摘 要:卫星探测器与地面距离较远,很难用激光对其直接损伤。但卫星探测器的光学接收系统对激光照射而言具有巨大的光学天线增益,实现激光对卫星探测器的干扰是有可能的。分析了利用激光干扰卫星探测器的可行性及影响因素,并对CCD探测器进行了激光干扰实验,得出其干扰阈值为3.55×10-5mW/cm2。通过实验及理论计算相结合的方法,证明了激光干扰卫星探测器的可行性。
0 引言
军用侦察卫星、通信卫星和导航卫星等在高技术战争中发挥着巨大的作用,已成为战场作战行动的重要支援保障系统。随着各类卫星的发展,反卫星激光武器也逐步发展并应用起来,它可以破坏卫星上的仪器或摧毁卫星平台,使敌方的指挥、控制、通信和情报系统瘫痪。作为卫星“视觉系统”的光电探测器是一种弱光探测系统,且光学系统对激光具有大的光学增益,因此激光辐照卫星极易造成光电探测系统的干扰和破坏,严重者可使整颗卫星报废[1]。从20世纪70年代以来,美国、前苏联等国家先后进行了多次反卫星激光武器的研究和试验,为实战提供了较完整的数据资料[2]。
激光有着作为攻击武器的理想特性。因为能以很窄的光束和频段发送大量的能量,这些特性能让攻击方有效地导引能量到目标卫星的正确位置并且使用合适的频率给目标卫星以打击[3-4]。激光对近地面CCD干扰试验与分析已有许多家单位做过研究[5],但是这些研究结果对利用激光干扰星载探测器却不十分适用。本文详细地分析了利用激光干扰卫星探测器的可行性及影响因素,并通过实验及理论计算相结合的方法,对KH-12卫星的干扰进行了判定,证明了激光干扰卫星探测器的可行性。
1 激光干扰卫星探测器分析
由于光学成像卫星工作在400 km左右的高空,高能激光武器能否有效地达到干扰星载探测器的目的,取决于激光束在经过远距离传输后到达目标的激光功率密度能否达到或超过干扰所需的阈值功率密度,这除与卫星所在轨道高度有关外,还取决于以下因素:地面激光器输出功率、激光束质量、跟踪瞄准精度和大气对激光传输等的影响[6]。这里设地面激光器输出功率为p0,波长λ0,激光器口径D0,探测器口径D1,大气对激光传输的影响因子τ1,激光束质量因子θ,跟踪瞄准精度因子τ2,卫星轨道高度因子R,到达探测器表面的激光功率为Q,则有:
其中,τ1以大气的衰减系数衡量,单位为km-1,θ以激光发散角衡量,单位为度;τ2以激光光斑中心与探测器中心之间的距离衡量,单位为m;R以探测器据激光器距离衡量,单位为m。
1.1 大气的衰减效应
激光干扰星载探测器时,必须经过远程大气传输,因此激光能量必然会受到大气对激光传输的影响。这些影响可分为线性和非线性的,其中大气分子和大气气溶胶的吸收与散射,大气湍流等属于线性效应,其效应的大小与激光强度无关。而受激喇曼散射、热晕等属于非线性效应,非线性效应的大小与激光强度密切相关。
1.1.1 大气湍流对光束质量的影响
大气湍流实质上是折射率的随机起伏,主要来自大气温度的变化,如下式所示:
式中,γ为气体比定压热容与比定容热容之比,对于空气,γ=1.4。激光束穿过湍流大气时,会出现一系列光学特性的改变。湍流效应与湍流强度有关外,还决定于光束直径d和小气团尺寸l的相对大小。当(d/l) 1时,湍流作用使光束产生随机偏折,使光束传播方向或是光束在接收面上的投影位置发生随机飘荡,称为光束漂移;当(d/l)≈1时,湍流作用使光束截面发生随机偏转,从而形成到达角起伏;当(d/l) 1时,光束光强在空间和时间上随机分布,使光束产生闪烁,相位严重畸变,空间相干性降低,光束扩散,光束面积扩大。光束漂移在大多数情况下对激光应用的影响不大,但光束扩散会大大降低激光的功率密度。可以等价为降低了光束质量,一种较为严格的方法是利用光束质量与波前起伏δ的关系:
