紫外告警技術現狀及發展分析

鄭海晶，白廷柱

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紫外告警技術現狀及發展分析

鄭海晶，白廷柱

（北京理工大學光電學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081）

討論了紫外告警技術原理，研究了導彈紫外輻射特性和導彈紫外輻射相關的發動機尾焰高溫物質以及尾焰中可燃性物質二次燃燒，介紹了國內外紫外告警裝備的發展及現狀，論述了從第一代概略型紫外告警裝備到第二代成像型紫外告警裝備的發展過程。最后，分析總結了紫外告警技術的發展動向。

紫外告警；日盲紫外；發動機尾焰

0 引言

導彈逼近告警作為對抗前端，是飛機獲取威脅信息、啟動紅外干擾并進行戰術規避的重要前提，作為導彈逼近告警技術的重要組成，紫外導彈逼近告警技術得到了較快發展。目前的紫外導彈逼近告警設備多工作于“日盲”紫外200～300nm波段，利用導彈發動機尾焰的強烈紫外輻射進行被動探測，具有極低的虛警率，能進行導彈發射和逼近探測，同時與其他告警系統具有很好的兼容性，因此紫外告警系統是目前各國軍隊裝備量最大的導彈預警系統之一[1-4]。

1 紫外告警技術分析

1.1 紫外告警技術原理

紫外輻射是指波譜中10～400nm波長范圍的電磁波，其中200nm以下為真空紫外，200～300nm為中紫外，300～400nm為近紫外。在自然界中，太陽是最強的紫外輻射源。高空大氣層中的氧原子強烈吸收真空紫外，該波段的紫外輻射只能在外太空中存在。平流層中的臭氧層對中紫外有強烈的吸收作用，這一波段的紫外輻射在近地大氣中幾乎不存在，該波段也被稱為“日盲區”。

紫外告警設備利用“日盲區”的紫外輻射特點，在極其微弱的背景下探測紫外輻射源，以達到預警的目的。紫外告警系統主要包括3個部分，如圖1所示，即探測單元、信號處理單元和決策單元。探測單元一般包括若干個紫外探測器，組合起來形成全方位角和大空域的覆蓋探測。探測器探測到紫外輻射信號后，經光電轉換將信號送至信號處理單元；信號處理單元對信號進行預處理，再送入計算機依據目標特性及預定算法進行決策判決，確定有無威脅源。如有，則解算其方位角、距離等信息并向控制單元發送信息；若有多個威脅源，還需排定威脅程度的順序[5]。

圖1 紫外告警系統組成

1.2 導彈的紫外輻射

從導彈發動機噴管噴出的燃燒產物中包含大量高溫可燃性氣體，這些氣體與周圍大氣中的氧氣混合后發生二次燃燒，形成火焰流場，稱為尾焰。導彈的紫外輻射絕大部分來自高溫尾焰的熱輻射和二次燃燒化學發光。

1.2.1 輻射機理

1）熱輻射。任何物體，只要溫度高于絕對零度，就會不停地向外發出熱輻射。對于黑體來說，溫度決定了輻射能量和波長分布，當黑體溫度升高時，發出的輻射能量增加，峰值輻射波長向短波方向移動。導彈發動機尾焰的溫度可達2000～3000K，將產生一定量的紫外輻射。

2）化學發光?；瘜W發光是指吸收了化學能的分子由激發態回到基態時所產生的光輻射現象，是化學動力學過程導致的非平衡自由輻射。液體發動機尾焰的主要成分包括：CO2、H2O、H2、O2、N2、OH、CO、NO、H、O和N等，固體發動機尾焰在此基礎上還包括HCl、Cl2和Cl等氣體組分和Al2O3等顆粒物。尾焰中的可燃性組分與周圍大氣中的氧氣在較高的溫度條件下發生二次燃燒反應，使尾焰流場溫度升高，并產生化學發光現象。CO＋O化學發光和OH自由基化學發光是液體發動機尾焰紫外輻射的主要來源，對于固體發動機，不同狀態和直徑的Al2O3顆粒對尾焰紫外輻射影響較大[6-7]。

1.2.2 輻射特征

由輻射機理分析可知，尾焰紫外輻射的光譜及強度取決于尾焰組分分布、流場溫度分布以及二次燃燒反應等。

1）燃料成分。燃料燃燒后經由噴管噴出，燃料組成直接影響尾焰組分種類。液體燃料發動機尾焰中CH*、C2*、OH*（上標“*”表示激發態）等物質是產生化學發光的主要反應物；固體燃料中通常會加入鋁粉，因此固體燃料發動機尾焰中一般會有Al2O3顆粒物存在，高溫Al2O3顆粒會發出一定量的紫外輻射并對入射紫外輻射產生散射作用。以上這些物質的含量變化直接影響到尾焰紫外輻射的光譜分布及強度分布。

