星载激光告警载荷应用需求与发展趋势

周冰洁, 王永志, 张大庆, 马 含, 高 洁

(上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

为了在太空资源争夺战中占据优势,世界各强国都在大力发展激光武器、激光导引头、激光雷达等光电装备,以对敌方侦察、测量类在轨卫星进行跟踪、监视与攻击。这类卫星通常搭载有大口径敏感光学载荷,损伤阈值低,极易受到各类激光威胁的攻击,造成损伤甚至功能失常。为此,卫星需要配备能对激光威胁源进行探测感知的激光告警载荷,为平台提供威胁告警信息使其及时规避、防御,承担“哨兵”义务。

随着激光武器及激光跟瞄雷达技术的快速发展,激光威胁源的类型不断拓展,且威胁形式日渐丰富。从威胁源的工作波长看,涵盖了从可见光到中长波红外激光;从威胁源的工作模式看,有连续激光和脉冲激光;从威胁源的威胁形式看,有烧蚀毁伤卫星平台、干扰致盲光电传感器及对平台进行跟踪探测等。这些激光威胁源都是激光告警载荷需要探测感知的对象,对激光告警载荷的研制提出了挑战。在卫星资源有限的情况下,如何以最小的代价对所有可能的激光威胁源进行探测感知是目前亟需解决的重要问题。

本文围绕不同卫星平台对激光告警载荷的需求展开分析。从烧蚀毁伤、干扰致盲和跟踪测量三方面对激光威胁的损伤机理和来源进行分析;对高低轨有无敏感光学载荷卫星的受威胁特点及所需的激光告警载荷类型进行分析;从探测波长、探测类型、探测体制、告警视场、角度分辨率、探测灵敏度、动态范围、响应时间等方面进行指标需求分析,为实现卫星平台激光告警载荷最优化选配提供指导。

1 激光威胁分析

1.1 烧蚀毁伤

烧蚀毁伤是激光武器对在轨卫星最具破坏力的威胁类型,将造成被攻击卫星的永久性毁伤。通过利用高功率激光武器对卫星关键部位,如太阳能帆板、热控系统等进行长时间跟踪照射,累积热量实现目标毁伤。目标烧蚀毁伤通常包括热融化、龟裂、断裂、击穿等,属于不可逆转的硬毁伤[1]。

这类毁伤通常要求到达卫星表面的激光功率密度达到100 W/cm2以上。目前能实现此类威胁的地基激光武器主要有美国的氟化氘(DF)和氧碘(COIL)化学激光武器,两者均能达到兆瓦级以上的连续发光功率,工作波长分别为中红外3.800μm和近红外1.315μm[2]。理论计算表明,3 MW级的地基激光武器,在不考虑大气影响的情况下,到达300 km轨道高度卫星表面的功率密度可达200 W/cm2以上,可实现对低轨卫星烧蚀毁伤性攻击。而对于1 000 km轨道高度的卫星,到达其表面的功率密度则不足50 W/cm2[3]。

除了地基高能激光武器,天基激光武器也能对在轨卫星造成烧蚀毁伤[4]。天基激光武器由于可抵近目标进行攻击,因此所需激光能量较低,且不受平台轨道限制,可从任意方向对任意轨道卫星造成威胁。目前能够应用于天基激光武器的高功率激光源主要有固体激光器和光纤激光器,工作波长主要集中在(1.0～1.1)μm波段,功率达数百千瓦级[5],可对数十公里处的目标卫星造成毁伤性攻击。

1.2 干扰致盲

激光武器干扰致盲光电探测器最常见的表现形式包括两种:一是通过激光照射使光电探测器饱和,暂时失去工作能力;二是通过激光照射使光电探测器永久性损伤,丧失部分甚至全部工作能力[1]。目前,卫星光电载荷常用探测器包括可见光CCD相机、近波红外相机、中波红外相机和远波红外相机,探测波段覆盖(0.4～14.0)μm超宽光谱范围,极易受激光武器的干扰。对探测器进行干扰所需的功率密度较低,一般为(10-2～1)W/cm2,远低于毁伤平台所需的功率密度水平[6]。因此,能对卫星平台造成烧蚀毁伤的激光武器,通过增减模块、调整激光功率,均可对在轨卫星干扰致盲。

1.3 跟踪测量

跟踪测量类激光威胁主要是指激光跟瞄雷达、激光成像雷达等对在轨卫星的探测监视类威胁。该类威胁主要以获取目标特征或为物理攻击提供指向信息为目的。目前激光跟踪测量类威胁以可见光-近红外波段(0.4～1.1)μm的窄脉冲激光为主,激光器类型包括半导体激光器、固体激光器以及光纤激光器等,激光可能的来袭方向是全方位的。

