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方興未艾的光譜“處女地”:現(xiàn)代軍用紫外探測技術

[2015/11/30]

  紫外是指在電磁頻譜中10400nm波長范圍的一段,其波長在電磁頻譜中位于可見光譜紫光區(qū)的外側,是在1802年由德國物理學家里特發(fā)現(xiàn)。由于只有波長大于200nm的紫外輻射才能在空氣中傳播,所以通常討論的紫外輻射效應及其應用均在200400nm范圍內(nèi)大氣層中的“紫外窗口”。

  軍用紫外探測技術是利用近地大氣中的“日盲區(qū)”波長小于300nm的紫外輻射由于同溫層臭氧吸收,基本上達不到地球近地表面,造成太陽光中的紫外輻射在近地表面形成盲區(qū)和大氣層中的“紫外窗口”來實現(xiàn)的。

  早在20世紀60年代,美國空軍就開始了利用紫外波段探測洲際導彈發(fā)射的研究工作導彈發(fā)動機的尾焰會產(chǎn)生紫外光子。理論上,只要能夠?qū)棸l(fā)動機的羽煙紫外輻射進行精確測量,就能夠有效發(fā)現(xiàn)是否有導彈發(fā)射。但是,由于科研人員發(fā)現(xiàn)難于確定這些紫外輻射信號強度是否強于自然輻射,再加上紫外輻射特有的“非熱態(tài)”,導致無法建立相關的信號模型和算法理論,紫外探測難以付諸實施,研究工作只能轉(zhuǎn)向易于建立信號模型的發(fā)動機羽煙紅外特征探測。

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  一直到20世紀80年代,在美國的“導彈防御計劃”下,研究人員再次考慮利用紫外輻射來探測導彈發(fā)射的可行性。也是在這一時段,相關的基礎研究也取得了進展,特別是利用地球觀測衛(wèi)星獲取了自然背景輻射的精確數(shù)據(jù),高靈敏度的紫外陰極、電荷耦合器件CCD和高增益微通道板的研究也獲得了突破,這使得軍用紫外探測技術成為了可能。

  因此,進入20世紀90年代之后,軍用紫外探測技術進入實質(zhì)性研究和應用開發(fā)階段,被譽為21世紀最具影響力的軍用技術之一的紫外告警技術異軍突起,并且已經(jīng)逐步成為一種標準配置而越來越多的出現(xiàn)在各類高價值武器平臺也包括部分大型民用客機上。

  目前,軍用紫外探測技術主要在戰(zhàn)術導彈告警、天基紫外預警和紫外超高譜偵察等幾個方面展開:戰(zhàn)術導彈告警,航空兵在空中格斗、低空突防、近距支援、對地攻擊和起飛著陸等階段,很容易受到紅外制導空空導彈和便攜式防空導彈的攻擊,由于缺乏有效的紅外制導導彈逼近告警,75%的戰(zhàn)損都是因為飛行員在沒有發(fā)覺處于導彈威脅之中而被擊落的。

  作為對抗紅外制導導彈中最為關鍵的導彈逼近告警MAWS就需要能夠在大范圍空域內(nèi)能夠連續(xù)地快速告警,并且虛警率極低。而紫外探測技術就能勝任這樣的應用,通過被動接收導彈發(fā)動機工作時產(chǎn)生的紫外輻射,就可以對導彈的發(fā)射或者逼近進行實時告警以及精確定向,及時提醒飛行員采取機動規(guī)避和對抗措施。此外,由于紫外告警設備結構簡單、不需要制冷、不需要掃描、重量輕、體積小和勤務性能好,所以現(xiàn)在不但可以裝在各種戰(zhàn)斗機、攻擊機、武裝直升機和大型民航客機上,地面部隊的主戰(zhàn)坦克和步兵戰(zhàn)車也都開始配備。

  天基紫外預警,彈道導彈對國家安全的威脅是嚴重的,因此需要對其采取積極的防御手段,特別是對其進行有效的早期預警。天基紫外預警就是利用搭載在地球同步軌道預警衛(wèi)星上的紫外探測系統(tǒng),在彈道導彈的助推段就及時發(fā)現(xiàn)導彈發(fā)動機羽煙的紫外輻射,對敵方來襲彈道導彈進行可靠的早期預警和跟蹤。美國的導彈防御研究人員也表示,相比傳統(tǒng)的天基紅外探測,星載紫外探測器不需要制冷、體積也更小、耗電量低、成本更低,更適合在條件受限的太空環(huán)境下應用。

  紫外超廣譜偵察,是一種基于方位和光譜的三維信息探測技術,可在紫外波段內(nèi)以高光譜分辨率小于10nm對目標進行監(jiān)視探測,獲取目標的細微特征,獲得常規(guī)偵察手段難以得到的目標信息,是現(xiàn)代光電偵察技術經(jīng)歷了單波長、多波段之后的一個新飛躍。

  目前,美國陸軍研究實驗室基于聲光可調(diào)諧濾波器設計的AOTF超光譜成像偵察儀已經(jīng)可以覆蓋了紫外波段,并且在反偽裝偵察、生物戰(zhàn)劑告警生物戰(zhàn)劑的主要生物色基—芳香烴氨基酸能夠強烈吸收紫外輻射,產(chǎn)生很明顯的熒光譜等方面展示出了巨大優(yōu)勢。