【技术资料】美国预警卫星探测器及其技术.doc

一、美国的预警卫星 美国的导弹预警卫星系统，从“导弹探测预警卫星”（midas）、“弹道导弹预警系统”（bmews），到“国防支援计划”（dsp）卫星群，迄今已经走过了40多年的发展历程。目前美国使用的预警卫星系统是第三代“国防支援计划”预警卫星系统。该系统于1989年开始发射，预计到2010年左右退役。目前“国防支援计划”星座由颗工作星和颗备份星组成。4颗工作星分别定点于西经37度（大西洋位置）、东经10度（欧洲位置）、东经69度（印度洋位置）和西经152度（太平洋位置），备份星则定点于东经110度（东印度洋位置）。工作星固定地对地球上某一地区进行扫描，昼夜对地面进行监视，分别由本土地面站、欧洲地面站和其它海外地面站控制。卫星虽然运行在地球静止轨道上，但也具有莫尔尼亚型大椭圆轨道能力，从而在必要时可使整个星座能有效地实施全球覆盖。星上装有改进的红外探测器、一台带望远镜头的高精度电视摄像机、信息处理系统和通信系统。卫星采用三轴稳定方式工作，整星采取了加固措施。由于“国防支援计划”系统对战术弹道导弹预警能力不足、中段跟踪能力欠缺，因此美国国防部于1994年年底决定以“天基红外系统”取代“国防支援计划”系统。“天基红外系统”的基本目标是完善对战略弹道导弹的预警能力，扩展对战术弹道导弹的预警能力。实际上它将承担导弹预警、导弹防御、技术情报和作战效果分析四项任务。这一新的导弹预警系统将现有的开发研究计划融合成一个系统，以满足21世纪美军对全球范围内战略和战术弹道导弹预警及天基红外监视的需要。“天基红外系统”是由高轨道部分（sbirs-high）和低轨道部分（sbirs-low）组成的复合型预警卫星系统。其中高轨道部分包括4颗地球同步轨道卫星及两颗大椭圆轨道卫星，主要用于探测、跟踪处于助推段的弹道导弹；低轨道部分称为“空间与导弹跟踪系统”，可由1230颗低地球轨道卫星组成，主要用于捕获、跟踪在中段飞行的弹道导弹，还可改善对弹道导弹发射点及弹头落点的定位能力，并能提示其它探测器对导弹进行跟踪。地面系统包括一个美国本土任务控制站，几个海外中继地面站，几个多任务移动处理站以及相关的基础设施和训练、发射、支持设施。目前高轨道系统和低轨道系统都处于工程与制造开发阶段，按目前的计划将在2007年发射首颗高轨道系统卫星，在20082009年发射头两颗低轨道系统卫星。整个星座在2020年部署完毕。 二、美国预警卫星的探测器及其相关技术 随着科学技术水平的不断提高，新材料、新工艺，尤其是超大规模微电子集成电路和微机电系统技术的出现，对导弹预警卫星系统的战术性能起着关键作用的主要载荷探测器的技术获得了极大的发展。其中红外敏感探测器具有无源探测的隐蔽性、高温度灵敏度、高分辨率成像、体积小、重量轻、探测波谱范围宽、在超真空状态下可全天候工作等优点，在军事探测，特别是在导弹预警卫星系统中，有着无可比拟的优越性能和广阔的发展前景。历年来，美国国防部一直将红外敏感器技术列入关键技术计划项目中。1 20世纪美国导弹预警卫星系统红外敏感器的发展历程20世纪60年代，由于“导弹探测预警卫星”系统所使用的红外敏感器的探测波长为23微米，抑制背景的能力很差，无法将导弹助推段的羽烟与高空云层反射的阳光、地球表面的火灾，甚至炼钢厂的火光加以区分，导致虚警概率极高。为此，美国国防部批准研制新的导弹预警卫星系统“国防支援计划”卫星群。