通过计算激光束的波前来求得光束质量。ZerNIke多项式是一种应用较广的对波前的近似描述[7]。
1.1.2 热晕对光束质量的影响
光束通路上的空气因吸收激光能量而温度升高,折射率发生变化,也能使光束发生畸变,称为热晕。热晕引起畸变与光束强度有关,是一种非线性效应。有热晕的情况下,初始高斯光束在传播路径上的光功率分布可写为:
式中,r是模截面上的径向坐标,α是吸收系数,w是光斑半径,Nc是代表热晕强度的无量纲参数。当有风存在时,热晕强度是风速vw,空气比定压热容cP和密度ρ的函数,并可写为:
式中,p是光束功率,n是大气折射率,它是温度的函数。在实验和波动光学计算的基础上,经推导可以证明与热晕相应的光束质量为:
式中,k和m依赖于原光束在横截面上的能量分布,如果热晕前横截面上光能均匀分布,则k=0.01,m=1.2;而对于高斯光束,则k=0.062 5,m=2。1.2 远场激光光斑尺寸的估算设激光束平面发散角为θ,激光器发射口径为D0,波长λ0,则光束传输L距离后(当L足够大时),光束直径D变为：
1.3 瞄准精度的影响
在激光干扰过程中,由于激光经远程传输后很难对准探测器正中心,因此存在定位误差。这个误差可以用τ2来衡量。影响τ2的主要因素就是激光器自身的定位性能和自适应补偿能力,这里我们假设τ2是一个随机量,则(τ2)2在区间[0,∞)服从自由度为2的 2分布。
1.4 卫星探测器光敏面所接收的激光能量的计算
设激光束是平面波,则在光敏面处的激光束呈爱里斑分布,落在半径为r的圆内激光所占总能量的百分比如下式:L(χ) =1-J20(χ)-J21(χ)-…(13)式中,χ=2πar/λ,a为光电探测器的入射光瞳半径,λ为激光波长,J0(χ)、J1(χ)分别是零阶和一阶贝塞尔函数。由式(13)可以算出,落在第一暗环内的激光能量为总能量的84%,因此可以认为大部分激光能量通过光学镜头进入CCD光敏面。即使激光落在CCD的视场外,由于衍射和散斑干涉效应,也能进入部分激光。根据上面的分析,可以得出进入CCD光敏面的激光功率密度:
式中,τ1、τ2分别为大气透过率和光学系统的透过率,β为CCD前的光学系统的增益,p0为激光器的输出功率,R为激光器到空间光电探测系统的距离,θ为激光的发散角。根据式(14)计算得到辐照到探测器光敏面的激光功率密度及查找相关资料得到的光电探测器的饱和阈值的关系,结合前面介绍的激光干扰机理,可以判断出激光是否使探测性能失效。设光电探测器的饱和阈值为ps,则当p≥ps时,激光即实现了对光电探测器的软损伤。由式(14)还可以估算出要实现激光对光电探测器的软损伤所需的最小激光功率：
2 激光干扰CCD的实验研究
2.1 实验系统与结果
由于CCD具有高分辨率、高准确度、高可靠性等突出优点,被广泛应用于高分辨率成像侦察卫星上,因此研究激光干扰CCD成像技术是十分必要的。基于此本文开展了激光干扰CCD相机的实验并确定此相机的干扰阈值。
图1为激光干扰CCD光电探测器的光路示意图,半导体激光器采用长春光机所研制的连续单偏振半导体激光器,输出波长为808 nm,最大输出功率为20 W。CCD传感器为JAI CV-A50相机,其像元数为752×582像素,像元大小为8.6μm×8.3μm,灵敏度为0.03 lux,信噪比为59 dB。
调节好光路后,逐步增加入射激光功率。由图2可见,随着入射激光功率的增加,CCD探测器出现了饱和斑,并进一步扩大到整列像素,当激光输出功率继续增加时,整个图像都出现饱和,最后整幅图像变成黑屏,CCD无法正常工作,即CCD达到了软损伤,此时,CCD探测器光敏面的激光功率密度(即CCD干扰阈值)为3.55×10-5mW/cm2,与文献[8]报道的基本一致。
2.2 实验结果分析
