李梅 王繼新

2009年12月，挪威北部城鎮(zhèn)特羅姆瑟上空出現(xiàn)的神秘光跡實為俄羅斯“圓錘”導(dǎo)彈試驗失敗留下的尾跡，壯觀的螺旋光線實際是當(dāng)時這枚導(dǎo)彈在試驗中失控旋轉(zhuǎn)，形成神秘的螺旋視覺效果

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和自媒體的發(fā)展，世界任何角落幾乎都不再有秘密，包括以前充滿神秘色彩的彈道導(dǎo)彈發(fā)射，似乎也在各地?zé)嵝摹坝^眾”的“直播”中，變成了帶有奇幻色彩的空中異象。實際上，利用導(dǎo)彈發(fā)射時特殊而明顯的光學(xué)特征對其觀測是彈道導(dǎo)彈試驗中重要的測量手段。

為什么需要光學(xué)觀測

大家知道，彈道導(dǎo)彈飛行通常分為主動段、中段和再入段三個階段。其中，主動段是導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)工作的飛行階段，也稱動力飛行段，中段和再入段則合稱為自由飛行段。通常主動段飛行時間不長，在幾百秒之內(nèi)。導(dǎo)彈控制系統(tǒng)按照發(fā)射程序?qū)?dǎo)彈運動參數(shù)進(jìn)行控制后，在關(guān)機(jī)點，彈體與彈頭分離，隨后進(jìn)入自由飛行段。主動段時間雖然不長，但最后關(guān)機(jī)點的位置和速度對導(dǎo)彈的射程和落點卻有著決定性的作用。而目前已經(jīng)擁有雷達(dá)、遙測等很多測量手段，為什么還需要最“原始”的光學(xué)觀測？這主要是由于光學(xué)觀測對導(dǎo)彈發(fā)射過程目標(biāo)特性有著獨特的優(yōu)勢。

飛行速度較慢

由于主動段導(dǎo)彈起飛速度從零開始逐步增加，即使到關(guān)機(jī)點其速度最大時，與彈頭再入段相比，其速度也并不算高。統(tǒng)計表明，通常導(dǎo)彈主動段飛行的平均速度約為1.5～2千米/秒。其中，近中程導(dǎo)彈關(guān)機(jī)點速度只有2～3千米/秒，中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈為4～5千米/秒，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈可達(dá)到6～6.5千米/秒，即使是洲際導(dǎo)彈其速度也只為7～7.6千米/秒。由于射程越遠(yuǎn)，導(dǎo)彈關(guān)機(jī)點高度就越高，從地面觀測的移動角度也越小，因此即使遠(yuǎn)程及洲際導(dǎo)彈飛行速度較高，但由于其高度較高，仍能較好地跟蹤和測量。與之相比，同類型導(dǎo)彈彈頭的再入速度要大1～2倍，有些高彈道導(dǎo)彈甚至更高，因此地面光學(xué)設(shè)備跟蹤更難。

目標(biāo)特征明顯

由于發(fā)射時跟蹤的是整個導(dǎo)彈，而中程以上導(dǎo)彈在再入時已經(jīng)完成頭體分離，再入時是體積更小的彈頭，而導(dǎo)彈彈體的表面積比彈頭大50～70倍，橫截面積大10～20倍，而且導(dǎo)彈主動段飛行時，發(fā)動機(jī)噴焰溫度很高，具有很強的紅外輻射和可見光特征，易于觀測。特別是在清晨或黃昏時分發(fā)射，導(dǎo)彈在高空噴射出的尾焰擴(kuò)散后形成的燃燒粒子產(chǎn)物，在已經(jīng)消失在地平線下的陽光照射下，產(chǎn)生暮光效應(yīng)，會形成炫目的光反射現(xiàn)象，就像云層在早晚陽光照射下反射形成朝霞和晚霞一樣。特別是這時的發(fā)動機(jī)噴射粒子云在大氣折射下可能發(fā)生多種大氣反射、折射和衍射等現(xiàn)象，有時在遠(yuǎn)處觀看并不是導(dǎo)彈發(fā)射后尾部形成的錐狀高亮輪廓，而可能是更加玄幻的圖案。而這時處于助推段飛行軌道下方的地面人員或觀測儀器都處于地球的陽光遮蔽陰暗區(qū)域內(nèi)，不會受到陽光干擾，因而觀測更容易。