在20世纪70年代初所发射的第一代“国防支援计划”卫星上，红外敏感探测器采用有2000个探测元的硫化铅线阵列，结合电荷耦合器件（ccd）技术，其探测波长为27微米，光谱带宽约为01微米，能提供地平线下的覆盖范围。使用这种接近大气吸收带中心的窄光谱波段进行探测，有效地抑制了地球和大气背景的辐射干扰，从而降低了虚警概率，但由于需要等到导弹穿出约8千米的云层后才能对其进行探测，故而减少了预警时间。由于弹道导弹的助推段仅占其全射程的很小一部分，依据短时间的羽烟信号只能估算出地理位置和弹道平面，亦即只能给出方位而不能测距，也无法准确地预测弹着点，其地面分辨率为35千米。此外，由于卫星采用自旋姿态稳定，卫星以57转/分的速率旋转，红外探测器的望远镜每隔1012秒对地球一个环形地域推扫复测一次，造成信号获取的不连续性，影响了系统灵敏度的提高。这一代卫星上的红外探测器基本上是一个搜索系统，还不具备跟踪目标的能力。70年代中期在第二代“国防支援计划”卫星中，红外敏感探测器采用有2000个探测元的硫化铅线阵列；卫星改为三轴姿态稳定，采用物空间扫描的圆锥扫描方式，红外探测器望远镜可以连续地对地面进行圆锥扫描。与利用卫星自旋姿态稳定的扫描方式相比，圆锥扫描方式有如下优点：各探测器阵元对系统光轴呈固定角，经处理可产生平直的扫描场，扫描镜不产生附加像差，光学系统可达到较小的焦距及孔径之比；各探测器阵元的谱段宽度一致，可以较充分地发挥红外探测器的性能。这一代卫星的地面分辨率提高到约3千米。系统的灵敏度也得到提高。20世纪80年代中期至后期，在所发射的第二代最后两颗“国防支援计划”卫星上，使用了两个线阵扫描型的红外敏感器。其中一个是有42000个探测元的硫化铅ccd主红外敏感器，探测谱段为短波红外，探测波长为2735289微米；另一个是有44000个探测元的碲镉汞中波红外敏感器，探测波长为4344微米。改进后的红外敏感器，不仅提供了地平线下覆盖，也提供了地平线上覆盖，增加了极区和全球覆盖能力，将地面分辨率提高到15千米。由于改进了地面数据处理系统，提高了处理速度，因而增加了预警时间。从20世纪80年代末至今，第三代“国防支援计划”卫星已发射了9颗。卫星加强了防辐射能力、抗激光干扰能力和机动变轨抗攻击能力，并增加了反卫星撞击报警装置。卫星上除有核爆炸探测器外，还有红外探测系统、紫外跟踪探测系统、星球探测系统、状态监测系统、信号电子系统和激光通信系统等6种有效载荷。其红外敏感探测器采用有6000个探测元的碲镉汞“双色”焦平面阵。“第一色”的探测波段为短波红外，波长为2729微米，“第二色”为中波红外，波长为4344微米；短波红外用于探测处于助推段的导弹，中波红外探测处于飞行中段的导弹，紫外跟踪探测器用于跟踪弹头，激光通信系统用于“国防支援计划”星座之间的通信。由于双色探测器系统能同时记录两个波段的光谱信息，而不必使用光束分离或光束色散系统，亦即采用全反射光学系统的镜头，便能满足多谱段的探测，因而使红外探测系统得到简化，也增加了可靠性。卫星采用了星上延时积分和多路传输技术，使星上信息处理与传输系统的能力得到很大提高。美国“国防支援计划”各阶段情况及红外敏感探测器参数见表1。2 21世纪美国天基红外预警系统敏感器的技术现状与发展趋势（1）天基红外预警系统红外敏感探测器技术 “天基红外系统”采用了全新设计的红外敏感探测器。在高、低轨道星座的卫星上皆配备“扫描”型与“凝视”型两种相互协同工作的红外敏感探测器。 