由实验可见,当激光功率密度超过CCD的线性区时,CCD的输出便会出现饱和,而且出现了光饱和串音现象,即当用强光辐照CCD光敏区局部时,被光照射的区域达到了饱和,未被光照射的区域首先是沿电荷传输方向出现亮线,光强不断增加,则亮线不断加宽,甚至整个光敏区处于饱和。CCD探测器在出现软损伤之后,撤去激光,将CCD探测器重新启动后工作正常。可见激光并没有对器件及其组成材料造成损伤,但却干扰了CCD的正常工作。
实验证明,CCD饱和区面积随着激光的辐照度的增加而增加;CCD探测器在一定的光强度照射到探测器靶面时就开始失效;实验还表明连续激光辐照下较难实现对CCD探测器的硬损伤,但像元饱和易于实现,因而采用功率相对较低的连续激光器干扰CCD探测器使其饱和失效是一种有效且易于实现的手段。
3 对某型卫星的干扰判定
设激光器的输出功率p0为8 kW。以国外的某型卫星为例,其传感器为CCD,轨道高度为近地点420 km,光学系统的口径为2 m。设激光的发散角θ为2 mrad,光学系统的透过率为0.8,在天气晴朗能见度为23 km的情况下,大气透过率约为0.83,按照式(14)初步估算到达传感器光敏面的激光功率密度将达到100 mW/cm2以上,高于实验所用CCD干扰阈值,且实验所用CCD为硅材料,同其他材料相比,硅的干扰阈值相对较高。基于此我们判断理论上此激光器能够干扰该型卫星。实际的功率要求还需考虑卫星光学系统的细节及大气传输特性等因素。如果采用脉冲激光,峰值功率密度将会远远超过CCD探测器的饱和阈值甚至是损伤阈值,从而能够对卫星传感器实现干扰攻击,而且有可能实现对其的损伤攻击。
4 结论
由上可知,采用类似的激光功率完全有可能实现对卫星探测器的干扰。如果考虑到脉冲激光的峰值功率,则即使减小激光的输出功率,也有可能实现对探测器的损伤。对于商用和民用卫星,攻击方可以从公共渠道搜集卫星光学系统和传感器的设计细节,而对于敏感的军事侦察卫星,光学系统(对望远镜孔径和焦距的适当估计)的某些信息可以由卫星地面图像信息分析得到,而传感器采集光线的波长可以推测出来,因为大气层限制了可用的波长,而且频段的选用会尽量宽以提高采集信号的能力。特定的对手若很好地掌握了传感器材料和技术,就能够合理地估计激光器的攻击效果。
参考文献:
[1] 张英远,郑荣山,刘劲松.脉冲激光对星载探测器的干扰和损伤分析[J].电子与信息学报,2006,28(9):1758-1760.
[2] 路 远,李玉波,凌永顺,等.卫星信息对抗研究[J].现代防御技术, 2007,35 (5):86-91.
[3] Xu Jie,Zhao Shanghong,Wu Ji,et al.Integrated fuzzyevaluation method of photoelectric jamming to detector[J].Opto-Electron. Engineering,2007,34(6):30-34.
[4] 毕 勇,孙志培,李瑞宁,等.高平均功率腔内和频蓝光Nd∶YAG激光器[J].光学精密工程,2005,13(1):16-21.
[5] 钟海荣,陆启生,文铁峰,等.激光辐照CCD的破坏机理分析[J].强激光与粒子束,1998,10(4):537-542.
[6] 付 伟.国外激光反卫星技术发展综述[J].激光技术,2001,25(2):157-161.
[7] 阎吉祥.激光武器[M].北京:国防工业出版社,1996:23-24.
[8] 蔡德芳,史晓华,文建国,等.CCD探测器饱和阈值的光谱特性研究[J].激光杂志,2000,21(3):14-15.
作者简介:王思雯(1983-),女,吉林省松原市人,博士生,主要从事光电对抗的研究。
