刘尊洋，陈天宇

(国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230037)

0 引言

临近空间高超声速飞行器(near space hypersonic vehicle,NSHV)具有飞行速度快、机动性强和突防能力强等特点，世界军事强国均积极开展相关研究[1]。人们在开展高超声速技术攻关的同时，也已经注意到对其高效预警的重要性，在红外、雷达探测技术以及预警系统构建等方面都进行了有益探索。McIntyre等人[2]采用地基探测器获取了“隼鸟号”飞行器再入阶段在大气层内高超声速机动时的可见光和近红外波段辐射特性；周金伟等人[3]采用工程算法，仿真分析了高超声速乘波体飞行器红外辐射特性以及地基红外探测机理；杨霄等人[4]仿真分析了类HTV-2高超声速滑翔飞行器的红外辐射特征以及不同条件下红外探测器对该目标的探测能力;ZHANG Zhao等人[5]建模研究了高超声速巡航飞行器红外探测技术。罗冰[6]分析了临近空间高超声速飞行器等离子效应对雷达探测的影响，并探索了消除隐身威胁的方法途径。喻晨龙等人[7]分析了远程警戒雷达对于固定雷达散射截面(radar cross section,RCS)临近空间高超声速目标探测能力。上述研究为临近空间高超声速飞行器探测系统构建提供了重要参考，但上述文献在探测体系建设方面论述尚不够充分，且没有深入分析临近空间高超声速飞行器预警体系的运行机理和工作流程。

本文将在简要分析目标辐射特性的基础上，针对临近空间高超声速飞行器预警探测系统建设相关问题开展研究，具体工作包括目标特性分析、探测系统总体结构设计、各平台探测器任务能力分析、系统工作流程与系统能力需求分析5个方面。

1 目标辐射特性分析

1.1 红外辐射特性

NSHV在临近空间高速飞行过程中，因气动热力效应弹体温度急剧升高，再加上高温尾焰，会发出强烈的红外辐射，为对其实施红外预警探测提供了有利条件。

不同类型的NSHV，其红外辐射特性不同。以使用超燃发动机的高超声速巡航(hypersonic cruise，HC)飞行器为例，其红外辐射主要来自于飞行器表面、发动机表面及其尾焰。飞行器表面的红外辐射，是飞行器在大气空间高速飞行的过程中，头部周围的空气受到剧烈压缩，形成激波层，激波层内来流的动能转化为内能，形成强烈的气动加热效应，使得飞行器上下表面温度急剧升高(Ma数为5时，表面温度约为1 122 K；Ma数为6时，表面温度约为1 518 K)。飞行器表面由高温(1 122 K)产生的红外辐射与其背景环境(取30 km高空，环境温度为220 K)相比十分明显[8]。另外，飞行器表面对太阳的反射也会存在红外辐射特征，但这一部分与飞行器表面的自身辐射相比一般可以忽略。发动机表面及其尾焰的红外辐射，主要包括发动机工作时，发动机表面的高温蒙皮(约600～1 100 K)以及发动机喷射的高温尾焰(约800～2 000 K)[9]。

1.2 电磁波散射特性

NSHV在大气空间高速飞行的过程中，与空气剧烈摩擦所产生的气动加热效应，会使周围空气温度急剧升高；在高温作用下，飞行器表面材料被烧蚀形成气体，与周围空气在高温下发生电离，从而在飞行器周围会形成一个约10～20 cm的高温等离子薄层，即“等离子鞘套”[10-11]。

一方面，等离子鞘套与电磁波之间会发生折射、吸收等反应，从而造成电磁波传输衰减、能量大量吸收和辐射效率下降，严重影响了飞行器的无线电通信效能，甚至会造成通信中断，也就是“黑障”现象。

另一方面，等离子体和拖尾会导致飞行器自身的雷达RCS下降，NSHV的RCS一般在0.01～0.1 m2，等离子体可覆盖300 MHz～300 GHz的所有微波频段，可能会使飞行器对雷达探测具有了“热隐身”效果。

根据NSHV的雷达特性分析结果，由于等离子体效应，雷达对NSHV的探测面临一定挑战，需要结合理论和实验研究优选性能优异的现有体制雷达，同时针对性开展对NSHV类目标具有较强探测能力的新型雷达研发工作。

2 预警探测系统结构设计

分析发现，临近空间高超声速飞行器的特点主要包括机动速度快，等离子体鞘套效应，弹体温度高以及飞行高度相对传统弹道导弹低4个方面。其自身特性导致现有导弹预警雷达的探测能力受到影响，同时为红外探测和持续跟踪提供了可能。本文在分析NSHV目标上述特性的基础上，初步设计临近空间高超声速飞行器预警探测系统如图1所示。

图1 临近空间高超声速飞行器预警探测系统结构

临近空间高超声速飞行器预警探测系统由地面指挥控制中心、信息处理中心以及各平台探测器构成，用于及时对NSHV完成发现识别、分析判断和提供拦截引导信息等工作。通过部署在天基、临近空间/空基、陆基、海基平台上探测器，全方位、分阶段探测，为信息处理中心提供持续、精确的目标探测信息；信息处理中心通过融合处理多源情报信息，形成目标预警综合情报并报告指挥控制中心；指挥控制中心生成探测器接力探测引导方案，同时开展决策部署，基于效能最优化原则将拦截任务下发具体拦截器，并引导拦截武器系统进行拦截。各平台的探测器主要负责对目标实施不间断的探测，并将预警情报信息向其他预警探测平台交接，同时传输给指挥控制中心，指挥控制中心负责对信息进行分析、融合处理，并引导各平台探测器进行更精细的探测。

考虑到NSHV特有的辐射和机动特性，设计的系统综合使用各平台搭载的雷达和红外探测器对其进行探测。传统弹道导弹的红外辐射主要是指初始段的尾焰，而在飞行中段弹体红外辐射并不强烈，目前仅使用高、低轨红外预警卫星对其红外辐射进行探测。NSHV飞行中段由于在大气层内高速机动，弹体与大气剧烈摩擦导致温度急剧升高，目标将呈现出强烈的红外辐射特性，对于高超声速巡航飞行器而言，超燃冲压发动机的高温尾焰会进一步增大目标红外辐射强度，这将为对其持续进行红外探测提供有利条件。因此，可以继续使用天基红外探测器对其持续跟踪，同时引导临近空间/空基、陆基和海基平台的雷达和红外探测器对其精确探测。目标飞行的末段，距离地面较近，陆、海基平台可发挥其距离近、分辨率高的优势对目标实施精确探测。

相比于弹道导弹的预警探测系统，该系统的特点主要有：

(1) 针对巡航段目标的红外辐射特性，增加了陆、海基红外探测系统；

(2) 针对NSHV飞行中段强烈的红外辐射特性，继续使用高轨红外预警卫星进行持续探测和跟踪，增强系统总体跟踪能力。

3 各平台探测器特点及任务分析

3.1 天基预警探测平台

天基预警探测平台以卫星为载体，主要依靠搭载的红外探测设备以实现对初始段高超声速目标的预警探测及监视。文献[4]分析了各平台红外探测技术的基本探测范围，由于本文讨论探测器为红外探测系统，不考虑折射、绕射情况，参考其红外探测范围，可得天基预警探测平台基本探测区域示意图，如图2所示。天基预警探测平台对NSHV的探测主要是以地表为背景的下视探测和以临边辐射为背景的侧视探测。具有视场范围大，探测距离远、漏警率低的优点，便于对广阔的临近空间进行探测搜索和概略识别。主要探测装备包括：高轨红外预警卫星和低轨红外预警卫星等[12]。但由于探测距离远而存在分辨率低的缺点，所以需要和其他平台的探测器配合使用。

图2 天基平台探测示意图

高轨红外预警卫星主要以地表为背景进行探测，其背景辐射复杂多变，通常选用大气吸收波段以降低地球与大气背景对探测的影响，可对全球范围内的NSHV进行探测和跟踪。由于部署高度较高，其具有视场范围大、漏警率低的优点，以地球同步轨道为例，只需要3颗卫星就可以实现对除两极高纬度区域外的全球区域的覆盖。但同时高轨预警卫星也存在分辨率较低的问题，以典型的美国SBIRS-GEO预警卫星为例，其地面分辨率约为1 km。

低轨红外预警卫星轨道较低，相对高轨红外预警卫星视场范围较小，但其距离目标较近，分辨率更高，能有效弥补高轨红外预警卫星分辨率低的缺陷。但由于轨道高度较低，视场范围相对较小，需要更多卫星才能实现全球覆盖。以卫星位于高度为1 600 km的太阳同步轨道为例，为实现对全球范围的有效覆盖，需要24颗卫星组网工作。使用高、低轨红外预警卫星同时对目标跟踪，更好地综合了高、低轨道卫星的特点，以实现对目标准确、稳定、高效的探测。

3.2 临近空间/空基预警探测平台

临近空间/空基预警探测平台主要包括平流层飞艇、浮空气球或各类飞机等。虽然刘重阳等人[13]探讨了临近空间基雷达对高超声速目标的探测能力，但考虑实用性，建议临近空间/空基探测平台搭载探测载荷为高性能红外探测器。该平台探测设备在空间位置上处于天基和陆基之间，较天基预警探测具有更高的探测分辨率及更近的探测距离，较陆基预警探测具有更高的视角、更强的机动能力和生存能力；但是其同天基平台一样，受平台承重能力的限制，无法承载重量过重，体积过大的探测器，从而影响其探测能力。主要任务是独立对任务区域进行探测，或在指挥控制中心和天基预警探测平台的引导下对指定空域进行探测搜索，并配合地基探测平台共同完成探测工作。主要探测装备包括：平流层飞艇、气球以及各类飞机搭载的红外探测器等。

临近空间/空基预警探测平台的红外探测背景主要为临近空间或太空背景，相比地表背景，背景更加纯净。在Ma数为5～6时，NSHV表面的温度大约在1 122 K至1 518 K之间，远高于其探测背景温度，因而具有明显的目标对比度。临近空间/空基预警探测平台的探测区域如图3所示[4,14]。

图3 临近空间/空基平台探测示意图

3.3 陆基和海基预警探测平台

陆基和海基预警探测平台(如图4所示)以陆地、岛屿和舰船为依托，以红外和雷达探测器为主要装备构成预警探测区，对高超声速目标进行预警探测及跟踪监视[4]。通常在指控中心和天基、临近空间/空基预警探测平台的引导下对指定目标区域搜索监视，探测精度高。主要探测装备包括：陆、海基雷达和红外探测器。

图4 陆、海基平台探测示意图

陆、海基红外探测器是以天空为背景的上视探测，其距离目标更近，分辨率更高，探测能力也更强，可用于巡航段目标的精确识别和跟踪，但由于受地球曲率影响，对于25 km高度的NSHV，则位于海平面红外探测器的最大探测距离约为648 km。但陆基和海基平台受视场范围小的影响，早期发现目标困难，因此，主要用于对探测范围内目标巡航段和俯冲段的目标实施精确识别。

陆基和海基雷达也可对巡航段和俯冲段的NSHV进行探测，由于NSHV特殊的雷达特性，在进行雷达探测时需要选择合适的波段和合适的工作模式，保证其具有足够的功率和持续的跟踪能力。可采用一些现有体制雷达中适合NSHV探测的雷达，也可发展针对NSHV的新体制雷达[15]。

陆基平台的雷达由于不受平台承重能力的限制，可以建造体积庞大的高性能雷达，与陆基红外探测器类似，由于受地球曲率影响，对于25 km高度的NSHV，位于海平面高度雷达平台的最大探测距离约为648 km，且由于固定配置，容易被敌方实施打击摧毁，生存能力不强。

海基平台作为陆基探测平台的补充，较陆基预警探测平台具有部署位置更灵活、机动能力更强的优点，可以与陆基平台共同担负对目标的高精度探测任务。

4 系统工作流程分析

NSHV的预警探测系统是在指挥控制系统的组织协调下，通过多种平台搭载的雷达和红外探测器之间的相互配合统一完成目标预警任务的，基本工作流程如图5所示。

首先，利用高轨红外预警卫星探测目标的红外辐射信息，及时发现目标，进而通过星间链路直接引导或通过指挥控制中心，引导合适的低轨红外预警卫星对目标区域进行重点探测，低轨卫星发现目标后，高、低轨红外预警卫星可以同时对目标实施跟踪。如果能够完成高低轨卫星的全球组网运行，则可以确保对NSHV目标的及时发现和稳定跟踪。随后，在指挥控制中心的引导下，临近空间/空基雷达和红外探测器对指定目标区域进行粗识别和跟踪，并根据目标信息引导陆、海基平台对目标区域实施精确识别。整个预警探测过程中，各探测平台实时将目标信息报告指挥控制中心，指挥控制中心对各平台探测器传输来的目标信息进行综合分析处理，并及时引导拦截武器系统拦截目标。

5 系统能力需求分析

为了实现对临近空间高超声速目标的高效探测，预警探测系统应在以下4个方面加强建设。

(1) 提高探测器的探测能力

各平台探测器是系统构成的基础，探测器的探测能力在一定程度上决定着整个系统的探测能力。研发更有效、更有针对性的红外和雷达探测器，可以从源头上提高系统的探测能力。

(2) 提高信息传输能力

临近空间高超声速飞行器预警探测系统探测的范围广、目标多、信息量大，要求系统必须以最快的速度实时、准确地传输目标信息，最大程度地缩短信息在传输过程中的时间，保障拦截武器系统有足够的时间实施拦截。

(3) 增强信息处理能力

临近空间高超声速飞行器预警探测系统覆盖范围广、传感器类型和平台多，要求系统具有较强信息处理能力，能够高效、准确地对多个平台探测器传输来的目标信息进行分选识别，以便进一步引导各平台探测器进行跟踪监视和武器系统进行拦截。

图5 系统工作流程示意图

(4) 合理调度系统内资源

临近空间高超声速飞行器预警探测系统融合了雷达和红外2种探测手段，包含有陆、海、空、天4种探测平台，这就要求系统能够在特定时间准确、高效地调度各平台探测器资源，从而提升系统的探测能力和作战效能。

6 结束语

本文结合临近空间高超声速飞行器辐射和运动特性，结合各类探测器的性能特点，开展了对以指挥控制中心、信息处理中心和各平台探测器为主要组成单元的临近空间高超声目标预警探测系统的探索，并初步分析了系统各平台探测能力特点、系统工作流程以及系统建设的能力需求。