STSS紅外傳感器探測性能分析

佘二永 彭 灝

中國國防科技信息中心，北京100142

美國計劃研制能力更強的新型天基紅外預警系統(SBIRS)來取代早期的國防支援計劃(DSP)預警衛星系統，SBIRS將由高軌道部分(SBIRS－high)和低軌道部分(SBIRS－Low)組成。其中，SBIRSLow更名為空間跟蹤與監視系統(STSS)，其目標是提供足夠精確的信息以引導攔截器攔截彈道導彈，同時希望能夠提供辨別誘餌和其他假目標的能力，在國家防御戰略中居于重要地位。

1 STSS傳感器的探測參數分析

資料顯示STSS跟蹤傳感器將工作在以下幾個譜段范圍［1－2］:可見光、中長波紅外(MLWIR)、長波紅外(LWIR)。而STSS跟蹤傳感器為了適應探測太陽下溫度約240～500K的目標以及陰影下溫度約180K中段目標的需求，其對應峰值波長在5.8～16.1μm，并且資料顯示長波將大于14μm，因此，對于STSS中長波紅外波段可認為在5～8μm左右，其長波紅外波段為8～16μm左右。

1)探測單元尺寸

探測單元尺寸的縮小受到光學衍射限的制約，約15μm中心矩的焦平面像元尺寸通常被認為是中波紅外探測器的優值，更加小的像元中心矩實際上已經不能直接分辨圖像，而是一種過采樣技術［3］。同時，對于采用雙波段焦平面的共光學孔徑探測系統，長波的探測單元約為中波的一倍。由此，可以設定STSS探測單元尺寸，中長波為20μm，長波為40μm。

2)等效帶寬

探測器噪聲等效帶寬Δf為:

其中，fFm為傳感器的幀頻，tint為探測元的積分時間。焦平面的積分時間越長，目標與背景像元接收到的輻射能量差值就越大，系統的作用距離也就越大，越易于探測目標。在有關STSS信號處理與目標識別的文獻中［4］，幀頻設定為60Hz。因此，STSS目標跟蹤傳感器的噪聲等效帶寬設定為50Hz。

3)口徑

從美國導彈防御系統的天基紅外傳感器發展來看，DSP衛星的紅外傳感器口徑為60cm，MSX衛星的紅外傳感器(SPIRIT－Ⅲ)口徑為38.63cm［5］。因此，STSS作為小衛星，其紅外傳感器的口徑不會太大，可以設定為40cm。

4)探測率

噪聲等效功率密度是決定天基紅外系統探測能力的關鍵因素之一，正確分析探測器的噪聲等效功率密度對準確認識STSS的探測能力十分重要。探測器噪聲等效功率密度NEFD為:

式中，τ0為光學裝置透過率;A0為光學孔徑入口的面積(cm2);D*為探測率(cmHz1/2/W);Ad為探測器面積(cm2);Δf為測量電路的噪聲帶寬(Hz)。

光學透過率在計算中假定2個譜段上光學系統的性能相同，設定為0.7。同時，假設STSS的NEFD相當于MSX紅外傳感器SPIRIT III的長波紅外探測器的NEFD值2×10－18W/cm2，由此，計算得到STSS的紅外傳感器探測率D*為1.6×1013cmHz1/2/W。另一方面，從雷聲公司公布的關于STSS傳感器的信息可以看到，STSS傳感器采用HgCdTe探測器［6］，其制冷溫度為40K［1］，而通過分析40K制冷溫度下HgCdTe探測器的探測率理論數據可知，其長波探測率D*約為1013cmHz1/2/W。

2 中段目標紅外輻射特性分析

通過對中段彈頭與空間環境的熱交換計算［7－8］，可以計算得到總段目標的平均溫度變化，同時由普朗克定律知，目標在紅外波長λ1～λ2的輻射強度為:

式中，c1和c2分別為第一輻射常數和第二輻射常數，ε為目標的光譜發射率，A為有效輻射面積。設定彈頭表面涂層紅外發射率取0.8，在有效輻射單位面積下的中段目標在150～300K溫度下的輻射強度如圖1所示，在300K平均溫度下彈頭中長波5～8μm紅外輻射在15W/sr左右，長波8～16μm紅外輻射在55W/sr。