飛行高度較低

一般導(dǎo)彈主動段飛行時間約5～8分鐘，固體導(dǎo)彈時間要短些，液體導(dǎo)彈時間要長些。雖然飛行時間較短，但是導(dǎo)彈的主動段基本都處于大氣層內(nèi)，因此飛行高度較低，易于采用直接的光學(xué)觀測手段。通常，射程越遠(yuǎn)彈道導(dǎo)彈的關(guān)機(jī)點高度也越高。一般來說，近中程彈道導(dǎo)彈關(guān)機(jī)點高度為80～100千米，中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈120～150千米，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈170～200千米，洲際導(dǎo)彈200～240千米。這些高度都處于大部分光學(xué)觀測儀器甚至人類肉眼的觀測范圍內(nèi)。特別是在夜暗條件和陽光強反射情況下，導(dǎo)彈的程序動作和尾焰情況應(yīng)該說絲毫難逃光學(xué)儀器的觀測和測量。

美國邁阿密上空的“飛碟”實際是美國“阿特拉斯五號”火箭（Atlas 5）試驗的尾跡

此外，由于導(dǎo)彈主動段飛行主要是盡快使導(dǎo)彈載荷達(dá)到盡可能大的速度并賦予正確方向，因此不會有較復(fù)雜的機(jī)動動作和程序，彈頭和誘餌也不會釋放，因此目標(biāo)識別和測量信號內(nèi)容都較為單一，易于穩(wěn)定觀測測量。

光學(xué)觀測的內(nèi)容及作用

觀測尾焰變化，構(gòu)建動力模型

彈道導(dǎo)彈發(fā)射后要經(jīng)過稠密的低空大氣層、稀疏的高空大氣層和空氣稀薄的鄰近空間等階段。這些階段的大氣壓力、溫度等都有很大差異，而且導(dǎo)彈隨著發(fā)動機(jī)的燃燒，液體燃料儲箱內(nèi)的壓力也不斷降低，固體燃料也設(shè)計成不同燃燒階段有不同的燃燒面積和燃料組份，這些因素都會造成導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)尾焰在大小、形狀和顏色等方面的不同。通過觀測和測量我們可以還原發(fā)動機(jī)尾焰輻射強度和亮度等參數(shù)隨時間、高度的變化過程，從而建立導(dǎo)彈飛行高度、發(fā)動機(jī)推力等特征與尾焰輻射和亮度變化特性的關(guān)系。這種關(guān)系對導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)設(shè)計尤為重要。以這種動力參數(shù)模型為依據(jù)，可以通過調(diào)整不同高度和溫度情況下發(fā)動機(jī)燃燒室的壓力或燃料組份，來保持發(fā)動機(jī)推力穩(wěn)定和獲得最高推力效率。

搜集光譜參數(shù)，對推進(jìn)劑分析

通常，導(dǎo)彈主動段飛行的動力來自于燃料的燃燒，燃燒的尾焰中含有可見光、短/中波紅外和紫外等波段的能量，輻射功率可達(dá)105～106瓦（與發(fā)動機(jī)推力有關(guān)）。其中，水和二氧化碳是導(dǎo)彈推進(jìn)劑燃燒后的主要產(chǎn)物，而二氧化碳在大氣環(huán)境下有較強的紅外輻射。因此利用發(fā)動機(jī)和尾焰的光學(xué)輻射，可以對導(dǎo)彈進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測。發(fā)動機(jī)的光輻射與噴焰的結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、壓力和溫度）和化學(xué)組分有關(guān)，因此對發(fā)動機(jī)光譜的觀測和測量可以分析推進(jìn)劑類型、燃料成分等參數(shù)，以檢驗發(fā)動機(jī)制造的標(biāo)準(zhǔn)程度，或分析發(fā)動機(jī)燃料燃燒進(jìn)程，進(jìn)而推斷發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性。