高轨道星座的4颗地球静止轨道卫星和两颗大椭圆轨道卫星除装有紫外和可见光探测器外，还采用了两种红外敏感探测器，即一个用于搜索、能高速覆盖全球的扫描型红外敏感探测器和一个用于小范围监视的凝视型红外敏感器。扫描型敏感器用于搜索目标；发现目标后，用凝视型敏感器进行监视，并获取导弹发射和飞行的详细数据。 低轨道星座的卫星将成对工作，以提供立体观测。卫星间通过60吉赫的交互线路通信。每颗星上装有两种类型的红外敏感器，其中一个是宽视场高速捕获扫描型红外敏感器。它一旦捕获到目标，便将信息转给星上的窄视场精密跟踪凝视型红外敏感器。其中捕获探测器为短波红外探测器，而跟踪探测器则包括几个可见光、中波、中长波及长波红外多色探测器。a 凝视型红外探测器 凝视型红外探测器采用红外焦平面阵，与实现信号处理的ccd或电荷注入器件（cid）相结合，即将红外探测元的二维阵列同ccd或cid集成在一块基片上（单片式）或分别制作后相互连接（混合式）。由此制成的红外焦平面阵探测器，除敏感经光学系统聚焦的红外辐射外，还兼有信息记忆和多路传输功能。 凝视型红外探测器的工作原理 凝视型红外敏感器采用多路分时复用的信号传输方式工作。在红外焦平面阵上，每个探测元对应一个像元位置。当在焦平面探测元阵列上进行电扫描时，整个探测器的光敏面便直接对应一个空间视场。在一个扫描行的光积分时间内，光电探测器的所有单元都对地面“凝视”。在两扫描行光积分的时间间隙，读出电路将探测器焦平面阵上所有探测元的光电荷读出，将光信号转换成为后续信号处理模块能直接处理的有序图像信号。凝视型红外敏感器从理论上讲也是扫描，属于无需靠机械转动的电扫描，扫描的帧时为30毫秒至几百毫秒。 凝视型红外敏感探测器的特点 凝视型红外敏感探测器的最大优点是具有更高的精度和地物杂波干扰抑制能力。由于红外焦平面阵把红外探测元有效和高密度地封装在焦平面上，具有延长信号积分时间、压缩信号带宽、抑制空间杂散噪声、消除图像上固定地球背景噪声的能力，因而提高了信噪比，使探测系统的灵敏度及空间分辨率得到了提高。此外，由于红外焦平面阵采用多路传输技术，大幅度地减少了信号引线的数目，有效地简化了系统的结构，提高了系统设计的灵活性和工作的可靠性。它采用电扫描探测方式（凝视），减少了光学采集孔径，免去了复杂的光机结构和运动部件，降低了探测器系统的体积和重量，增加了系统的寿命和可靠性。其凝视方式使信息的获取具有连续性和实时性，增加了时间灵敏度，跟踪精度获得了提高。凝视型红外焦平面阵需要解决的问题是：由于数量众多的探测元之间具有一定程度的非均匀性，所以探测性能会受固定图形噪声的影响，必须予以修正。另外，探测元数目的增多也会加大功耗，产生热量，因而需要低功耗、低振动、长寿命的高效致冷机。b 扫描型红外探测器 扫描型红外探测器将红外探测元制成一维阵列。 扫描型红外探测器的成像原理 扫描型红外探测器采用光机扫描成像方式。它通过扫描镜头的机械运动，使探测器通过光学系统以一个非常小的瞬时视场，从一端到另一端顺序“看到”扫描行的所有部分。时序电路按瞬时视场在地面的“脚印”，把扫描行在几何上分为不相重叠的像元，经模数变换将数据记录下来。不断重复此过程，加上卫星的飞行，即可得到目标信息的二维像元图像。扫描型红外敏感器的扫描帧时一般为110秒。在扫描型红外探测器的光学系统中，线列探测器上的每个探测元都对应一个像元位置，即红外探测器的光敏面对应着一定的空间视场。这个空间视场内的红外辐射能量将响应于探测器各单元的光敏面上。当光学系统和探测器一起做机械旋转时，对应的空间视场便在物空间进行扫描。