3）飛行高度。導彈飛行在小于50km的低空時，尾焰卷吸大氣形成湍流，尾焰中的可燃性組分與大氣中的氧氣發生二次燃燒反應，從而改變尾焰溫度分布和組分分布，引起紫外輻射光譜分布和強度分布的變化。二次燃燒反應同時產生化學發光，發出紫外輻射。當導彈飛行高度增加時，大氣變得稀薄，氧氣含量減少，二次燃燒程度降低，尾焰溫度變化程度相應地降低，尾焰紫外輻射也會相應的變化。

4）觀察角度。告警設備對不同方向的導彈進行探測時會有不同的輻射強度分布。當紫外告警設備正對來襲導彈時（設為180°），由于彈體擋住大部分尾焰及二次燃燒區域，此時探測到的尾焰紫外輻射強度最小；當觀察角度為60°～90°時，輻射面積及二次燃燒區域最大，此時可探測到最大的紫外輻射強度；當導彈遠離告警設備即觀察角度為0°時，尾焰輻射區域為圓盤狀，只有向后方發射的紫外輻射才能被探測到。

紫外告警設備通過探測來襲導彈尾焰紫外輻射光譜分布及強度分布，以計算來襲導彈種類、威脅方向、距離等信息，并做出相應的決策，如實施干擾、采取規避措施或者對敵方導彈進行攻擊等。

2 國外紫外告警設備現狀

從20世紀60年代開始，國外已經開始了在紫外波段探測導彈的研究工作，早期的研究主要集中在對導彈尾焰紫外輻射的測量工作上。80年代后，隨著紫外探測技術的發展，利用“日盲區”紫外輻射對來襲導彈進行告警也取得了重大的進展。紫外告警設備從技術上可分為第一代概略型和第二代成像型，其主要區別在于紫外探測器，前者使用光電倍增管，后者使用像增強器。

2.1 第一代概略型

2.1.1 AN/AAR-47

第一代概略型紫外告警設備通過紫外物鏡接受導彈尾焰的紫外輻射，使用單陽極光電倍增管作為光電轉換器件，信號放大后傳輸到信號處理系統，經過預處理后送入計算機系統，根據目標特征及預定算法做出相應決策。

典型的第一代紫外告警設備有美國ATK公司的AN/AAR-47、以色列Rafael公司的Guitar-300、Guitar-320以及南非的MAWS等。

AN/AAR-47系統被動探測導彈紫外輻射信號，利用相關算法區別來襲導彈與虛假信號。新版本系統包含激光預警傳感器，能夠探測更大范圍的威脅源。通過分析威脅源特征，系統提供給飛行員音頻和圖像信號進行預警，并指示威脅源方位。另外，該系統還會發送信號給紅外對抗系統，后者得以開展例如發射誘餌彈等行動。

AN/AAR-47全系統包括4個探測器、一個處理單元和一個信號指示器，4個探測器分別指向4個方向，能在導彈到達前2～4s發布警報。表1所示為AAR-47性能參數。圖2所示為安裝在USMCV-22“魚鷹”飛機上的AAR-47。

表1 AAR-47性能參數

圖2 安裝在魚鷹飛機上的AAR-47系統

AAR-47告警系統雖然是非成像裝備，但以其良好的探測性能和兼容性一直得到軍方的青睞，經過不斷的升級和功能增強，目前在探測器市場仍占有很重要的位置。該系統已成為美國海軍裝備最普遍的導彈告警系統，并進行了多次實戰檢驗，在QF-100型無人機試驗中，從各個方向向靶機發射了19枚地空導彈和2枚空空導彈，無一漏報；在廷德爾空軍基地進行的試驗中，又發射了十幾枚空空導彈，同樣獲得了成功。當QF-100型無人機裝備該系統飛行在9143m高空時，檢驗附近加速飛行的F-16戰斗機對該系統的虛警情況，獲得了令人滿意的效果。在其他一些試驗中，該系統還能在導彈向飛機發射后不到1s的時間內控制投放紅外誘餌彈，滿足了防御近程肩扛式導彈的需要。該系統還具有在運輸機起落過程中保護飛機的能力。