采集位置數(shù)據(jù)，復(fù)建飛行彈道由于光學(xué)觀測原理較為簡單，因此也是各國最早、最可靠的導(dǎo)彈發(fā)射測量手段。通常測量導(dǎo)彈目標(biāo)方位角、高低角隨時間的變化，以通過這些數(shù)據(jù)復(fù)建和分析導(dǎo)彈彈道及彈道特性。這些數(shù)據(jù)不但可以檢驗導(dǎo)彈彈道設(shè)計，也可以為修正彈道參數(shù)提供最原始的數(shù)據(jù)，還可以構(gòu)建導(dǎo)彈復(fù)雜飛行條件下的彈道解算模型和方法。利用這些根據(jù)具體導(dǎo)彈型號構(gòu)建和修訂的彈道模型，可以減少導(dǎo)彈發(fā)射次數(shù)，并準(zhǔn)確設(shè)計彈道和預(yù)測彈著點。

國際空間站宇航員觀察到俄羅斯發(fā)射的導(dǎo)彈形成的怪異云形

記錄事件過程，分析程序設(shè)計彈道導(dǎo)彈在飛行中實際上要設(shè)計許多程序動作。例如，在助推飛行過程中的彈射出筒（冷發(fā)射）、點火、加速、輔助發(fā)動機(jī)點火、尾罩分離（冷發(fā)射）、級間分離、頭體分離，等等。這些動作的發(fā)生時刻和過程都需要精確符合最初設(shè)計。而光學(xué)觀測手段可以通過光學(xué)圖像數(shù)據(jù)測量與分析這些特征的過程和姿態(tài)，采集這些動作的動力參數(shù)，進(jìn)而為構(gòu)建仿真模型提供數(shù)據(jù)。通過模型模擬可以優(yōu)化程序動作和拋離路線，避免分離對象與導(dǎo)彈主彈體發(fā)生碰撞和干擾，也是飛行彈道設(shè)計數(shù)據(jù)的有效補充。

光學(xué)觀測的主要條件

通常，導(dǎo)彈和運載火箭都有發(fā)射窗口，又稱適宜的發(fā)射時機(jī)，是指滿足預(yù)定飛行條件和任務(wù)要求而允許導(dǎo)彈和火箭發(fā)射的一個時間范圍。其受測試發(fā)射保障能力、氣象條件、測控條件等限制，運載火箭還會受到在軌目標(biāo)特性、載荷姿態(tài)限制、交會對接條件等因素的影響。一般情況下，導(dǎo)彈發(fā)射通常要同時計算多種發(fā)射窗口，最終發(fā)射窗口的確定有時需要重點考慮光學(xué)測控跟蹤限制因素。那么，彈道導(dǎo)彈發(fā)射時光學(xué)觀測的要求通常有哪些呢？

天光地影天光地影，就是目標(biāo)與地面觀測設(shè)備與太陽光線之間的關(guān)系，也就是在導(dǎo)彈的關(guān)鍵飛行段落，觀測目標(biāo)受太陽照射，而光學(xué)測量設(shè)備不受太陽照射。光學(xué)測量設(shè)備不受太陽照射，是指太陽在觀測區(qū)的地平線之下。這種情況通常只有黃昏和清晨時分才能發(fā)生，這也就是我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈或火箭發(fā)射通常都選擇在早晚發(fā)射的根本原因。