当扫描到空间某一特定目标时，探测器便输出一个光信号，经光电转换后输送给信号处理系统，然后送出。 扫描型红外敏感探测器的特点 扫描型红外敏感探测器的优点是总视场大，即扫描覆盖范围宽，因此广泛应用于大范围搜索。但是，它对于由背景空间的不均匀性而引起的空间杂散噪声比较敏感，所获信息不连续，且信息点间隔大，容易漏过飞行时间短暂的目标，影响测定导弹发射点和弹着点的精度。因此，扫描型探测器需要结合凝视型探测器协同工作。c导弹飞行中段监视探测器技术 “中段空间试验”（msx）卫星的目的由于弹道导弹的助推段和再入段历时很短（助推段约为100300秒，再入段约为30秒），而飞行中段要长很多（约为330分钟），所以反导的重点时段是在飞行中段。在中段飞行的导弹具有3个特点：导弹为高速运动目标，速度为35千米/秒；导弹发射时间不定，天空背景和下垫面变化无常；导弹飞行过程中温度逐渐降低。因此，天基导弹预警系统不仅要具有分辨热目标及冷目标的能力，还要有测量地球外缘杂波和地球大气成分的能力。这就需要利用不同探测波长的探测材料，使波谱能覆盖从紫外、可见光到超长波红外的范围，即110纳米28微米。为此，美国国防部于1996年4月发射了“中段空间试验”卫星。该卫星除了要完成上述任务外，还要进行太空目标检测、上层大气环境信息收集、天空背景光探测以及地球背景环境探测研究。该卫星工作于太阳同步轨道，采用三轴姿态稳定。 “中段空间试验”卫星的探测器 卫星上配备了三台光学遥感器，波段范围从紫外到远红外（即超长波红外）。“紫外、可见光成像仪与分光成像仪”（uvisi）由“紫外、可见光成像分光仪”（uvis）和“分光成像仪”（si）集合而成。uvis又由紫外成像仪（窄视场与宽视场）和可见光成像仪（窄视场与宽视场）组成，技术特性见表2。si为窄视场分光成像仪，技术特性见表3。“天基可见光相机”（sbv）是一种可见光全波段ccd相机，光谱范围为0309微米，视场为1466度，空间分辨率为60微弧度，孔径13厘米，内装信号处理器。“空间红外成像望远镜”（spirit）iii由热红外成像辐射计和傅里叶变换干涉光谱仪组成。热红外成像辐射计的光谱范围为4225微米，分成6个谱段，视场角为10度30度，瞬时视场角为90微弧度90微弧度，谱段设置见表4。傅里叶干涉光谱仪孔径为355厘米，光谱范围约为2529微米，分为6个谱段，谱段设置见表5。“中段空间试验”卫星通过spirit-iii和uvisi探测导弹飞行中段初始段的动力学特征和辐射特性，了解此阶段对导弹进行有效侦察和跟踪的机理，并利用sbv、spirit和uvisi获取分别处于静止轨道、高轨和低轨的太空目标的动力学特性和时空分布特性。天空背景光探测项目包括太阳处于地平线以下时的背景光探测、太阳离开地平线上升时的曙光探测和降落时的余晖探测。前者探测波段为200300纳米，后者探测波段为110900纳米。此外，还用spirit-iii和uvisi进行红外及紫外探测，以开展星球光和其他漫射光的研究。用spirit-iii的热红外成像辐射计探测地球背景环境，包括地球表面热成像和对流层热结构（时空）。通过uvisi测量中子、离子及高层大气密度，了解太空粒子和上层气体污染程度。（2）天基红外预警系统红外探测器技术的发展现状和趋势 a红外焦平面阵 由于天基红外预警系统探测的目标距离远，为提高跟踪精度，扩大视场，提高系统成像的分辨率和目标识别能力，必须发展高集成度的红外焦平面阵，即研制探测元数目多、密度高、均匀性好、灵敏度高、噪声低且量子效率高的多色红外焦平面阵。 