AN/AAR-47由Loral（現為BAE公司一部分）和ATK公司開發。最初版本的AN/AAR-47(V)1由Loral公司在1983年研制出，ATK公司在90年代中期參與研制，最后完全由ATK公司承擔。1998年，ATK公司推出改進型的AN/AAR-47(V)2，其中加入了激光告警功能。到2005年，此類型號設備已經售出超過5000套。2006年，AN/AAR-47A(V)2實現量產，此型號預警設備進一步增強了激光預警功能。2008年，升級型號AN/AAR-47B(V)2研制成功，在以前型號設備功能的基礎上，加入了敵方火力指示器（Hostile Fire Indicator，HFI）。HFI可以探測火箭榴彈和曳光彈，更一步增強了探測導彈的能力。2009，美國海軍訂購了超過1600套AN/AAR-47B(V)2[8]。

2.1.2 MAW-300

Saab Avitronics公司生產的MAW-300工作在“日盲”紫外波段，使用光電倍增管作為探測器件，對抗響應時間為2～3s，每個傳感器110°錐形視場角，覆蓋全視場。其性能參數如表2所示。

表2 MAW-300性能參數

2.2 第二代成像型

第二代紫外告警系統使用像增強器作為探測器件，主要通過大相對孔徑的廣角紫外物鏡接受導彈尾焰的紫外輻射，通過解算圖像位置，得出相應的空間位置并進行距離的估算。相對于概略型告警系統，它探測和識別目標的能力更強，角分辨力更高，不僅能引導煙幕彈、紅外誘餌彈的投放，還能指引定向紅外干擾機，具有多目標探測能力，能對導彈的威脅等級進行排序，精確給出威脅目標的方向。成像型告警系統是紫外告警系統發展的主導潮流。

2.2.1 AN/AAR-54(V)

美國Northrop Grumman公司生產的AN/AAR- 54(V)被動探測導彈尾焰紫外輻射，可追蹤多個紫外輻射源，迅速精確地對每個輻射源進行分類，并將威脅信號發送到對抗系統中，以便其做出最優反應。AN/AAR-54最早被稱為PWAWS-2000，可探測地-空導彈以及空-空導彈，可安裝在固定翼飛機、直升機以及地面裝備上，常用在特種作戰直升機和低空飛行運輸機上，如MC-130?，F裝備該預警系統的國家有澳大利亞、德國、荷蘭、葡萄牙、英國以及美國（美國特種作戰司令部、美國運輸司令部）。另外，美國國土安全部正考慮拓展其民用用途，將其作為航線保護系統的一部分[10]。

AN/AAR-54(V)性能參數見表3，圖4所示為該系統實物圖。

表3 AN/AAR-54(V)性能參數

圖4 AN/AAR-54紫外導彈逼近預警系統

2.2.2 MILDS AN/AAR-60

法國MBDA和德國EADS公司研制的MILDS AN/AAR-60是一種基于高性能凝視紫外成像探測器的機載導彈告警系統，是目前世界上體積最小、性能最好的告警器之一。其探測系統采用硅CCD陣列，由于每一像素對應的視場比單元光電倍增管視場小得多，使得對同樣的信號只產生較小的噪聲，可有效降低背景噪聲，其信噪比比使用光電倍增管的AN/AAR-47提高幾個量級。

MILDS系統最多可包括6個紫外探測器，每個探測器具有120°錐形視場，6個探測器可提供全空域覆蓋。每個探測器自帶處理器，每個處理器可控制全系統，故在只剩下一個探測器時也能正常工作。該系統不僅能指示目標來襲方向，還能估算其距離，系統響應時間約為0.5s，平均故障間隔時間（MTBF）＞9600飛行小時，探測距離約為5km，可同時應對8個目標，可在海拔高度14km下工作，目前已有超過4000臺MILDS AN/AAR-60告警器應用在運輸機和直升機平臺上，如CH-47和C-130。表4所示為MILDS 系統性能參數。

表4 MILDS AN/AAR-60性能參數

AAR-60(V) 2是其升級型號，由美國和德國聯合研制，該系統于2010年開始生產，可應用在戰斗機上，目前已裝備在歐美的部分F-16戰斗機，希臘空軍F-16的機載自衛綜合系統II含有AN/ALE-47箔條/曳光彈投放器和MILDS AAR-60(V) 2[11]。

