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紫外传感器在导弹逼近告警技术的应用与发展

2014-05-05 展誉传感 1161

1引言

面对战场上日趋严重的地空、空空导弹威胁,世界各国已开发出各种导弹逼近告警系统(MAWS),以确保作战飞机的安全。导弹逼近告警系统可分为脉冲多普勒雷达告警、红外传感器告警和紫外传感器告警三种类型。同脉冲多普勒雷达告警相比,紫外传感器告警属于无源告警,具有隐蔽性好的优点。同红外传感器告警相比,紫外传感器告警具有虚警率低、不需低温冷却、凝视和告警器体积小、重量轻等优点。目前,紫外传感器告警设备已发展成为装备量最大的导弹逼近告警系统之一,它已成为世界各国军事厂商竞相研究的热点。

2 导弹逼近紫外传感器告警技术

2.1 导弹逼近紫外传感器告警工作原理

紫外传感器告警是利用"太阳光谱盲区"的紫外波段来探测导弹的火焰与尾焰。"太阳光谱盲区"是指波长在220~280nm的中紫外波段,这一术语来自下列事实:太阳辐射(紫外辐射的主要来源)的这一波段的光波几乎被地球的臭氧层所吸收,所以"太阳光谱盲区"的紫外辐射变得很微弱。这样,由于空域内太阳光等紫外辐射的能量极其有限,如果出现导弹羽烟的"太阳光谱盲区"紫外辐射,那么就能在微弱的背景下探测出导弹。由于告警系统避开了最强大的自然光源-太阳造成的复杂背景,"太阳光谱盲区"的紫外传感器告警就为导弹逼近告警提供了一种极其有效的手段。 

导弹逼近紫外传感器告警系统经历了以下发展阶段:在60年代~70年代初,世界各国就开始进行紫外波段探测洲际导弹发射的研究工作,但在研究过程中遇到了难以逾越的障碍,因而人们的兴趣转向了红外告警的研究。1983年,美国重新考虑利用导弹羽烟的紫外辐射来探测导弹,在一些基础研究工作上取得了进展,其中紫外传感器这一关键技术得到重点研究。经过几年的研究,美国洛勒尔公司研制成功了世界上第一台导弹逼近紫外传感器告警系统,并很快装备于部队。1988年,该系统成功地应用于海湾战争。目前,紫外传感器告警设备已成为电子战技术开发的新热点,各国电子战厂商以它作为新的竞争领域,不断推陈出新。

导弹固体火箭发动机的羽烟及其中的一些成分在受到热辐射和化学荧光辐射时可产生一定的紫外辐射,且由于后向散射效应及导弹运动特性,其辐射可被探测系统从各个方向接收到。紫外传感器告警通过探测导弹羽烟的紫外辐射为被保护平台提供针对各种短程地空、空空导弹的近程防御,确定其来袭方向,发出警报,以便及时采取有效对抗措施。紫外传感器告警实时性要求很高,对低空、超低空高速来袭目标都能进行有效探测。由于紫外传感器告警避开了最强的自然光源-太阳造成的复杂背景,明显减轻了信息处理的负担,在实战中能低虚警地探测目标。它采用光子探测手段,故信噪比高,并具有对极微弱信号进行探测的能力。

2.2 第一代导弹逼近紫外传感器告警系统

第一代导弹逼近紫外传感器告警系统以单阳极光电倍增管为探测器件,具有体积小、重量轻、低虚警和低功耗的优点,但存在角分辨率低、灵敏度不高等缺点。告警器的探测头主要由光学整流罩、滤光片、光电倍增管及其高压电源和辅助电路组成,而设备为凝视探测、多路传输、多路信号综合处理的体制。 

系统采用量子检测手段,信噪比高且便于数据处理,同时它在充分利用目标光谱辐射特性、运动特性和时间特性以及其他特性的基础上,采用数字滤波、模式识别和自适应阈值处理等算法,从而降低虚警,提高系统灵敏度。其工作过程是:紫外探测头的光学系统把各自视场空间内特定的紫外辐射光子(包括目标与背景)收集起来,通过窄带滤波后到达光电倍增管阴极接收面,经光电转换处理后形成光电子脉冲,由屏蔽电缆传输到信号处理系统。该系统对信号进行预处理后送入计算机系统,中央处理器依据目标特征及预定算法对输入信号作出有无导弹威胁的统计判断。

2.3 第二代导弹逼近紫外传感器告警系统

第二代导弹逼近紫外传感器告警系统属成像型告警器,是以面阵器件为核心的探测器,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,所以具有优异的技术性能。 

成像型告警的光学系统以大视场、大孔径对空间紫外信息进行接收,探测器采用256×256、512×512等像素的面阵器件,实现光电图像的增强、耦合和转换。紫外探测头把各自视场内空间特定波长紫外辐射光子(包括目标、背景)图像经光电转换后形成光电图像,经计算机处理后作出有无导弹威胁的判断,并能将威胁导弹以点源的形式表征在图像上,通过解算图像位置得出空间的相应位置,并进行距离的粗略估算。 