圖1 中段彈頭輻射強度隨溫度的變化

3 STSS探測能力分析

一般地，傳感器跟蹤目標所要求的最低信噪比S/N≥3;當探測概率Pd=97%，虛警概率Pfa=1%時，所需目標信噪比為S/N=16。而對宇宙深空為溫度約4K的冷背景，其對應的峰值輻射波長約為724.5μm，當傳感器的工作譜段為5～16μm時，深空冷背景在紅外探測器上產生的輻射很小，可忽略不計。STSS目標跟蹤傳感器探測距離計算結果如表1所示，圖2和圖3分別給出了SN=3與SN=16條件下的探測距離隨溫度的變化曲線。

表1 STSS目標跟蹤傳感器探測距離計算結果

已公布的有關STSS的長波紅外傳感器的預期性能數據顯示［5，9］:能夠有效探測到1億km，輻射為6×108W/sr的小行星。對此，假設對于小行星的探測信噪比為3，則計算得到其長波對于55W/sr的中段目標有效探測距離為30000km，這與我們預估得到的24000km性能相當。同時，從探測的幾何關系上分析，STSS在40～100km以內的臨邊高度下，對于最大飛行高度1800km左右的中段目標，其最大探測幾何距離在10000km左右，這也從另一方面驗證了我們分析的其對溫度在300K的中段目標可靠探測距離為10000km。

4 小結

2顆STSS技術演示驗證衛星已成功送入1350km高度、58°傾角的預定軌道，并演示驗證了針對彈道導彈飛行全過程的監視與跟蹤能力。美國導彈防御局正準備開展“精確跟蹤與監視系統”(PTSS)計劃，PTSS并不單純是STSS后續計劃，將追求獲得小型化和可重構能力，因此，計劃放棄助推段噴焰目標的捕獲能力，而只設計為跟蹤中段目標的功能以降低研發價格與風險。隨著PTSS逐步建成，美國彈道導彈防御系統的作戰效能將提升到一個前所未有的高度。

［1］ Space Tracking and Surveillance System(STSS)Block 06 Sensor Suite［EB/OL］.www.raytheon.com.

［2］ Space Tracking and Surveillance System Demonstrators Birth to Death Ballistic Missile Tracking［EB/OL］.www.northropgrumman.com/aerospacesystems.

［3］ 何力，楊定江，倪國強，等.先進焦平面技術導論［M］.國防工業出版社，2011.

［4］ J.Korn，H.Holtz，M.S.Farber.Trajectory Estimation of Closely Spaced Objects(CSO)Using Infrared Focal Plane Data of an STSS(Space Tracking and Surveillance System)Platform［C］.Proceedings of SPIE，2004，(5428):387-399.

［5］ 胡勁松.天基紅外系統-低軌衛星的測量與識別能力［J］.863先進防御技術通訊(A類)，2000，(3):28-35.

［6］ High-Definition Infrared Focal Plane Arrays Enhance and Simplify Space Surveillance Sensors［EB/OL］.www.raytheon.com.

［7］ 佘二永，馬紅妹，等.彈道導彈中段監視與跟蹤仿真系統設計［J］.航天控制，2007，(2):68-72.(She Eryong，Ma Hongmei，et al.Design of Midcourse Surveillance and Tracking Simulation System for Ballistic Missile［J］.Aerospace Control，2007，(2):68-72.)

［8］ 姚連興，侯秋萍，羅繼強.彈道導彈中段目標表面溫度與紅外突防研究［J］.航天電子對抗，2005，(2):5-6.

［9］ 佛顯超，范宏深.空間跟蹤與監視系統探測能力分析，探測與控制學報［J］.2009，(31):49-53.(Fu Xianchao，Fan Hongshen.Analysis of Detection Capability of the Space Tracking and Surveillance System［J］.Journal of Detection＆Control，2009，(31):49-53.)