2.2.3 Guitar-350

2001年5月，針對戰斗機、直升機和運輸機的導彈預警，隸屬于以色列裝備開發局（Armament Development Authority）的Rafael公司研制出被動導彈預警系統Guitar-350，該系統工作在紫外波段，探測導彈尾焰發出的紫外輻射，當探測到威脅源時發出警告并激活機上紅外對抗系統。

Guitar-350系統的單個探測器視場角為120°，系統處理部分包含內部慣性角度單元（Internal Inertial Angular Unit），可補償飛機的擺動操作。利用大口徑物鏡，該系統比現有的導彈告警系統靈敏度高，且擁有更遠的預警距離。Guitar-350已成功驗證可對100多種類型的導彈進行預警，包括空-空導彈、反甲導彈和地-空導彈，可探測導彈發射，也可對飛行中的導彈進行追蹤，系統的復雜算法可排除假目標（閃光彈等）的干擾。

裝備于直升機的Guitar-350系統有4個探測器，覆蓋水平360°、俯仰120°的可攻擊視場；裝備于戰斗機的Guitar-350系統使用6個探測器，覆蓋全球形空間視場。Guitar-350導彈預警系統能提前4～6s進行預警，總質量不超過15kg，總功率不超過200W。圖5為Guitar-350的展示圖[12]。

2.2.4 101KS-U

101KS-U紫外傳感器是101KS光電套件的一部分，該光電套件還包括：101KS-O定向壓制光電球、101KS-N機載吊艙、101KS-P紅外成像探頭和101KS-V光電探頭，該光電系統將會裝備于俄羅斯蘇-57戰斗機上，如圖6所示。

101KS-U光學探測窗口分布在戰機全身，其中單窗口的101KS-U/01位于飛機前部兩側，2個雙光學窗口二合一的101KS-U/02分別布置在機腹和機背，形成全機360°覆蓋。蘇-35也裝備了類似光學設備，蘇-35的此類裝備不僅可以進行導彈逼近告警，也能紅外成像，形成“透明座艙”。101KS-U的一個特色是一個光學窗口有2個探頭，一個大探頭用于導彈逼近告警，另一個小探頭用于激光感應[13]。圖7所示為101KS-U展示圖。

圖5 Guitar-350展示圖

圖6 蘇-57全身裝備位置示意圖

圖7 101KS-U展示圖

3 國內紫外探測技術現狀

國內在紫外告警系統的研制及裝備方面的工作公開資料不多，目前，僅有東北電子技術研究所研制的SE-2型導彈逼近紫外告警系統公開展出，該設備采用成像型探測器，角分辨率、探測及識別能力都達到一定水平，能確定其攻擊距離并發出警報，適當改進后還能裝備到坦克、裝甲車等多種作戰平臺上，與國外裝備的差距在于虛警率高[14]。

雖然很少有實用的導彈紫外預警系統資料公開，但是在紫外預警關鍵技術方面的相關工作還比較多，如：

北京理工大學的婁穎基于導彈的紫外輻射特性、輻射傳輸的大氣特性以及探測器件的性能參數等，提出了紫外告警系統探測距離的估算方法[15]；國愛燕用數值仿真方法建立了液體和固體火箭發動機尾焰三維紫外輻射分布模型，并與實驗數據對比，計算結果與實驗數據具有一致性，研究結果反映了不同視角下火箭發動機尾焰紫外輻射強度的空間變化[6-7,16]。

北方夜視科技集團公司的賀英萍提出了一種紫外像增強器分辨力和視場質量的測試方法，用以分析紫外像增強器的光學成像特性和視場質量，其測量精度約為5%[17]；李曉峰對Rb2Te(Cs)、K2Te和CS2Te日盲紫外光電陰極進行了探索，研究了制作工藝，測量了陰極樣品的光譜響應、光譜反射率及光譜，研究結果表明Rb2Te(Cs)、K2Te及Cs2Te紫外陰極均可用于日盲紫外探測成像器件[18-20]。

南京理工大學的吳星琳設計了紫外像增強器信噪比測試系統，利用研制的測試系統研究了微通道板兩端電壓對日盲型紫外像增強器信噪比的影響，結果表明電壓小于850V時，像增強器的輸出信噪比隨電壓增大而增大，當電壓超過850V時，信噪比基本維持不變[21]。劉濤提出了一種用于測試紫外像增強器輻射增益的測試儀，輻射計最低探測強度達10－11W/cm2，最低亮度探測閾值可達3×10－4cd/m2，輻射增益測試重復性優于±8%[22]。

