激光武器反卫星技术研究_罗积军

第33卷增刊2007年11月光学技术

O PT ICAL T ECHN IQ U E

Vol.33Suppl.

N ov.2007

文章编号:1002-1582(2007)S-0135-02

激光武器反卫星技术研究*

罗积军1,侯素霞1,2,徐军1,孙红辉1

(1.第二炮兵工程学院,西安710025; 2.西安交通大学核能科学与工程系,西安710049)

摘要:针对激光武器反卫星的机理进行分析和研究,得出两个结论:激光武器摧毁空间目标具有速度快、攻击空域广的特点,利用激光的光效应和高能热效应,直接照射卫星可以破坏其光电探测器,从而破坏敌方的卫星装置;建立了卫星探测器的一维热模型,在对探测器材料的破坏阈值进行理论计算的基础上,利用CW CO IL辐照P V型InSb探测器对破坏阈值进行实验研究,二者数据吻合较好。

关键词:激光武器;卫星;光电探测器

中图分类号:T J95文献标识码:A

Research of ant-i satellite laser weapons technology

LU O J-i jun1,HOU Su-xia1,2,XU Jun1,SUN H ong-hui1

(1.Second Art illery Engineering I nst itute,Xian710025,China)

(2.School of Energ y&Po wer Engineer ing,Xian Jiaotong U niversity,Xian710049,China)

Abstract:T he mechanism of ant-i satellite laser weapons is r esearched and analyzed.T here are two conclusio ns,one is that the high-energy laser light effects and thermal effects can destroy photodetectors of https://www.360docs.net/doc/e26699991.html,ser weapons have advantages in destroying targ ets w ith speed and attacking targ ets in a vast space features,thus undermining the enemy.s satellite dev ices.T he o ther is that a one-dimensional thermal model of t he satellite detectors is established.PV InSb detector using CW COIL irradia-tio n damage threshold is receiv ed on the basis of theoretical calculation,and t he ex perimental and theoretical data is good ag ree-ment.

Key words:laser weapon;satellite;photoelectric detector

0引言

作为一种侦察工具,卫星在现代战争中所起的作用越来越大。海湾战争是世界上首次将卫星综合应用于实战的一次典型战例,多国部队共动用了10类约100颗军用与民用卫星。在北约空袭南联盟的作战中,使用的卫星更多,单在航天侦察与导航方面,就使用了50多颗卫星,其中包括:3颗雷达成像侦察卫星,3颗照相侦察卫星,3颗侦察小卫星,6颗气象卫星以及24颗导航卫星。这充分说明了卫星在现代战争中所具有的重要作用,同时在各国的军事斗争中,为了夺取制空间权,有能力的国家也都在积极发展反卫星武器技术。激光武器作为反卫星武器,某些国家已经在技术上取得了重大突破,尤其是美俄反卫星激光武器已经步入了实战阶段,我国也在积极研究激光反卫星技术。

从目前的激光武器技术上看,比较有效的攻击方式是破坏卫星上的光电探测器,使之暂时或者永久性的失去探测能力。本文从研究激光对光电探测器的破坏机理入手,对激光武器反卫星技术进行研究。

1激光武器反卫星毁伤机理

反卫星的过程中,所采用的反卫星武器是基本的要素。激光武器摧毁空间目标具有速度快、攻击空域广的特点,直接照射目标进行破坏,近年来应用很广泛,但技术难度较大。激光武器利用激光的光效应和高能热效应,通过激光束照射在目标的精细构件等薄弱环节,如光学探测器十分脆弱,很容易被激光损害。

以P V型I nSb探测器为例。PV型InSb探测器是一种十分重要的红外半导体材料,近20年来,由于军事工业和遥感技术发展的需要,使得PV型InSb探测器在卫星装备上得到迅猛发展和广泛应用。

1.1激光辐照PV型InSb探测器的理论分析

如果入射激光辐照的截面积A上的所有能量均被探测器吸收,那么所吸收的能量可由下式确定。

E a=(1-R)I0A t p(1)

如果吸收的能量均匀分布于厚度为l的表面层中,则引起的温升为

$T=E a/Q cA l(2)其中E a有如下表达式

E a=E T+E N R B+E R B+E NR S+E R S(3)式中E T为热化能;E NR B为非辐射引起的晶格能量增加;E R B 是以光子辐射形式出现的辐射体复合能;E N R S和E R S分别表示非辐射和辐射引起的表面复合能。理论上讲,上式中的各种吸收能是分布在不同的表面层中。如果假定辐射分量E R B、E R S对晶格的加热不产生影响,另外三个分量分布于不同的深度,联立(1)~(3)可得靶材温升$T所需的激光功率密度为

*收稿日期:2007-03-21E-mail:hsxljj@https://www.360docs.net/doc/e26699991.html,

作者简介:罗积军(1974-),男,第二炮兵工程学院讲师,硕士,从事激光应用技术。

I 0=

Q c $T L H (1-R)t p

(4)