综上,激光威胁的波长跨度很大,且功率水平、装载平台、工作模式各不相同,常见激光威胁的特点如表1所示。

表1 激光威胁的特点

2 卫星平台的激光告警需求

2.1 不同轨道卫星的威胁分析

在轨卫星由于所处轨道高度和携带敏感光学载荷不同,其所受激光威胁将有较大差别。

低轨卫星轨道高度低,较易受到来自地基高功率激光武器的毁伤性攻击。天基激光武器由于可任意抵近卫星,故也可对低轨卫星进行毁伤性攻击。若该低轨卫星上搭载有大口径敏感光学载荷,则还可能遭受来自地基或天基低功率激光武器致盲性干扰的攻击。同时,各类低轨卫星均可能受到来自激光跟瞄雷达的跟踪测量类威胁。

中高轨卫星轨道高度高,来自地基高功率激光武器的威胁难以对其造成严重影响。地基激光武器对中高轨卫星唯一可能的威胁方式是对其搭载的敏感光学载荷进行干扰致盲。中高轨卫星主要的激光威胁来自于天基激光武器和激光雷达,将分别遭受毁伤、干扰致盲和跟踪测量等威胁。

为便于描述,将目前需要重点防护的卫星平台分为四类:I类为低轨有光学载荷的卫星平台;II类为低轨无光学载荷的卫星平台;III类为中高轨有光学载荷的卫星平台;IV类为中高轨无光学载荷的卫星平台。四类卫星平台易受到的激光威胁类型如表2所示。

表2 四类卫星平台易受到的激光威胁类型

2.2 告警载荷的分类

针对各卫星平台易受到的激光威胁类型,将星载激光告警载荷分为毁伤类激光告警载荷、致盲类激光告警载荷和测量类激光告警载荷三大类。

毁伤类激光告警载荷应至少包含近红外(0.9～1.7)μm和中红外(3.6～4.2)μm两种连续激光告警探头,分别用于对应波段的高功率威胁激光告警探测。

致盲类激光告警载荷则应至少包含可见光-近红外(0.4～1.1)μm、中红外(2.5～4.6)μm 和长波中红外(8.0～10.6)μm三种连续激光告警探头,分别用于对应波段的低功率威胁激光告警探测。

测量类激光告警载荷应包含可见光-近红外波段窄脉冲激光告警探头,用于对(0.4～1.1)μm波段的窄脉冲威胁激光告警探测。

2.3 告警体制的选择

目前,各国已研制的激光告警载荷种类繁多,从探测体制看,主要分为五种:光谱识别型[7]、成像型[8]、相干识别型[9]、光栅衍射型[10]以及编码探测型[11]。对以上不同探测体制的激光告警载荷的优缺点进行分析,发现成像型激光告警载荷在技术成熟度、大视场、高角度分辨率等方面具有明显优势,是目前选用较多的告警探测体制。

成像型激光告警载荷一般是利用成像光学镜头,并结合面阵类或其他具有光斑质心分辨能力的光电探测器,以实现激光探测和角度分辨,其工作原理如图1所示。图中,广角镜头的视场需覆盖激光威胁全部可能的来袭方向。对于需要针对全空域范围进行告警的应用场合,通过两组半球空域的超大视场的激光告警载荷,可探测来自任意方向的威胁激光信号。面阵探测器具有高响应灵敏度,且像元密度大,单像元尺寸小,可实现对威胁激光信号方位的高角度分辨。广角镜头后往往还需要配备一定数量的窄带滤光片和衰减片,即滤波衰减组合。窄带滤光片主要用于滤除通带外的杂散光,降低虚警概率,并实现对特定波长的告警;衰减片则用于调节系统的灵敏度和动态范围,以适应毁伤、致盲、测量等不同威胁类型激光信号的告警。

图1 连续激光告警载荷工作原理

对于窄脉冲激光的探测,可采用四象限雪崩光电二极管(QAPD)作为光电探测器进行角度测量。根据成像光斑在探测器各象限的分布,可解算出不同来袭激光的入射角度和强度。该类脉冲激光告警载荷工作原理如图2所示。

图2 基于QAPD的脉冲激光告警载荷工作原理

2.4 主要指标需求分析

在对卫星平台所需激光告警载荷的探测波长、工作模式及探测体制进行分析的基础上,对其探测视场、角度分辨率、探测灵敏度、动态范围、响应时间等指标进行分析,保证激光告警载荷可为卫星平台提供实时、准确的威胁激光方位和强度等级等信息。

(1)探测视场需求

探测视场的大小通过威胁激光的来袭方向确定。目前地、海、空基激光武器的攻击范围相对确定,探测此类威胁的告警载荷一般只需覆盖地球所在空域即可。具体而言,根据卫星轨道高度和激光武器的攻击角度,激光告警载荷的探测视场应不小于90°。若考虑卫星遭受激光武器威胁时的机动以及卫星的调姿需求,探测视场应更大,一般可设计为180°。

