星载激光器对HgCdTe探测器的干扰损伤研究

任晓东，雷武虎

(1.脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2.安徽省电子制约技术重点实验室，安徽 合肥 230037)

0 引言

2017年5月31日，美国拦截洲际弹道导弹的导弹防御测试取得了成功。美国五角大楼的导弹防御局局长叙林中将说：“能够成功拦截一个复杂的、而且有着巨大威胁的洲际弹道导弹目标，这是一项惊人成就。”拦截弹道导弹，尤其是洲际导弹，是一个复杂的系统工程，需要动用陆基、海基、空中和天基等设备来协同完成。在导弹拦截过程中，天基红外系统[1](SBIRS)在探测、发现、跟踪、锁定导弹目标的过程中发挥了关键性作用，其关键技术和特点是采用了双波段高速扫描探测器和高分辨率凝视型探测器(24000光敏元凝视焦平面阵列)。其中的红外探测器主要为HgCdTe探测器。

红外探测器是预警卫星的关键部件，同时也是最易受到干扰的部件。由于光电探测器是一种弱光探测系统，且光学系统对工作波段内激光具有很大的光学增益，因此可以通过激光辐照对抗的手段来实现对星载红外探测器的干扰和破坏。当探测器响应率下降2个数量级时认为激光对探测器形成了有效的瞬时干扰[2]。当探测器表面发生熔融时认为激光对探测器形成了永久损伤。Arora[3]研究得出结论：当探测器温升为70℃时响应率下降2个数量级；探测器温升720℃达到熔点993K时，HgCdTe达到熔点开始融化，探测器彻底损坏。基于此，开展了星载激光对HgCdTe红外探测器的干扰、损伤研究。

1 激光干扰探测器的解析推导

1.1 激光体制的选择

首先激光波长应该在探测器的响应波段内。在激光体制选择方面，激光有连续输出状态和脉冲工作状态。连续状态是指从激光器开启直到激光器关闭，激光光束无间歇地连续不断地输出。脉冲工作状态指的是激光器开启后只在一定的时间间隔内有能量输出，其余时间均无激光输出；或者每隔一段时间输出一束光束，相当于发射了一串脉冲。前一种情况称为单脉冲输出，后一种情况称为重频输出。

通常情况下，脉冲激光的峰值功率远远大于连续激光的功率，甚至能达到几千倍。柯常军[4]研究表明，在相同平均功率密度条件下，高重频脉冲激光对探测器的损伤效果远远大于连续激光。因此选择脉冲激光能更容易实现对探测器的干扰损伤。同时考虑到[5]星载探测器是高速运动的，激光束在探测器上驻留时间短，对于扫描型探测器更是如此，因此为了保证在短暂的驻留时间内能有更多的激光脉冲辐照到探测器上，对抗载荷可采用高重频脉冲激光器作为干扰源。

1.2 激光干扰远场能量估计

针对星载激光，首先估计激光远场光斑尺寸，设激光光束发散角为θ，则：

(1)

式中，θy为衍射发散角，可表示为：

θy=1.22(λ/D0)β

(2)

式中，β为光束质量因子，λ为激光波长，D0为激光发射口径。θd为激光光源抖动引起的发散角。

通常可以假设：

θd=θy/2

(3)

假设激光器对准探测器，激光器距离星载红外探测器的距离为L，激光束到达星载红外探测器表面处的光斑直径为D，则：

D≈Lθ

(4)

从而得到垂直于探测器表面的激光光斑面积St为：

(5)

在仿真中假设激光对准探测器表面[6]，光斑中心与探测器中心重合。则探测器表面被激光完全覆盖，覆盖面积即为探测器表面积，记为S，则：

(6)

式中，D1为探测器口径。

设激光器的输出功率为P0，则入射到卫星探测器表面的激光能量P1为：

P1=0.9P0S/St

(7)

式中,0.9为过程因子。入射到探测器表面的激光能量还要经过光学系统才能入射到探测器的光敏面，设光学系统的透过率为τ2，Airy斑第一暗环内部的激光能量占入射总能量的百分比为83.8%。设P2为最后入射到探测器光敏面的激光能量，则：