式中L H 为综合受热深度L H =

1

c(T 0)$T

#

Q

T

m T

c(T )d T A V T L T A +1+V NR B L T A +L D A +1+V N

R

S

L T A

(5)式中L D =(D S B )1/2为载流子扩散深度;L T U P 1/2(kt p )1/2为热扩散深度;V T 、V NR B 、V NR S 为激光能量转化为其它能量的份额,具体如下

V T =1A

[(1-G 0E R /h M )A 1+(1-E R /2h M )A 2+A f c ](6)V N R

B

=(S /

S NR B )

(1-V T )(7)V N R S =(S /S NR

S )L D A

(1-V T )/(L D A +1)(8)

根据对载流子复合寿命的分析,又L T A 、L D A 远小于1,所

以可以近似只考虑俄歇复合,则有S =S A =S N R B ,且V T +V NR

B

U 1,在表面抛光的情况下,不考虑表面效应,则有

L H U

1c(T 0)$T Q

T

m T 0

d T c(T )

A (T )

(9)I 0U

Q (1-R )t p

Q

T m

T

d T c(T )A (T )

(10)

图1 熔融阈值的实验关系

图1是通过上式计算得到的波长为10.6L m 激光辐照InSb 材料的熔融阈值。曲线1是理论计算得

到的,曲线2是已有的实验值,曲线3是拟合出的[1]。从图中可以看出理论计算得到的曲线1和

实验测得的曲线2吻

合得比较好,和曲线3比较接近。

1.2 激光辐照PV 型InSb 探测器的实验分析

图2 激光辐照P V 型InSb

探测器实验装置

实验使用不同功率密度的CW CO 2激光和CW COI L 激光辐照光伏型InSb 探测器,测量探测器在不同的辐照时间

内的破坏阈值区间,同时使用一维热模型计算激光辐照探测器的破坏阈值。

实验装置如图2,出射激光经分束后,一部分经过衰减,由透镜聚焦辐照到探测器的表面,另一部分再经过适当分束,由功率计实时监测激光器的功率。PV 型InSb 探测器用胶粘在充满液态氮的杜瓦瓶铜基座上,由杜瓦瓶提供探测器77K 的工作温度。

在CO 2激光辐照PV 型InSb 探测器实验中,采用的激光器是单谱线多模CW CO 2激光器,输出功率在1~10W 间连续可调,激光辐照时间由快门控制。激光辐照到探测器上的

光斑面积为12mm 2,探测器的接受面积是7mm 2,所以可以认为探测器是受大面积光斑均匀辐照。探测器的破坏阈值定义为受辐照后探测器信号输出永久为零时的激光功率密度和辐

照时间。激光辐照功率9.4W ?0.1W,激光从1s 时刻开始辐照。图3、图4分别是不同辐照时间探测器输出信号的变化过程。图3、4中激光辐照时间分别是4s 、5s 。从图中可以发图3 辐照4s 探测器的输出信号

现探测器接受辐照的开始阶段,输出信号有一个上升过程,然后开始下降。图2,图3中探测器性能暂时下降,经过一段时间后又得到恢图4 辐照5s 探测器的输出信号复。图4中探测器受到了毁灭性的破坏,探测器最后再没有信号输出。实验用的探测器窗口为镀有增透膜的116

mm 厚锗片,实验测得它对1016L mCO 2激光的透过率为0192,经计算辐照到探测器芯片上的激光功率为72W/cm 2,从上两图可以得知探测器发生永久性破坏的时间阈值是4~5s 。实验前测得探测器在工作温度下的正向电阻为2758,反向电阻为14508。辐照4s 后,待温度至工作温度测得探测器的正反向电阻没有改变,但辐照5s 后测得正反向电阻均为2078,说明探测器的p -n 结已经被破坏,退化为一个电阻了。由于激光均匀辐照探测器表面,所以可以用一维热模型计算探测器受辐照过程中的温升。以激光束方向建立坐标轴,取探测器的前表面为坐标原点,则辐照过程中探测器的温度场函数T (x ,t )可由下式确定。

C Q (5T /5t )=k (52T /5x 2)+A I 1

(11)

式中Q 、C 、k 、A 分别是材料的密度、比热容、热导率和对激光

的吸收系数,这里假定这四个参数不随温度的变化而变化。I 1为点x 处入射激光的强度:I 1=I 0(1-R )e -ax ,I 0是原点处激光强度。厚度为L 的InSb 材料对波长为K 的激光的吸收系数A 、透过率G 和反射率R 可由下式确定。

A =4PL /K

(12)

G =(1-R)e -A L

(13)R =1-4n/[(n +1)2+L 2](14)