而天基激光武器通常采用抵近式攻击方式,其攻击方向可能是全方位的,故一般要求对应的激光告警载荷具备全空域视场探测能力。需要通过采用两个具有半球视场的激光告警探头背向安装实现。

(2)角度分辨率需求

激光告警载荷的角度分辨能力是卫星平台实现激光威胁溯源、规避、甚至反击的前提条件。对角度分辨率的需求根据卫星的轨道高度、任务特点不同而有所区别。一般对天基激光的告警以及低轨卫星对地基激光的告警,角度分辨率达到1°以内即可满足溯源需求,而中高轨卫星对地基激光的告警则需要更高的角度分辨率,一般要求小于0.1°。

(3)探测灵敏度需求

干扰致盲类激光和烧蚀毁伤类激光的到靶功率密度通常相差几个数量级,因此告警载荷的探测灵敏度需求是不同的。特别是对于干扰致盲类的威胁,到靶光功率密度与告警载荷的探测器类型以及光学收发口径有较大关系,为确保有效防护,要求探测灵敏度较高。对于烧蚀毁伤类的激光威胁,到靶光功率密度一般要达到10 W/cm2以上,因此需要激光告警装备的灵敏度不能过高,以确保激光告警载荷的探测器在高功率激光照射下也可以正常工作。

(4)动态范围需求

受威胁形式、激光输出功率以及传输路径等因素影响,到达卫星平台的激光功率密度水平存在较大差异。为了适应各类激光威胁工况下的功率密度,激光告警载荷需要具备足够高的动态范围。考虑卫星平台的安全功率密度范围,结合目前高功率激光技术的发展水平,激光告警载荷的动态范围需达到40 dB以上。

(5)响应时间需求

激光告警载荷的响应时间,即从接收到威胁信号到发出告警信号所需的时间。通常卫星平台会要求该时间越短越好,但受告警载荷自身的设计及平台通信资源的限制,该响应时间不可能无限缩短。从应用角度看,激光武器的照射时间一般为(1～100)s,光电传感器致盲的照射时间为(1～10)s,太阳能电池帆板等造成永久性损伤的照射时间为几百秒,平台的规避防御操作时间通常也在秒级以上。故激光告警载荷的响应时间设计为100 ms以内即可满足使用要求,不会对卫星平台的规避操作造成延误影响。

毁伤类、致盲类、测量类激光告警载荷的主要技术指标及参数如图3所示。

图3 激光告警载荷的主要技术指标及参数

3 发展趋势

目前对星载激光告警载荷的应用需求十分迫切,其技术研究正处于从工程研制到装备应用的过渡阶段。国内已有部分激光告警载荷开展或即将开展在轨应用,未来激光告警载荷将朝着以下几个方向发展。

(1)向多波长探测发展

激光威胁源波长覆盖范围广已是不争的事实。现代防御需求中,仅能探测单一波长的激光告警载荷已不能满足应用需求,故必须发展多波长探测的告警载荷。

(2)告警性能持续提升

未来,激光告警载荷在角度分辨率、虚警概率、探测概率、视场、响应时间、动态范围等方面的性能需持续提升。高精度的角度分辨率是实现地基激光威胁源定位和与定向能干扰/压制式激光武器配套使用的前提;低虚警概率、高探测概率是激光告警载荷研制的永恒主题;更大的告警视场(如4π空域)、更快的响应时间(如毫秒级)、更宽的动态范围(如40 dB)等是快速准确获得威胁告警信息的保障。

(3)向通用化及装备化发展

面对日趋复杂的光电威胁环境,未来激光告警载荷将朝着更加小型化、模块化和具有通用功能的综合设备方向发展,同时应具备更长、更稳定的在轨工作寿命(8年～15年)和更低的功率消耗。

(4)与多种对抗系统交联集成

为进一步扩展激光告警载荷在空间攻防中的作用,可将其与有源或无源干扰系统结合,组成侦察告警/干扰系统;与雷达警戒接收机、红外目标监视交联,组成多功能告警系统;与强激光武器结合,组成侦察/反辐射武器系统等,以大幅提高我卫星在太空的生存能力。

4 总结

分析了烧蚀毁伤、干扰致盲、跟踪测量三类激光威胁的损伤机理、波长覆盖范围、功率大小、工作模式等内容;归纳总结了不同轨道、有无敏感光学载荷卫星平台的受攻击特点;并以此为基准,分析了对应激光告警载荷对工作波长、工作模式、探测体制、探测视场、角度分辨率、探测灵敏度、动态范围、响应时间等的需求。通过分析总结,明确了不同卫星平台需要配置的激光告警载荷类型,对于兼顾激光告警功能完备性和资源占用率,提高卫星平台激光告警载荷配置的合理性,具有一定指导意义。同时,结合激光武器等装备的发展趋势,对星载激光告警载荷的未来发展进行了展望,为今后此类载荷的研制提供参考。