方兴未艾的光谱“处女地”：现代军用紫外探测技术

    紫外是指在电磁频谱中10～400nm波长范围的一段，其波长在电磁频谱中位于可见光谱紫光区的外侧，是在1802年由德国物理学家里特发现。由于只有波长大于200nm的紫外辐射才能在空气中传播，所以通常讨论的紫外辐射效应及其应用均在200～400nm范围内（大气层中的“紫外窗口”）。
军用紫外探测技术是利用近地大气中的“日盲区”（波长小于300nm的紫外辐射由于同温层臭氧吸收，基本上达不到地球近地表面，造成太阳光中的紫外辐射在近地表面形成盲区）和大气层中的“紫外窗口”来实现的。

    图1 紫外是波长比可见光短，但比X射线长的电磁辐射，波长范围在10纳米至400纳米，能量从3电子伏特至124电子伏特之间。它的名称是因为在光谱中电磁波频率比肉眼可见的紫色还要高而得名，又俗称紫外光。

    早在20世纪60年代，美国空军就开始了利用紫外波段探测洲际导弹发射的研究工作（导弹发动机的尾焰会产生紫外光子）。理论上，只要能够对导弹发动机的羽烟紫外辐射进行精确测量，就能够有效发现是否有导弹发射。但是，由于科研人员发现难于确定这些紫外辐射信号强度是否强于自然辐射，再加上紫外辐射特有的“非热态”，导致无法建立相关的信号模型和算法理论，紫外探测难以付诸实施，研究工作只能转向易于建立信号模型的发动机羽烟红外特征探测。

    一直到20世纪80年代，在美国的“导弹防御计划”下，研究人员再次考虑利用紫外辐射来探测导弹发射的可行性。也是在这一时段，相关的基础研究也取得了进展，特别是利用地球观测卫星获取了自然背景辐射的精确数据，高灵敏度的紫外阴极、电荷耦合器件（CCD）和高增益微通道板的研究也获得了突破，这使得军用紫外探测技术成为了可能。

    因此，进入20世纪90年代之后，军用紫外探测技术进入实质性研究和应用开发阶段，被誉为21世纪最具影响力的军用技术之一的紫外告警技术异军突起，并且已经逐步成为一种标准配置而越来越多的出现在各类高价值武器平台（也包括部分大型民用客机）上。

    目前，军用紫外探测技术主要在战术导弹告警、天基紫外预警和紫外超高谱侦察等几个方面展开：战术导弹告警，航空兵在空中格斗、低空突防、近距支援、对地攻击和起飞着陆等阶段，很容易受到红外制导空空导弹和便携式防空导弹的攻击，由于缺乏有效的红外制导导弹逼近告警，75%的战损都是因为飞行员在没有发觉处于导弹威胁之中而被击落的。

    作为对抗红外制导导弹中最为关键的导弹逼近告警（MAWS）就需要能够在大范围空域内能够连续地快速告警，并且虚警率极低。而紫外探测技术就能胜任这样的应用，通过被动接收导弹发动机工作时产生的紫外辐射，就可以对导弹的发射或者逼近进行实时告警以及精确定向，及时提醒飞行员采取机动规避和对抗措施。此外，由于紫外告警设备结构简单、不需要制冷、不需要扫描、重量轻、体积小和勤务性能好，所以现在不但可以装在各种战斗机、攻击机、武装直升机和大型民航客机上，地面部队的主战坦克和步兵战车也都开始配备。

    图2 20世纪80年代，在美国的“导弹防御计划”下，研究人员再次考虑利用紫外辐射来探测导弹发射的可行性。

    天基紫外预警，弹道导弹对国家安全的威胁是严重的，因此需要对其采取积极的防御手段，特别是对其进行有效的早期预警。天基紫外预警就是利用搭载在地球同步轨道预警卫星上的紫外探测系统，在弹道导弹的助推段就及时发现导弹发动机羽烟的紫外辐射，对敌方来袭弹道导弹进行可靠的早期预警和跟踪。美国的导弹防御研究人员也表示，相比传统的天基红外探测，星载紫外探测器不需要制冷、体积也更小、耗电量低、成本更低，更适合在条件受限的太空环境下应用。

    紫外超广谱侦察，是一种基于方位和光谱的三维信息探测技术，可在紫外波段内以高光谱分辨率（小于10nm）对目标进行监视探测，获取目标的细微特征，获得常规侦察手段难以得到的目标信息，是现代光电侦察技术经历了单波长、多波段之后的一个新飞跃。

本文来自天极网科普频道编辑发布

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