式中n 、L 分别是InSb 材料的实折射率和消光系数。对于实验中所用的CO 2激光器K =10.6L m 、n =3.953、L =0.0019。

L 为1mm 时,由式(12)、(13)、(14)计算可得R =0.36,A =22.53cm -1,G =0.068,近似认为透过InSb 芯片的CO 2激光在胶层前表面被全部吸收,故方程(11)中的右边第2项在x >L 时为0,实验中辐照到InSb 探测器前表面的激光功率密度为35.2W /cm 2,方程的初始和边界条件分别为:T (x ,0)=77K ,k 5T /5x |x =L =-I 0G ,T (L ,t)=77K 。通过数值计算方程(11),可得实验中所用的I nSb 探测器p -n 结处的温度在激光辐照4.58s 时达到InSb 的熔点796K ,辐照时间为4s 时,p -n 结最大温升为678.12K 。计算值4.58s 正处于4~5s 之间,和实验值吻合,即说明一维热模型能比较好的模拟计算激光辐照PV 型InSb 探测器的熔融破坏阈值。

(下转第138页)

动脉脉搏波是低频、微弱的生理信号,必须经过滤波和放大,以满足信号采集的要求。动脉脉搏信号频率基本限制在0.1~20Hz 以内,为了去除高频干扰,尤其是50Hz 的工频干扰,采用频带合适的低通滤波电路,以便检出信号具有最大的保真度。对放大电路,要求运放具有较高的输入阻抗,低输入失调电压,小的漂移。2.3 信号处理系统

信号处理系统以AT mega8单片机为核心,配以A/D 转换、程序存储器、数据存储器及键盘等,用来完成脉搏信号的A /D 转换、参数计算、存储及设置各种工作方式。并通过计算机的RS232接口,将数据传至计算机,然后通过软件进行数据拟合,然后输出脉搏波形图,将波形图进行存储、打印,并记录心率信息。

3 软件系统设计

脉搏波测量是一个比较复杂的过程,必须通过系统软件来实现,软件系统包括单片机系统软件和计算机系统软件。3.1 单片机系统

由于使用AT mega8单片机使得系统的计时、计数和实时显示功能得到方便的实现。单片机系统软件主要包括主程序,数据采集子程序、数字滤波子程序、键盘扫描子程序、脉率计算子程序及RS232通讯子程序。各子程序可单独调试,结构清晰,调用和扩展方便。3.2 计算机系统软件计算机软件系统VB 编写,主要是接收来自RS232接口的数据,将接收到的数据进行曲线拟合,然后将拟合后的脉搏波形图显示出来,计算心率,对波形图进行存储和打印,还可以记录和保存患者的病历信息,将患者信息保存进数据库中,为患者进行跟踪治疗以及进一步的诊断提供详细的资料,并对所获取的图形和数据进行打包传输,为远程诊断提供图形和数据资料。

4 结 论

本系统关键问题是传感器的设计与传感器输出的弱信号提取问题。本设计利用A T meg a8单片机和计算机实现了脉搏的自动计数和脉搏波图形显示功能,并且可以将脉搏波形图进行存储、打印和打包传输,可以将患者的脉搏资料和病历进行存储,为进一步的诊断提供详细的对比资料,并为远程诊断提供可靠的数据资料。此研究结果对脉搏诊疗技术和远程诊断有着积极的推进作用,具有良好的市场前景。参考文献:

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(上接第136页

)

图5 CW COIL 辐照PV 型探测器的信号输出

在CW CO IL 辐照PV 型I nSb 探测器实验中,实验装置和CW CO 2激光辐照P V 型InSb 探测器的实验装置相似,原理图如图2。实验中,激光辐照到探测器表面的光斑面积为1cm 2,探测器接受表面面积9mm 2所以也可以认为探测器是

受大面积光斑均匀辐照。

图6 CW COIL 功率密度曲线

图5是实验中得到的探测器受激光辐照时的信号输出图,与图5(a)图和(b)图对应的激光功率密度曲线如图6。图5中(a)图对应的探测器发生了永久性破坏,图6中(a)图是与

其对应的辐照激光功率密度曲线。图5中(b)图探测器只是性能暂时下降,经过一段时间后探测能力可以恢复,图6(b)图是与其对应的辐照激光功率密度曲线。由于实验所用辐照激光的功率密度和持续时间不是一稳定值,故采用最大激光功率密度和功率密度半宽度进行描述,CW COI L 对PV 型I nSb 探测器的破坏阈值范围为26(0.89s)~113(1.4s)W/cm 2。对于CW CO IL 辐照P V 型InSb 探测器也可以应用一维热模型对破坏阈值进行理论计算,InSb 材料对CW COIL 的热耦合系数为0.628,根据图6激光功率密度曲线可计算

得到图5中(a)图InSb 探测器p-n 结被辐照时间为1.73s,如果辐照4.6s 即可达到InSb 材料熔点796K ,从而将材料损坏,达到不战而胜的目的。

3 结 论

激光武器摧毁空间目标具有速度快、攻击空域广的特点,利用激光的光效应和高能热效应,直接照射卫星可以破坏其光电探测器,从而破坏敌方的卫星装置。建立了卫星探测器的一维热模型,在对探测器材料的破坏阈值进行理论计算的基础上,利用CW COIL 辐照PV 型I nSb 探测器对破坏阈值进行实验研究,二者数据吻合较好。参考文献:

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