同第一代紫外传感器告警设备相比,第二代产品除具有上述特点外还具有很好的态势估计能力。

属于这一代产品的有美国西屋公司的AN/AAR-54型、Grintek公司的MAW-200型,利顿公司的 AMAW型、MILDS AN/AAR-60型和德国、美国合作的 MILDSⅡ型等。

 

3 美国导弹逼近紫外传感器告警技术的新进展

3.1 MAW-200型导弹逼近告警系统

由美国 Grintek Aviotronics公司研制的 MAW-200型紫外传感器告警系统,是一种工作在紫外波段的无源导弹发射探测与逼近告警系统。该系统可探测逼近的地空和空空威胁导弹并能适时告警。当探测到逼近的导弹时,立即启动箔条和红外干扰弹投放装置,自动对威胁实施干扰。它可借助机载的电子战设备显示器向机组人员显示来袭导弹的方向,同时发出音响告警信号。

该告警系统包括1个控制器(处理器)和4个传感器,处理器位于电子战设备的控制器内。位于电子战设备控制器中的处理器负责处理各个传感器接收的数据以及进行内部测试控制和MAW传感器的管理。

该系统采用先进的传感器滤波技术,并带有专门研制的图像增强管和光子计数焦平面阵列处理器。每个传感器有一个进行信号平衡、分割和特征提取的专用数字信号处理器。传感处理器可以分别跟踪几个目标,并把空间和时间数据传送给控制器,然后与实时INS数据进行综合处理,以补偿平台移动、方位和高度的影响。控制器使用导弹类型识别算法,确保虚警率低。信息处理过程中采用中枢网络提取及识别运算法,而威胁信息显示通常由主电子战系统来完成。

MAW-200型告警系统的主要特征如下:(a)全无源探测;(b)虚警率低;(c)不需要飞行中的再校正;(d)无低温冷却;(e)瞬间启动,不需要冷却时间;(f)先进的自测试法。该系统正在研制中,并已进行了实际试验。主要技术性能如下:

每一传感器空间视场:94°(锥形);测向:2°(水平和垂直);探测距离:对肩射式导弹>5km;多威胁探测能力:接近10个目标;重量:传感器(每个):3.1kg,控制器:2.5kg;传感器尺寸:192mm×120mm×120mm。

3.2 无源导弹告警装置

由美国 Lockheed Martin公司红外成像系统分公司研制的无源导弹告警装置,是为 C-130型飞机而设计的,并用来探测潜在导弹威胁。它能识别假目标,当在最佳对抗距离时探测并识别逼近导弹威胁,向电子对抗投放装置发出信号。其告警系统无源探测来自导弹尾焰的光电信号,而非威胁产生的虚警由光谱选择和信号处理算法来消除。 

该告警系统共有4个传感器,但难以在机身上提供360°水平覆盖。信号处理器对来自4个传感器的信号进行运算处理,识别非威胁信号。传感器和信号处理器不需要低温冷却。驾驶员控制指示器包括BIT启动和象限威胁指示器。

3.3  AN/AAR-47型导弹逼近告警系统

由美国 Lockheed Martin公司红外成像系统分公司研制的 AN/AAR-47型导弹告警装置能探测来袭导弹的紫外辐射,并能为飞行员指示威胁导弹的距离与方位。AN/AAR-47型导弹告警器是一种小型、轻量无源紫外威胁告警系统,可用于保护直升机和低空飞机免受来袭导弹的攻击。

AN/AAR-47型可与AN/ALE-39型红外干扰弹/箔条投放器等系统配合使用,并能与AN/AAR-39A型雷达告警接收机一起应用。 

Loral公司最先论证了这种紫外传感器告警系统的可行性,后由 Lockheed Martin公司于 1979年开发出了AN/AAR-46型紫外传感器告警系统,1983年3月,该公司开始全面开发AN/AAR-47型系统。 

该告警系统包括多光学传感器转换器(OSC)单元,一个中央处理器(CD)和一个控制指示器(CI)。多光学传感器转换器(OSC)单元包括6个传感器,传感器安装在机身外部提供全向保护。在通电30s内,系统完成自启动BIT测试程序,其平均故障间隔时间为1500h。为了适应F-16型飞机等机身,现已开发出尺寸较小的传感器。

多光学传感器转换器单元探测来袭导弹羽烟,并把信号输送给中央处理器处理。中央处理器分析来自每一OSC的数据,并自动启动合适的对抗措施。当一发红外干扰弹失效时,AN/AAR-47型自动启动发射第二发红外干扰弹。对于多方向威胁可优先选择对抗顺序。