大规模集成焦平面阵列 超大规模微电子集成电路制造技术是实现红外焦平面阵技术发展的关键技术之一。目前，美国陆军研究室、雷声公司和洛克韦尔国际科学中心采用分子束外延（mbe）工艺，在硅片上生长制作的阵列规模已达到2k2k（即20482048）元的水平，正在向4k4k发展。 探测元尺寸 为实现1兆级以上的高密度焦平面阵，必须缩小探测元尺寸。目前洛克韦尔中心的pace-1型10241024元碲镉汞焦平面阵列的规格为08微米，像元尺寸为18微米18微米，雷声公司和喷气推进实验室的分别为89微米2和1415微米2。相应的信号处理读出电路多路传输技术必须能满足发展这种高密度大型阵列的要求。如洛克韦尔中心的hawa-220482048位cmos多路传输器读出集成电路（roic），其光刻的每一、四象限曝光区精度达005微米，晶体管数达1300万个。预计未来像元尺寸还会进一步缩小。 双色和多色阵列 双色和多色工作的焦平面阵列传感器将是发展的重要方向。目前的镓铝砷/砷化镓量子阱结构双色传感器焦平面阵阵列规模已达640480元。未来将在双色焦平面阵列技术所取得的成果基础上，继续发展三色或多色焦平面阵列技术。 非致冷红外焦平面阵列 致冷工作的红外焦平面阵列技术已经历了数十年的发展，目前已能做到77开的工作温度，未来将向非致冷红外焦平面阵列发展。 红外焦平面材料 对于天基红外预警系统而言，要跟踪飞行在不同阶段的导弹（助推段、中段和再入段）和具有不同辐射特性的弹头，需要相应采用具有不同响应波段的探测材料，即工作在短波红外、波长为13微米，中波红外、波长为38微米，长波红外、波长为814微米和超长波红外、波长为14微米01毫米的探测材料。目前，洛克韦尔国际科学中心研制成的13微米短波红外碲镉汞焦平面阵列hawa-2的规模已达20482048元，正在研制40964096元的特大型阵列，主要用于天文和低背景探测。38微米中波红外碲镉汞阵列规模已达20482048元，正在采用拼接技术研制40964096元的阵列，工作温度低于77开；铂化硅阵列已达19681968元；锑化铟阵列规模达10241024元。814微米长波红外焦平面阵列主要为碲镉汞、镓铝砷/砷化镓多量子阱阵列、硅锗异质结构阵列和非致冷红外焦平面阵列。鉴于碲镉汞材料的高量子效率，以及它在814微米波段所具有的优异的工作能力，使制成的碲镉汞双色焦平面成像系统的温度分辨率大大高于其他形式的红外成像系统。因而，基于此种材料所制成的双色焦平面阵探测器，如碲镉汞-硅，在空间探测上具有极为广阔的应用前景。目前，长波红外碲镉汞焦平面阵列规模为256256元。而镓铝砷/砷化镓多量子阱阵列和非致冷红外焦平面阵列技术发展很快，规模已达到640480元，已评估了10241024元的双色阵列，正在集成四色阵列。 红外焦平面阵列性能 由于采用分子束外延、有机金属化学气相沉积这样的高精度控制制作工艺，微电子和微机械加工技术和互补金属氧化物半导体这样的大型或特大型集成多路传输器，使大型（1k1k、2k2k）二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量信号处理得以实现，并且获得了高度均匀的焦平面响应特性，提高了焦平面阵列的性能。以洛克韦尔国际科学中心研制的镓铝砷/砷化镓红外焦平面阵列为例，短波的pace-1型10241024元阵列和hawa-2型20482048元阵