電子科技大學的郭晶研究了大氣紫外臨邊輻射及偏折效應，建立了紫外波段大氣的臨邊輻射模型，并分析了大氣偏折響應帶來的影響，其計算結果可為紫外探測系統的仿真應用提供相關的理論基礎[23]。

空軍第一航空學院的李志偉研究了導彈殼體受熱及尾焰的輻射特性，分析了其紅外、紫外光譜特性以及背景輻射對導彈偵察的影響，并提出了擴展紅外工作波段、采用紅外/紫外雙色以及綜合應用多色以提高機載光電偵察效果的技術方法[24]。

中科院上海技術物理研究所的盧怡丹分析了InGaN紫外探測器的研制過程，利用金屬有機化學氣相沉積方法生長GaN外延材料，通過刻蝕、鈍化、歐姆接觸電極等工藝制作了InGaN紫外探測芯片，最后測量了該探測芯片的性能。通過測試和分析，該紫外探測芯片在360～390nm波段表現了良好的響應[25]。徐菲菲針對天基紫外探測系統，在290～400nm的紫外窗口建立了不同場景空間雜波輻射模型，并利用該模型分析了空間背景雜波輻亮度的主要影響因素，估算了雜波影響下系統的探測性能[26]。中國人民解放軍的劉火平和中科院上海技術物理研究所的尹達一等利用自行研制的一套紫外光學成像設備，驗證了地面紫外探測器可以實現對高空高速再入目標探測成像，獲取了40km以上高空高速再入目標的地面紫外探測圖像，突破了地面光學探測從未獲取臭氧層以上高空高速目標紫外圖像的空白記錄[27]。

4 發展分析

隨著紫外探測技術的不斷發展，紫外告警系統性能不斷提高，應用領域也不斷擴展，告警系統向綜合一體化方向不斷推進。

1）核心探測器件-紫外探測器不斷推陳出新。早先的光電倍增管被成像的面陣器件所取代，且探測靈敏度不斷提高；新的紫外探測器材料在不斷研究中，基于固體紫外探測器的紫外告警裝備有望問世。

2）系統性能不斷提高。新型成像型紫外告警系統在探測距離、角分辨率和靈敏度方面會不斷提高；隨著對不同類型、不同條件下的導彈紫外輻射特性的研究積累，紫外告警系統的決策單元越來越智能，虛警率會不斷降低，戰場實用性會進一步提升。

3）應用領域不斷擴展。紫外告警系統的應用領域從最初的低速飛行器到高速飛行器，從空中平臺到地面坦克、裝甲車及水面艦艇，其應用平臺不斷擴展，甚至從軍用領域擴展到民用領域。

4）向綜合一體化發展。紅外告警、紫外告警到雙色告警這一技術發展沿革構成了幾十年來導彈告警發展的路線圖，先進的探測器陣列和處理技術更促使越來越多的小型傳感器在飛機上應用，同時雙色紅外告警系統已形成裝備，并與其他光電裝備形成搭配，將導彈告警、態勢感知、輔助導航等多功能一體化[28]。

5 結束語

國內紫外探測關鍵技術不斷發展和積累，高性能的紫外告警設備終將出現；國際上隨著紅外告警、紫外告警、激光告警和一體化告警技術的不斷研制和開發，其告警精度越來越高，效果越來越好。在未來現代化戰爭或局部戰爭中，適時使用告警設備將會使戰斗人員的生存幾率大大提升。

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Development Analysis and State of Ultraviolet Warning Technology

ZHENG Haijing，BAI Tingzhu

(,,100081,)

The principle of ultraviolet warning technology is discussed in this paper. The ultraviolet radiation characteristics of missiles, hot matters in the exhaust plumes from missile engines, and the secondary combustion of the flammable substances are investigated. Next, the development and state of ultraviolet warning equipment both at home and abroad are introduced. The development of the ultraviolet warning equipment from the first generation of the typical type to the second generation of the imaging type is presented. Lastly, the trend of the ultraviolet warning technology is summarized.

ultraviolet warning，sun-blind ultraviolet，exhaust plume

TN23

A

1001-8891(2017)09-0773-07

2017-08-29；

2017-09-12.

鄭海晶（1988-），男，博士研究生，主要從事尾焰紫外、紅外輻射測量與仿真研究。E-mail：3120120251@bit.edu.cn

白廷柱（1955-），男，教授，主要研究方向為光電成像技術、紅外仿真、紫外通信等。E-mail：tzhubai@bit.edu.cn。

863計劃資助項目（2007AA12Z101&2009AA01Z225）；預先研究（9140C610301110C61）；總裝預研基金項目。