正在發(fā)射的美國“三叉戟”Ⅱ潛射洲際彈道導(dǎo)彈

大氣環(huán)境由于在適合觀測時刻的早晚期間陽光受到云層反射而變得較為復(fù)雜，因此在發(fā)射階段必須考慮發(fā)射觀測區(qū)即背景的大氣環(huán)境條件，即在相應(yīng)飛行時刻觀測站周圍背景亮度小。實際上影響發(fā)射觀測的大氣條件還包括極光、氣輝、卷云、夜光云等特殊自然現(xiàn)象，以及地球鄰邊的大氣背景特性。這些大氣現(xiàn)象都可能遮擋或扭曲觀測目標(biāo)影像。

視場干擾這是指在視場范圍內(nèi)需要排除天體對飛行器成像的干擾，主要考慮太陽、月亮不能在設(shè)備的視場中。這里主要考慮太陽高低角限制、太陽夾角限制以及月亮夾角限制。

距離環(huán)境距離環(huán)境是指與觀測設(shè)備作用距離相關(guān)的環(huán)境因素，選定適當(dāng)時刻使處于一定姿態(tài)的航天器受到較好的光照，增大發(fā)光強度。作用距離限制主要考慮觀測設(shè)備能否看見目標(biāo)。

發(fā)射升空的俄羅斯“圓錘”潛射洲際彈道導(dǎo)彈

地球地理在地球不同的地點，相同的發(fā)射活動其觀測窗口也是不同的。也就是說，光學(xué)觀測點的經(jīng)度、緯度和關(guān)注段落目標(biāo)高度對窗口會產(chǎn)生不同影響。例如，在北半球的冬季，太陽直射南半球，北半球高緯度地區(qū)白天短，黑夜長，造成可觀測窗口縮短;在同樣條件下，在低緯度地區(qū)窗口長一些，對發(fā)射比較有利，這也是全球運載火箭發(fā)射場大多建設(shè)在緯度較低地區(qū)的原因之一。而經(jīng)度變化在長年情況下沒有什么影響，只在某一天內(nèi)不用時刻有較大變化。在同一經(jīng)緯度的地點如果僅目標(biāo)高度發(fā)生變化，則隨著高度增加，凌晨窗口的起始時間點提前，傍晚窗口的中止時間點推后，窗口增大，這是因為目標(biāo)高度越高，受照時間變長。

天文地理

光學(xué)測量要盡量保證光學(xué)設(shè)備的有效觀測，即目標(biāo)能受太陽照射而天空背景較暗，能保證探測對比度，目標(biāo)發(fā)光強度能滿足探測靈敏度要求。而月亮對天光的貢獻(xiàn)與月相有關(guān)，在一個月周期中，只是在上弦到下弦的半個月中影響較大，而在下弦到上弦之間的半個月中其影響可以忽略。在月亮影響較大期間則要求觀測方向與月亮保持一定角距，角度的具體大小根據(jù)設(shè)備指標(biāo)和實際觀測任務(wù)的要求確定。

美國“阿特拉斯”5型火箭發(fā)射時天空中出現(xiàn)了奇怪的羽流

國際空間站宇航員觀察到的地球大氣層形成的怪異的云，原來是俄羅斯發(fā)射的導(dǎo)彈尾跡

總之，導(dǎo)彈或火箭發(fā)射時，如果要對飛行的關(guān)鍵節(jié)點或關(guān)鍵段落進(jìn)行光學(xué)測量，一般選擇黎明或傍晚，此時太陽處于地平線以下或附近，發(fā)射場區(qū)在地影中，而飛行路徑受太陽照射，能夠使目標(biāo)和背景形成較大的反差。當(dāng)然，最終發(fā)射窗口的確定，是權(quán)衡包括測控限制條件在內(nèi)的多方面要求的結(jié)果，有時甚至要對相互矛盾的條件做出取舍。

