基于导弹羽烟辐射的日盲型紫外探测器件

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1、基于导弹羽烟辐射的日盲型紫外探测器件李炳军，江文杰（国防科技大学光电科学与工程学院，长沙410073）E-mail:libj1976@sina.com摘要：日盲型紫外探测器件是紫外告警技术的关键技术。介绍了目标（导弹羽烟）与背景的紫外辐射特征，讨论了紫外探测器件发展及特点。关键词：日盲；紫外告警；紫外探测器1．引言由于地球大气层中的臭氧对200-300nm波段紫外光的几乎完全吸收，形成所谓的“日盲区”。此时，导弹羽烟的紫外辐射在微弱的紫外背景下就容易显现出来。紫外告警设备是战术飞机等作战平台用来对来袭导弹进行逼近告警

2、的一种光电探测装备，即通过探测来袭导弹羽烟的紫外辐射，以判断威胁方向及程度，实时发出警报信息，提示驾驶员或者自动选择合适时机，实施有效干扰，采取规避等措施，对抗敌方导弹的攻击。2．目标和背景的紫外辐射特征2．1导弹羽烟的辐射机理无论是使用固体还是液体燃料，导弹产生的羽烟中都含有近紫外和中紫外辐射，这就成为探测器捕捉目标的紫外辐射源。产生紫外辐射的原因有：温度辐射、化学发光、探照辐射、粒子辐射、分子电辐射，对于导弹中应用最广的固体推进剂而言，其紫外辐射主要来源于以下几个部分:1)热发射一类为黑体辐射，由于固体推进羽烟的

3、温度非常高，可达1000～3300K，根据黑体辐射理论，当物体温度升高时，发出的辐射能量增加，峰值波长向短波方向移动。高温的羽烟可产生一定量的紫外辐射。另一类是热粒子辐射。很多固体推进剂飞行器为了提高燃烧效率，会加入固体铝作为燃烧剂，在羽烟的二次燃烧中大量的粒子起主要作用,呈现灰体辐射,其热状态一直保持到二次燃烧热量释放完毕。羽烟中小的、未燃尽的Al粒子在很高的非平衡温度下也可以发出紫外辐射。图1是美国AFGL实验室测得的导弹羽烟光谱，在263nm附近出现的吸收峰是由于的XA吸收谱产生的。的含量很少，但在以高氯酸胺为

4、氧化剂的推进剂尾气中均含有，可由和形成。2)化学荧光辐射化学荧光是由化学动力学过程所导致的非平衡自由辐射，也就是自由光子作为一种化学反应的过程。导弹的尾气流中包含了大量的未燃尽的燃料，根据所用燃料类型，它们生成了高浓度的碳、氮、氢，这些未燃尽物质产生的化学反应导致了紫外辐射。在太阳盲区波段,化学荧光主要来源于的重组,原子间的状态转换导致化学荧光的反馈过程。具体化学荧光过程的反应方程式如式(1)～式(4)所示:+光子（1）+光子（2）+光子(蓝焰)（主要）（3）（4）由于导弹的固体燃料和氧化剂是铝粉和过氯酸氨()，因此

5、导弹紫外辐射的主要贡献来自粒子的热发射和的化学荧光，其中尾气流中的高温粒子在紫外发射中起关键作用。表1是低空（高度<50km）导弹羽烟的特征辐射。从表1和图1我们可以看出:任何羽烟中都含有近紫外（NUV）和中紫外（MUV）,这就为紫外光电被动告警提供了可能和依据。同红外辐射相比，导弹羽烟产生的紫外光子数较少，这就要求信号检测手段必须非常灵敏。不同导弹的固体推进剂变化很大，能量的幅值依赖于所要观察的波长和燃料组份。2．2背景的中紫外辐射太阳辐射通过地球大气层到达地球表面时由于大气的衰减造成了辐射光谱改变，其中，波长短于

6、291nm的中紫外辐射由于同温层中的臭氧的吸收，基本上到达不了地球近地表面，造成太阳光中紫外辐射在近地表面形成盲区。主要分布在距地10～35km的高度,浓度从10km的高度起随高度增加而增大,约25km左右达最大；10km以下,含量极少。层的这一大气分布结构，把波长短于290nm的紫外辐射阻挡于大气对流层之外，为近地表面工作在日盲区波段的设备提供了天然的保护伞,使设备避开了最强大的自然光源,在背景极其简单的条件下工作，降低了信号处理的难度，对于告警设备可获得低虚警的性能。另外在12km高度以下的大气中，太阳光的截止波

7、长变化很小；但高度超过12km后，随着高度的升高，截止波长将向短波方向移动，使紫外告警系统的背景噪声增大，因此紫外告警系统的使用高度应限制在12km以下的中低空。天空中大气辉光覆盖了从0.1～0.39μm整个紫外频谱,是中紫外设备的主要背景源，但其辐射级极低，通常每平方厘米只有几百个光子。大气辉光主要是由不能到达地面的太阳紫外辐射在高层大气中激发原子并与分子发生低几率碰撞产生的。大气辉光由钠原子、氧原子、氧分子、氢氧根离子以及其他连续发射谱组成。图2为天空背景的紫外辐射谱。目标和背景的辐射特点为如何使紫外探测器在不同

8、作战距离具有最高的光谱和时间响应率提供了依据：它必须完全滤掉290nm波长以上的太阳光子的太阳光子,使270～290nm波长之间的太阳光子进入探测器内。3．紫外探测器件紫外告警系统中依探测器的类型可分为真空探测器件和固体探测器件。3．1真空探测器件目前,真空探测器件有如下几类：紫外真空二极管、分离型紫外光电倍增管(UV-PMT)、成像型紫外变像