P2=0.838τ2P1

(8)

设激光在探测器光敏面的直径为d1，则激光在探测器光敏面形成的光斑面积Sφ表示为：

(9)

根据文献[7]可知：

d1=fθ+d2

(10)

d2=f(2.44λ/D1)

(11)

式中，d2为光敏面上理想衍射光斑直径，f为光学系统焦距。

从而得到最终到达天基红外系统红外探测器光敏面的激光功率密度P3为：

P3=P2/Sφ

(12)

令P3等于相应的干扰、损伤阈值功率密度就可以求得相应的参量。

1.3 HgCdTe探测器干扰损伤阈值分析

Bartoli建立了光伏型HgCdTe探测器的激光损伤模型[8-10]， 在远场情况下假设激光垂直均匀辐照探测器光敏面，功率密度为P3，τ为激光脉冲宽度，即单脉冲辐照时间，z为距探测器表面的距离，T(z,τ)表示在距探测器表面z处、激光辐照τ时探测器的温度。在探测器表面z=0时，激光辐照τ时探测器的温升ΔT(0,τ)为：

ΔT(0,τ)=(1-R)P3/(αK)((4α2kτ/π)1/2-1+

exp(α2kτ)erfc(α2kτ)1/2)

(13)

式中，R为反射系数，K为热传导系数，k为热扩散系数，erfc(x)为补充纠错函数，且有关系式k=K/ρc，ρ为材料密度，c为材料的比热容，假设材料参数为常数(不随温度变化)。

构造常数τ0=4/πα2k，将式(13)变形为：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3/(ρc)(4τ/(πτ0))-1·

(4/π(τ/τ0)1/2-1+exp(4τ/(πτ0))erfc(4τ/(πτ0))1/2)

(14)

当τ≤τ0时式(14)化简为：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3τ/(ρc)

(15)

当τ≥τ0时式(14)化简为：

ΔT(0,τ)=α(1-R)P3(ττ0)1/2/(ρc)

(16)

根据前文，令ΔT(0,τ)=ΔT干扰=70℃、ΔT(0,τ)=ΔT损伤=720℃时即可实现对探测器的干扰、损伤。

2 仿真结果及分析

在仿真中假定探测器为8～14μm波段HgCdTe探测器，激光器波长λ=10.6μm，脉宽τ=240ns，重频为1kHz，光束质量因子β=3，激光器发射口径D0=2cm，根据查阅的天基红外系统红外探测器的资料数据，设定探测器光学系统口径D1=0.5m，探测器光学系统透过率τ2=0.86，探测器光学系统焦距f=1m，HgCdTe密度ρ=7.6kg/cm3，HgCdTe反射系数R=0.31，HgCdTe吸收系数α=1000/cm，HgCdTe比热容c=150J/kgK，热扩散率k=0.01cm2/s。当激光器距探测器的距离L=150km时，联立公式(1)～(14)仿真计算了激光器输出功率P0与探测器温升ΔT之间的关系，如图1所示。

图1 激光器输出功率与探测器表面温升之间的关系 (L=150km)

从图1中可以看到，探测器光敏面温升ΔT与激光器输出功率P0成正比，随着P0的增加，温升ΔT成线性增加。当P0=1kW时温升ΔT约为70℃，从而能实现对探测器的干扰，当P0=10.4kW时，探测器温升为720℃达到熔点，从而实现对探测器的损伤。

在激光器输出功率为固定值P0=1kW情况下，仿真计算了探测器光敏面温升ΔT与激光器和探测器距离L之间的关系曲线。如图2所示， 可以看出在激光器输出功率固定的情况下， 随着距离L的增加，探测器光敏面的温升近似成指数下降。在L=150km时温升约为ΔT=70℃,从而实现干扰。当L=46km时温升ΔT=734℃>720℃,实现损伤。

图2 激光器、探测器间距离与探测器表面温升之间的关系 (P=1kW)

3 结束语

本文研究表明，通过合理地设置高重频脉冲激光的输出功率以及实施干扰损伤的作用位置和距离，可以实现对HgCdTe红外探测器的干扰、损伤，为星载脉冲激光干扰损伤探测器提供一定的参考。■

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