外辐射特性与其飞行状态、发动机工作状态、环境温度、辐射面积和流场状态等密切相关[2]，目前研究报道还不多，文献[2]中给出了临近空间高超声速飞行器的红外辐射特性分析与理论计算方法；文献[3]以建立的锥导乘波体为模型，分析计算了其红外辐射特征的空间分布；文献[4]对球头钝锥飞行器在不同高度上3～5 μm和8～12 μm的辐射特性进行了分析。

通过上述文献和经验，结合空间高超声速飞行器飞行特性，估计HBGV助推段的红外辐射强度与弹道导弹的助推段基本一致， 在预警卫星中波红外波段约为20 000～50 000 W/sr[5]。滑翔机动段的红外辐射强度大大强于弹道导弹的中段，在中波红外波段的辐射强度大概为数千瓦级/球面度，以下按3 000 W/sr计。对于像X-51A这样的HBCV，它被释放前红外辐射主要来自B-52H，辐射强度明显低于弹道导弹的尾焰；助推段在26 s内从15 km爬升至20 km高，发动机功率应小于弹道导弹发动机，其红外辐射强度远小于弹道导弹助推段；而巡航段由于其速度略低于HBGV的滑翔机动段，其红外辐射强度也略低。可见，临近空间高超声速目标的红外辐射特性与弹道导弹有着较大的区别。

图1 弹道对比示意图Fig.1 Diagram of ballistic contrast

2 天基红外系统

据报道分析，天基红外系统主要由5颗地球静止轨道卫星(GEO)、2颗大椭圆轨道卫星(HEO)和24颗低轨卫星(LEO)3部分组成[6-7]。GEO和HEO统称高轨预警卫星，主要完成弹道导弹的早期预警，通过探测导弹助推段发动机尾焰，对弹道导弹的发射进行监视，引导低轨预警卫星对导弹中段进行跟踪。低轨预警卫星主要完成弹道导弹中段探测跟踪。

2.1 高轨预警卫星

每一颗GEO卫星都采用扫描和凝视探测相结合的方式工作，扫描传感器通过矩形扫描监测导弹发射时产生的尾焰，然后通过大面阵凝视传感器对导弹的助推段进行双星定位跟踪。

由于受到地球曲率和大气折射等因素的影响，GEO卫星只能对中低纬度地区的导弹进行早期预警，对高纬度的监视能力很差，所以又发展了2颗HEO卫星。HEO卫星能对北极圈进行全天时不间断一重覆盖，与美国本土远程预警雷达共同完成预警[8]。

2.2 低轨预警卫星

低轨预警卫星最可能采用是由24颗高度相同的轨道卫星构成的Walker星座，3个轨道面[9]。美国2009年9月发射了2颗技术演示验证卫星，卫星高度为1 350 km、倾角为58°[10-11]。

低轨预警卫星上都装有1台宽视场短波红外扫描传感器和1台窄视场多光谱凝视传感器，如图2所示[12]。以地面为背景的扫描传感器对高轨卫星

探测区域进行补充。在导弹进入中段以后，凝视传感器综合高轨卫星和低轨卫星扫描传感器提供的信息，利用以深空为背景的长波红外探测跟踪中段弹头[9-10]。

图2 低轨卫星传感器Fig.2 Sensors of LEO satellite

3 天基红外系统对临近空间高超声速飞行器预警探测与跟踪能力的分析

3.1 时空覆盖性

利用STK(satellite tool kit)软件可以对天基红外系统传感器的时空覆盖性进行分析，其中GEO，HEO 2部分文献[6,8]已经分析过，GEO能够对地球(除高纬度地区)实现双重覆盖；HEO与地基远程预警雷达共同完成对北极区域弹道导弹的助推段探测跟踪。这样，三者可以实现对地球(除南极)的全时空覆盖。

对于LEO，一般用T/P/F来描述Walker星座，其中T为卫星数目，P为轨道面数，F为权值，所以低轨预警卫星可能的星座构型是24/3/0，24/3/1和24/3/2，轨道高度为1 350 km，倾角为58°。由于弹道导弹中段的红外辐射低，LEO上的长波红外凝视传感器必须在地球临边以上深空背景下才能探测到目标。用STK仿真分析得到LEO对不同高度目标的时空覆盖能力如表1，分析结果与文献[13]基本一致。可见，LEO的以深空为背景设置凝视传感器，对高度低于220 km的目标不能双重覆盖(双星定位)，无法对临近空间高超声速目标的滑翔段或巡航段进行跟踪。

表1 低轨星座对不同高度的空间覆盖情况Table 1 Coverage of different altitudes provided by LEO satellite

考虑到临近空间高超声速目标滑翔段或巡航段的红外辐射强度远高于弹道导弹的中段，如果将LEO的凝视传感器改进，以中波红外作为主要工作波段，并可下视对地观测，通过STK仿真分析，LEO对在20～100 km这部分区域活动的临近空间高超声速目标，能够完成双重覆盖，如表2所示。

表2 具备对地观测能力的低轨星座空间覆盖情况
Table 2 Coverage of different altitude provided by LEO sensors used for earth observation

h/km24/3/024/3/124/3/201重覆盖1重覆盖1重覆盖202重覆盖2重覆盖2重覆盖402重覆盖2重覆盖2重覆盖802重覆盖2重覆盖2重覆盖1002重覆盖2重覆盖2重覆盖1502重覆盖2重覆盖2重覆盖

3.2 可探测性分析

3.2.1 HBGV可探测性分析

由1.2节可知，HBGV助推段的红外辐射强度约为20 000～50 000 W/sr，以30 000 W/sr计。按照预警低虚警率要求，高轨卫星对它的预警探测和跟踪信噪比估计为30～50，在HBGV的滑翔段，它的红外辐射强度比助推段小一个量级，按3 000 W/sr计，此时探测信噪比下降约10倍，约为3～5。因此，高轨卫星可以实现HBGV助推段的预警探测，但对滑翔段的跟踪能力略显不足。

对于LEO，经STK仿真计算双重覆盖条件下，最远探测距离大概为4 500 km，取HBGV滑翔段J=3 000 W/sr计,大气吸收τa=0.7，信号处理具有S/N=5的检测能力，按照式(1)[14]，红外系统的灵敏度NEFD(噪声等效照度)应达到2.1×10-15W/cm2。

(1)

式中：NEFD为噪声等效照度；J为目标辐射强度；α为大气吸收系数;R为目标距离;S/N为信噪比。

设LEO上中波红外凝视探测系统的参数如表3所示，按照式(2)[15]，系统的NEFD为9×10-16W/cm2，对目标探测信噪比可以达到10左右，满足跟踪要求，能够对HBGV滑翔段连续稳定跟踪。

表3中假设的探测系统各项指标虽然不低，但能够实现，因此通过对LEO凝视传感器进行改进，能够对HBGV滑翔段连续稳定跟踪。

表3 红外探测系统参数设定Table 3 Parameters of infrared detection system

(2)

式中：f/#为F数；ζ为探测器填充系数；αβ为瞬时视场；Δf为系统噪声等效带宽；D0为光学系统口径；τ0为光学系统的波段平均透过率；D*探测器的平均探测率；K1为光学弥散系数；K2为电路损失系数。

3.2.2 HBCV可探测性分析

由1.2节可知，X-51A释放前红外辐射主要来自B-52H，红外辐射量级很小，很难通过高轨预警卫星发现；在助推段飞行高度为15～20 km，飞行时间26 s，相对弹道导弹助推段飞行高度低、时间短，高轨卫星很难实现预警；在巡航段红外辐射量级与HBGV在滑翔段的红外辐射强度相差不是很大，高轨卫星的跟踪能力不足。

4 结论

在目前的参数设定条件下，通过分析，可以得到以下结论和启示：

(1) 高轨卫星可以实现对HBGV助推段预警，但对其滑翔段跟踪能力不足；低轨卫星的凝视传感器如果不改为可下视，不能实现对HBGV的探测跟踪。

(2) 高轨卫星很难实现对HBCV的预警。

(3) HBGV的滑翔段和HBCV的巡航段的红外辐射强度远强于弹道导弹的中段，如果能提高高轨卫星对这一飞行段的探测跟踪能力，则可实现反导反临近空间高超声速飞行器天基预警探测一体兼容。

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Space-Based Infrared Detection for Near Space Hyptrsonic Targets

JING Han-bo1, WANG Ying-rui2

(1. The Second Research Academy of CASIC，Beijing 100854，China； 2. Beijing Institute of Remote Sensing Equipment, Beijing 100854，China)

Nowadays, the near space hypersonic aircrafts that has made a successful test flight hasbecome potential threats and the precaution and detection of the near space hypersonic targethave become a new research direction. The main categories and characteristics of the near space hypersonic targets are analyzed. On the basis of the introduction of the working mechanism of space-based infrared system, the applicability of space-based infrared system to the near space hypersonic targets detection is simulated with the STK software and noise equivalent flux density(NEFD) estimation. The issues about detection of near space hypersonic aircrafts with space-based infrared system are proposed for attention.

near space hypersonic target；target characteristics； space-based infrared system；early warning；detecting capability analysis；coverage performance

2016-02-17；

2016-03-18

有

敬韩博(1990-)，男，河南郑州人。硕士生，主要从事红外探测跟踪技术方面的研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.014

TN219；TP391.1

A

1009-086X(2016)-06-0080-05

通信地址：100854 北京市142信箱205分箱

E-mail：hanbo0919@163.com