为了战术机动,控制指示器能够显示最大威胁的来袭方向,并能使飞行员手动操作。告警系统能对多方向威胁自动分析,并按对抗顺序进行优化。系统包括所用的4个OSC单元,其总重量为20.5kg,飞行高度为5240m。

AN/AAR-47型是由 Lockheed Martin公司和 Alliant防御电子系统公司于 1988年投入生产的,现已服役于美国海军和海军陆战队,美国空军和陆军。此外,英国和其他国家的军队也装备了这种系统。目前,紫外传感器告警系统已装备500架以上的固定翼飞机和直升机。Lockheed Martin公司已接到美国海军 750套设备的订单,已应用在直升机和低速飞行的固定翼飞机上。而Alliant防御电子系统公司到目前为止也收到了1192套的订单(首批已于1993年5月交货),以满足美国空军、陆军等部队的需要。该系统还大批安装到美国空军的 C-5、C-7、C-130和 C-141运输机上。

目前,Lockheed Martin公司已开发出改进型带有先进传感器及先进算法和信号处理能力的告警系统,以用于直升机和运输机。

主要技术性能如下:

覆盖区域:360°方位角(由6个传感器给出);功耗:75W(4个传感器系统,每个传感器4W,处理器59W);尺寸:传感器为120mm×200mm;处理器为203mm×257mm×204mm;重量:4个传感器系统:14kg,传感器:每个1.5kg,处理器:7.9kg。

3.4 AN/AAR-54(V)无源导弹逼近告警系统(PMAWS)

美国 Northrop Grumman公司电子传感器与系统分部和英国国防部现已研制成功AN/AAR-54(V)无源导弹逼近告警系统,并已完成测试。该系统可用于各种飞机和地面等平台,可为战术和运输飞机、直升机和装甲战车提供先进的导弹告警。该系统还能够为定向红外对抗(DIRCM)系统提供导弹跟踪信息和目标指示。由于它采用威胁自适应设计,所以能够使用通用的硬件和软件。该系统的到达分辨角为1°,明显降低了虚警率,其探测距离为现有紫外传感器告警系统的2倍。AAR-54(V)在高杂波环境下可同时对抗各种威胁,可在全天候、各种高度下运行。

该系统是由全视角、高分辨率紫外传感器和一个可调制的电子设备组成,可使用1~6个传感器来提供全方位探测。在飞行过程中,该系统能进行内测,为单个传感器或电子线路的损坏提供可更换部件,进行一级保养。

1998年春季AAR-54(V)在荷兰进行了试验。

 

4 其他国家导弹逼近紫外传感器告警技术的新进展

4.1 AN/AAR-60型导弹发射探测系统

由德国利顿公司研制的MILDS AN/AAR-60型导弹发射探测系统能够探测并告警潜在来袭导弹,指明到达方向和离开时间。MILDS能自动,启动自卫操作,如投放红外干扰弹,启动红外干扰机以及机动飞行。它可探测并以紫外光谱波段成像显示导弹尾焰的紫外辐射,使用先进软件算法告警和探测实时威胁。 

MILDS AN/AAR-60型导弹发射探测系统由4~6个传感器组成,每个传感器包括预处理、信号处理和通信处理器。主机包括传感器混合的附加功能。威胁告警包括来袭导弹的方位、高度以及每个导弹的优先性。MILDS于1996年末安装在 NH-9C直升机上。目前,MILDS AN/AAR-60型已全面投产。

主要技术性能:

视场:方位角:每个传感器95°;高度:每个传感器95°;反应时间:<0.5s;分辨率:l°;尺寸:120mm×120mm×120mm;重量:每个传感器2kg。

4.2 MILDS II型导弹探测系统

由德国Daimler-Benz航天公司和美国Litton应用技术公司联合研制的MILDS II型导弹探测系统,可用于探测来袭导弹的逼近,指示导弹的到达方向和时间。它可自动实施自卫措施,如投放红外干扰弹,启动红外干扰机以及机动飞行等。 

MILDS II型可在"太阳光谱盲区"对导弹羽烟中的紫外辐射进行无源探测,并可对其高分辨率成像。通过先进的软件处理系统可判定威胁并进行实时跟踪。

已经计划在MILDS II型主/从装备中设计出4个传感器可更换部件(LRU)。所选的传感器可更换部件采用了专门的技术,每一传感器都是由预处理、信号处理和一个通信处理器组成,主传感器能兼容每一个传感器的辅助功能。威胁数据通过数据链接到电子战总线上。

目前,美国Litton应用技术公司和德国Daimler-Benz航天公司已研制了一种以MILDS II型为基础,可在国际市场上销售的导弹来袭告警子系统(MAWS)。

主要技术性能:

探测方法:无源紫外成像;最大探测距离:普通导弹时≥5km;探测概率:99%;虚警率:1/90min;响应时间:<0.5s;角分辨率: