喬凱 高超 高秀娟 尚衛(wèi)東 趙思思 韓瀟 張蕾

（1 北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

（2 北京控制工程研究所，北京100094）

（3 北京空間機電研究所，北京100094）

0 引言

進入21世紀以來，控制外層空間、爭奪制天權、在全球范圍內(nèi)取得信息優(yōu)勢已成為世界航天大國不斷追求的目標。隨著發(fā)達國家搶占太空領域發(fā)展權、主導權、控制權的企圖越來越凸顯，在積極發(fā)展軍用衛(wèi)星技術的同時，也在大力開展反衛(wèi)星武器試驗，太空安全形勢日益嚴峻。特別是以激光武器為代表的定向能武器，由于其特有的反應迅速、攻擊域廣、不受外界電磁波的干擾、可以連續(xù)攻擊等特點，是一種理想的反衛(wèi)星武器[1-3]。當前我國在軌部署的空間監(jiān)視、通信導航、氣象、海洋、資源等系列衛(wèi)星是我國土、海洋、氣象、防災減災、國防等領域應用必不可少的裝備，基本處于不設防狀態(tài)，光學遙感衛(wèi)星的光學載荷以及所有衛(wèi)星的星敏感器，探測靈敏度高，是衛(wèi)星系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，面臨嚴重的激光威脅，因此，為保證光學遙感衛(wèi)星任務的可靠實施，急需加大力度開展激光威脅評估，研究高效防護策略和防護技術，盡快實現(xiàn)在軌應用。

1 光學遙感衛(wèi)星激光輻照損傷機理

1.1 光電探測器的激光輻照效應

光學遙感衛(wèi)星的光電探測器是光學成像系統(tǒng)的核心器件，激光對光電探測器的損傷按作用程度分為軟、硬兩類破壞。

軟破壞是指光電探測器受到激光輻照時造成永久性或暫時性的性能退化。對于可見光探測器，組成CCD的半導體材料中處于雜質能帶的電子吸收激光能量大量向導帶躍遷，引起暗電流大量增加從而導致光電材料或器件的功能退化或暫時失效，它包括電學性能的退化和光學性能的退化。電學性能的退化包括泄露電流大幅增長與擊穿電壓的降低、勢分布的改變及勢阱降低。光學性能的退化包括“光飽和”、“光飽和串音”、點擴散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）和調制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）的退化。“光飽和”就是飽和干擾，“光飽和串音”指的是用激光輻照CCD的局部時，不僅被輻照區(qū)達到飽和，未被輻照的區(qū)域也有信號輸出，而且當輻照的激光足夠強時，最終整個CCD都將處于飽和狀態(tài)的現(xiàn)象[4-5]。PSF和MTF退化主要是由于激光輻照造成沿多晶硅時鐘線的勢阱降低，當一個滿的電荷包傳輸通過這些破壞了的時鐘線時，被傳輸?shù)碾姾砂环殖稍S多小電荷包，從而使得沿電荷運動方向的PSF擴大，而破壞區(qū)的MTF將明顯降低。

硬破壞是指探測器受到激光輻照時造成永久性破壞，被破壞器件無信號輸出或者出現(xiàn)結構的破壞，如器件中關鍵部分的熱熔融、龜裂、斷裂、擊穿等。不同類型的光電傳感器對不同的損傷現(xiàn)象有著不同的損傷閾值。目前對光電探測器激光破壞研究的方法一般是在各種工作條件下（如改變激光作用距離、激光作用時間、改變激光脈沖頻率、改變激光波長和脈寬、改變激光束形狀等）測量其相應的激光損傷閾值，進而分析其破壞機理。研究表明，CCD的少數(shù)像元受激光輻照破壞后，其結果將是整個器件無信號輸出，而不是像場中存在幾個暗點。

對于紅外探測器，干擾主要表現(xiàn)為對紅外通道輸出信號飽和、響應率降低、瞬時致盲和恢復過程的時間。致盲是紅外探測器（通常為半導體，如HgCdTe、InSb、PbS等）受到高能激光照射后，使得p-n結變窄，甚至發(fā)生擊穿，損傷的二極管存在著泄漏路徑，使得反向偏壓電阻下降。HgCdTe探測器的損傷主要表現(xiàn)為Hg的析出，更高溫度時表現(xiàn)為In焊的脫落和HgCdTe的熔化，更嚴重時發(fā)生不可逆的解理、熱分解、熔融和汽化等[6]。

1.2 光學元件的激光輻照效應

在激光輻照下，光學元件的損傷分為面損傷和體損傷。面損傷是指激光輻照光學材料時造成光學材料表面的損傷，原因有三：一是材料本身所含雜質；二是拋光過程中材料表面殘留的拋光磨料以及產(chǎn)生的缺陷、微裂紋等；三是材料表面暴露在空氣中所吸附的雜質、水蒸氣等而被污染。這些因素的存在，造成光學材料表面的激光破壞閾值的下降。體損傷是指激光輻照光學材料時造成光學材料炸裂等效果，當激光光束聚焦到光學材料內(nèi)時，由于焦點處激光功率密度很高，引起強烈的非線性吸收，導致多光子電離并形成等離子體，等離子體迅速膨脹和材料局部溫升導致材料的熱膨脹，引起極大的熱應力，當應力超過材料的斷裂強度時，便產(chǎn)生炸裂破壞。當光學材料中含有雜質時（特別是金屬顆粒雜質對激光有強烈的吸收），極易造成材料的炸裂破壞。另外，當激光的功率密度較高時，激光光束會發(fā)生自聚焦效應，引起材料的細絲性炸裂破壞。光學材料的面損傷閾值一般都低于其體損傷閾值，最大可相差一個數(shù)量級左右，表現(xiàn)形式也具有多樣性，相應的表現(xiàn)形式如表1所示。

表1 光學元件結構破壞的表現(xiàn)形式Tab.1 The manifestation of structural damages of optical components

對不同的功能元件，損傷的表現(xiàn)形式也不一樣，如表2所示。

表2 光學元件的功能性損傷Tab.2 Functional damages of optical components

1.3 電子部組件的激光輻照單粒子效應

研究表明，光學遙感衛(wèi)星電子部組件產(chǎn)生的單粒子效應和總劑量效應是誘發(fā)在軌故障的主要原因之一，隨著半導體行業(yè)的快速進步，新型的小封裝、高速度、低功耗的高性能芯片迅速發(fā)展，其對粒子輻射的敏感程度大大增強，未來將使得單粒子效應和總劑量效應對航天器電子系統(tǒng)的威脅程度更加嚴重。強激光除了對光學遙感衛(wèi)星光學部件、光電探測器件輻照效應造成光學飽和、致盲、毀傷等軟硬殺傷效能，也會對光學遙感衛(wèi)星電子部組件產(chǎn)生單粒子效應和總劑量效應，因此，面向未來空間強對抗可能出現(xiàn)的脈沖激光攻擊產(chǎn)生單粒子效應，開展抗單粒子效應技術研究，提高單粒子效應閾值，對較易發(fā)生單粒子效應和易受總劑量效應影響的芯片要采取周密的加固措施[7-8]。

脈沖激光對光學遙感衛(wèi)星電子部組件輻射時誘發(fā)單粒子效應，將導致光學遙感器無法有效成像。航天器上的單粒子效應主要是由重離子和質子引起的，而質子也是通過與半導體材料的核相互作用產(chǎn)生重離子進而由重離子誘發(fā)單粒子效應。脈沖激光與重離子誘發(fā)機制主要區(qū)別在于：

1）電離機制不同。重離子與半導體材料的靶分子或原子發(fā)生碰撞電離，形成電子一空穴對；而強激光脈沖則是通過光致電離，產(chǎn)生電子一空穴對。

2）徑跡結構不同。離子徑跡中，徑向電荷濃度在中心強烈峰化并隨半徑而急劇衰減，低能離子徑跡寬度約0.1~0.5μm，而宇宙線中的高能重離子（能量為GeV量級）其徑跡寬度可達3μm，中心電荷濃度可達到1 023個/cm3，比典型半導體器件摻雜區(qū)的載流子濃度大得多；而聚焦后的激光光斑可以達到l～2μm，其徑跡寬度比低能離子大得多，而與高能重離子相當，并且在徑向呈高斯分布。

pn結收集電荷環(huán)節(jié)，脈沖激光與重離子的機制和物理過程是相同的，其中漏斗效應和擴散電荷都在激光模擬實驗已被證實。但收集電荷的量會受到徑跡結構的影響，因為具有相同LET值的激光脈沖和重離子相比，徑跡寬大、中心電荷濃度低，對于高摻雜的半導體器件，如果徑跡電荷濃度低于背景電荷濃度（雜質濃度）就不會形成漏斗效應，因此，激光脈沖的等效LET值必須大于一定的閾值（取決于器件摻雜濃度），就能產(chǎn)生重離子的單粒子效應，如圖1所示。

圖1 激光脈沖單粒子效應Fig.1 Single events effect of laser pulse

2 光學遙感衛(wèi)星面臨的激光威脅分析

2.1 激光武器到靶能量分析

分析激光武器對高軌衛(wèi)星平臺及其光學載荷是否形成威脅，需要計算激光輻照到靶星處光斑或探測器靶面處光斑的功率密度是否超過平臺損傷閾值，探測器干擾或致盲閾值等[9-10]。

（1）相機光學增益

相機入瞳處激光光束被相機光學系統(tǒng)匯聚成點光斑，相機入瞳面積與點光斑面積之比被定義為光學增益G，其值為：

式中SD是相機入瞳面積；SP是成像艾里斑面積；βS為成像光斑因子；DS是相機入瞳處光學系統(tǒng)直徑；λ是激光波長；f是相機焦距。

（2）到目標處激光光斑直徑

波長為λ的強激光武器打擊距離L的遠程目標時，目標處激光光斑直徑d為：

式中Df為激光發(fā)射望遠鏡口徑；L為打擊距離；fβ為強激光遠場光束品質因子。

（3）到目標處激光光斑功率密度

到目標激光光斑功率密度W0為：

式中aτ是大氣吸收和波動損耗因子；P0為激光發(fā)射功率。

（4）探測器靶面激光光斑功率密度

入瞳處激光光斑經(jīng)相機光學聚焦、光學衰減后，以點光斑的形式入射到探測器靶面，其功率密度W1為：

式中W0是到靶星處激光光斑功率密度；G是相機光學增益；η是相機濾光片截止深度；τ是光學系統(tǒng)透過率。

2.2 地基激光威脅分析

與傳統(tǒng)化學激光器相比，固體激光器和光纖激光器具有小型化、模塊化和通用化的性能特點，機動性和可靠性較高，通過增減模塊調整激光功率，可裝備不同的作戰(zhàn)平臺，方便高效應對不同層次威脅，數(shù)百千瓦級的固體激光和光纖激光器將是緊湊、機動平臺戰(zhàn)術應用的首選光源。

如果地基激光武器對高軌光學偵察衛(wèi)星（尤其是光學載荷）形成威脅，需要滿足兩個基本條件：一是具備對高軌衛(wèi)星的地基監(jiān)測和精確跟瞄能力；二是到靶激光功率密度需超過衛(wèi)星平臺損傷或光學相機探測器飽和干擾/致盲閾值。當作戰(zhàn)對象為光學相機時，還需同時滿足激光器和相機視場匹配原則，即兩者相互“對視”。

設激光武器波長1.05~1.1μm、功率0.5MW、激光發(fā)射口徑3.5m，將地基固體激光武器及高軌衛(wèi)星相機相關參數(shù)帶入式（1）-式（4），計算得出到達相機探測器表面的最大激光功率密度，如表3所示。

表3 地基固體激光武器威脅分析表Tab.3 Threat analysis of ground-based solid laser weapon

根據(jù)上述分析，地基固體激光武器系統(tǒng)強激光滿功率發(fā)射時，激光到靶星功率密度為8.9mW/cm2，遠小于衛(wèi)星平臺主要部件（除光學相機）的損傷閾值，即使長時間持續(xù)照射也不會對衛(wèi)星平臺造成任何影響。但激光束一旦進入可見光相機視場，探測器靶面激光功率密度為4120W/cm2，可實現(xiàn)對探測器的損傷。因此地基固體激光武器系統(tǒng)構成威脅需要以下條件：一是光學相機正在觀測激光武器所在區(qū)域（即空域條件）；二是激光武器所在地天氣條件較好，滿足跟蹤條件；三是激光武器已跟蹤瞄準且正在發(fā)射強激光（即時域條件）。地基激光武器暫無手段確定高軌衛(wèi)星光學相機是否正在觀測該區(qū)域，只能通過“盲打”方法干擾高軌衛(wèi)星光學相機，掩護重要目標和防護重要區(qū)域。

2.3 天基激光威脅分析

國外天基激光武器研究重點在發(fā)展小功率激光武器，搭載在具備偵察功能的靈活機動衛(wèi)星平臺上，平時進行輔助目標偵察，戰(zhàn)時逼近至目標衛(wèi)星，發(fā)射強激光損傷衛(wèi)星本體或致盲、干擾其光電載荷傳感器。機動平臺能夠逼近打擊目標星，且對激光器輸出功率要求不高，例如：損傷30km處目標星包覆層和太陽能電池板，激光器功率約需39kW（激光功率密度8.0W/cm2），按照每千瓦12kg的質量功率比計算，激光器質量僅需468kg。根據(jù)當前激光器發(fā)展，假定天基固體激光武器系統(tǒng)典型應用及參數(shù)：部署在高軌查打衛(wèi)星平臺上，采用連續(xù)波固體光纖激光器，波長1.05~1.1μm，功率100kW，光束品質因子優(yōu)于2，最大毀傷距離不小于75km。

天基逼近查打類平臺能夠對衛(wèi)星目標進行抵近偵察和激光打擊，該類平臺激光武器威脅能力分析過程詳如表4所示（攻擊距離按照75km分析）。

表4 天基激光武器威脅分析表Tab.4 Threat analysis of space-based laser weapon

典型天基激光武器機動平臺在抵近至目標衛(wèi)星75km距離處，激光武器投射到目標衛(wèi)星上的功率密度為41W/cm2，持續(xù)照射將造成太陽能電池性能出現(xiàn)不可逆性致命損傷，并燒穿包覆層隔熱材料，使衛(wèi)星失去電力供應，艙體隔熱防護功能喪失。如激光進入光學相機入瞳處，將達到探測器的損傷閾值，造成探測器失效。

3 光學遙感衛(wèi)星的激光防護體制及技術

衛(wèi)星光學遙感器的薄弱環(huán)節(jié)為光電探測器，因此在激光束到達焦面前進行大幅度衰減，即可實現(xiàn)高效防護。光學濾波和激光阻斷是實現(xiàn)激光防護的有效途徑，防護體制主要包括自適應激光防護薄膜、快反微鏡陣列等[11-12]。

3.1 激光防護體制及技術原理

（1）自適應激光防護薄膜

常規(guī)激光防護薄膜基于線性光學原理，技術相對成熟，缺點主要是防護波段較窄，只對波長敏感而對激光強度不敏感，且防護能力受限于激光入射角度[13-14]。為滿足多波段激光防護的要求，國內(nèi)外相關研究機構開展了多波長負濾光片薄膜技術研究和器件制備，G.A.Murananova等設計并制作了多層光學薄膜，透過波段在320~1 600nm，能同時對355nm、532nm、694nm、1 064nm、1 315nm和1 540nm激光具有防護作用，光密度（OD）大于3，透過率曲線如圖2所示。

自適應激光防護薄膜主要是利用材料自身的線性和三階非線性光學性質，在不同激光強度下產(chǎn)生相應的光學效應，控制目標表面的激光能量密度在安全范圍內(nèi)，從而達到防護目的。

圖2 多波長激光防護薄膜透過率曲線Fig.2 Transmittance curve of multi-wavelength laser protective film

基于非線性光學原理的防護材料屬于光強防護型材料，該種材料能對波長及光強均敏感，且非線性光學材料的防護波段寬、響應時間快、可見光透過率更高，具備了接收正常信號和防激光致盲這兩大功能，以富勒烯C60和金屬酞菁材料為典型代表[15]。富勒烯C60分子的化學性質非常活潑，表現(xiàn)出強的反飽和吸收和強的光限幅效應，現(xiàn)己作為一種基準光限幅材料。酞菁芳香共軛體系的大環(huán)共軛配合物。具有良好的光、熱及化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的光電性質，在可見光區(qū)有較好的吸收以及分子結構的可調節(jié)性[16-17]。同時酞菁環(huán)可以容納鐵、銅、鋁等金屬元素生成金屬酞菁摻雜聚合物，它是一種典型的有機小分子光電半導體材料，在可見光區(qū)不僅吸收范圍寬、吸收系數(shù)大，而且具有極好的化學、熱及光穩(wěn)定性，如圖3所示。

另外一種自適應激光防護薄膜VO2基于材料的相變原理，該種材料也有與非線性材料相同的優(yōu)勢，防護波段寬、動態(tài)范圍大、對波長光強均敏感、能同時兼顧信號與致盲防護功能。VO2從低溫半導體態(tài)相變到高溫金屬態(tài)后，其中電阻率的變化幅值可以高達104量級，光譜特性由高透陡變?yōu)楦叻?，而且其相變快速、可逆[18]。A. Jin P.等利用VO2熱變色薄膜和TiO2防輻射涂層制備的多功能智能窗口，具有較高的可見光透過率和防高能激光輻射等功能，透過率曲線如圖4所示。對3~5μm、8~12μm波段紅外光透過率在70%以上，當遭到敵方中長波紅外激光器試圖探測或致盲時，可以在納秒級的時間內(nèi)實現(xiàn)對紅外波段光幾乎不透明（透過率小于5%）。

（2）快速轉發(fā)微鏡陣列

快速轉發(fā)微鏡陣列是將光路中的激光反射鏡做成數(shù)碼微鏡結構（Digital Micromirror Device，DMD），由傳感器獲取改變量來控制微機械結構環(huán)，通過改變單元結構微鏡反射角度和反射時間達到限制進入光電設備的激光強度的目的，有效地抑制了光飽和現(xiàn)象，實現(xiàn)了抗激光輻射光開關的效果。微鏡陣列的每個單元則由鐵磁性金屬光柵和鋁電極組成，由鋁電極產(chǎn)生的磁場控制金屬光柵的閉合，而且陣列中的每個單元可以分別對應探測器上的每個像元，并可以選擇性的部分閉合。Gunnar Ritt等將空間光調制及波長多路技術與傾斜的微鏡陣列相結合實現(xiàn)對激光的防護，該陣列由13.68μm的微鏡單元組成，每個微鏡能在+12°到-12°范圍旋轉，波長范圍在420~700nm。如圖5所示，當視場中某處出現(xiàn)高能激光時，由檢測控制單元調節(jié)相應微鏡單元的傾斜程度來濾除激光，衰減量達到37dB，能量低的光幾乎不受影響。

圖3 金屬酞菁摻雜聚合物光限幅曲線Fig.3 Optical limiting curve of metal phthalocyanine doped polymer

圖4 典型VO2薄膜的高低溫透過率曲線Fig.4 High and low temperature transmittance curves of typical film VO2

圖5 快速轉發(fā)微鏡陣列示意Fig.5 Schematic diagram fast forwarding micro-mirror array

3.2 激光防護效能分析

激光防護薄膜對于較弱的（在濾光片抑制范圍和損傷范圍之內(nèi)）波段外激光有很好的抑制效果，并且相機仍能正常工作；但當激光較強（超過濾光片抑制范圍和損傷范圍之內(nèi)）時，波段外激光或由此產(chǎn)生的熱輻射進入探測器，將大大降低相機的成像品質（紅外相機更為明顯）；當激光更強（超過激光防護薄膜抑制范圍和損傷范圍之內(nèi)）時，防護薄膜可能會損傷，那將直接影響光學系統(tǒng)的成像品質，甚至無法成像。對于波段內(nèi)激光，防護薄膜起不到任何防護作用，激光直接進入光學系統(tǒng)參與成像，當光強很強時，正常成像信號將被壓制。

通過分析，基于線性光學的激光防護薄膜只能對預定的防護波長起一定的防護作用，對預定防護波長之外的激光，將無能為力，而且對于吸收型防護薄膜，還會因吸收強光產(chǎn)生熱效應，對光電探測器產(chǎn)生較為明顯的干擾效果。但對于新體制非線性防護薄膜，在較寬的波段內(nèi)，只要激光強到一定程度，就能自動保護，在激光未達到濾光片破壞閾值之前，防護效果無疑是最好的。

所以為了應對激光武器的威脅，對光學遙感衛(wèi)星的激光的防護必須具有以下的性能要求：

1）足夠寬的防護波段。對于各種波長的激光，都要有足夠的衰減倍數(shù)。

2）足夠低的輸出閾值。對于強度很高的入射激光，其輸出功率密度和能量應低于光電設備所能承受的閾值范圍，以便當強激光入射時，光電設備能夠正常工作。

3）足夠低的輸入閾值。對于相對較低的強入射激光，防護結構能有效響應，輸出能量和功率要能夠被鉗位在所規(guī)定的輸出能量值以下。

4）弱輻射有較高的線性透過率。在低能輻射下有較高的透過率，以確保光電設備能對信號進行正常的探測和接收。

5）快速響應時間。對脈寬在皮秒或納秒數(shù)量級且重復頻率較高的激光能夠實現(xiàn)快速的響應。

6）高損傷閾值。受到高強激光的輻射時，防護介質的防護性能不會被高能激光所損。

7）大防護角度。對光電設備大視角范圍的入射激光進行有效防護。

4 結束語

隨著空間攻防態(tài)勢日益加劇，光學遙感衛(wèi)星受到的激光威脅愈加嚴重，針對大動態(tài)來襲激光威脅現(xiàn)已探索出不同的激光防護措施，實現(xiàn)機理上經(jīng)歷了由線性到非線性的發(fā)展過程，自適應光限幅防護是一個重要的技術發(fā)展方向；從應用方式上，單一方式向通過激光威脅告警轉發(fā)、光限幅、光開關實現(xiàn)復合防護是重要的發(fā)展趨勢。