光學(xué)觀測的主要設(shè)備

導(dǎo)彈發(fā)射時的光學(xué)觀測設(shè)備是利用可見光、紅外光和激光對導(dǎo)彈的物理特性實時跟蹤或測量的高精度儀器。

光學(xué)觀測設(shè)備的發(fā)展世界上第一臺光電經(jīng)緯儀誕生于1941年，迄今已經(jīng)歷四代產(chǎn)品。20世紀(jì)60年代后期，光電跟蹤測量技術(shù)在靶場光測儀器上得到實際應(yīng)用。瑞士、美國、法國和蘇聯(lián)等國分別在EOTS系列、Kth系列及其它類型電影經(jīng)緯儀上，先后加裝紅外、電視跟蹤測量系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)，使測量精度大幅提高。例如，瑞士與法國等國合作研制的K400經(jīng)緯儀是上世紀(jì)70年代較有代表性的產(chǎn)品，有紅外、電視、激光跟蹤測量和激光測距系統(tǒng)供選擇配用，其中激光測距精度小于1米。此外，光電經(jīng)緯儀與電影經(jīng)緯儀相比，具有實時測量及精密自動跟蹤的特點，特別是采用激光測距技術(shù)可實現(xiàn)單站定位，實時測量數(shù)據(jù)能用于測軌及高精度安全控制，通過終端顯示與磁記錄系統(tǒng)可進(jìn)行實況監(jiān)視與記錄，采用光電探測器件代替感光膠片，還能減免大量繁瑣的膠片事后判讀與處理工作。

錢學(xué)森查看電影經(jīng)緯儀

從70年代末開始在光學(xué)觀測系統(tǒng)上應(yīng)用實時視頻處理技術(shù)，如美國研制的超級自動記錄式數(shù)字光學(xué)跟蹤系統(tǒng)和實時視頻經(jīng)緯儀，均采用視頻處理技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了全自動跟蹤，有效地提高了測量精度、探測距離以及自動識別目標(biāo)的能力。以此為基礎(chǔ)，光學(xué)觀測儀器逐步采用數(shù)字化技術(shù)，能直接與計算機(jī)聯(lián)接，不但能實時的提供方位、高低角度信息，而且還因加裝了大功率的激光測距機(jī)，能實時的提供距離信息。經(jīng)計算機(jī)處理后，單臺光電經(jīng)緯儀即可確定目標(biāo)位置。早期的光電經(jīng)緯儀采用固定地基的方式觀測，觀測點不能移動，現(xiàn)代的光電經(jīng)緯儀實現(xiàn)了車載及艦載功能，觀測點可隨時移動，機(jī)動性強。

我國20世紀(jì)50年代主要從蘇聯(lián)引進(jìn)光電經(jīng)緯儀，沒有自主研發(fā)的能力。自20世紀(jì)60年代，我國才開始自主研制生產(chǎn)光電經(jīng)緯儀，70年代中期光電技術(shù)在靶場光測儀器中的應(yīng)用有了迅速發(fā)展，先后研制出多種采用紅外、電視跟蹤測量和激光測距技術(shù)的光電經(jīng)緯儀;80年代中期，又研制成功采用紅外、電視、激光跟蹤測量，激光測距和微型計算機(jī)系統(tǒng)的光電經(jīng)緯儀。目前我國產(chǎn)品已與國際同步，處于國際先進(jìn)水平。。

光學(xué)觀測設(shè)備的分類及組成光學(xué)觀測設(shè)備廣泛應(yīng)用于靶場測控、移動物體鎖定與跟蹤、資源遙感、地質(zhì)勘測、航空航天遙感偵察等方面。在國防應(yīng)用領(lǐng)域，光電測控儀器設(shè)備已成為不可或缺的、重要的高精尖國防裝備。這類設(shè)備類型龐雜，包括測角儀、光電經(jīng)緯儀、光電瞄準(zhǔn)儀、航空/航天相機(jī)、彈道相機(jī)、測量望遠(yuǎn)鏡、激光雷達(dá)、瞬態(tài)光譜儀、電視/紅外跟蹤儀、激光測距機(jī)、實況記錄儀、掃描輻射計、成像光譜儀、水色掃描儀等多種產(chǎn)品。其中應(yīng)用最廣和最具代表性的是光電經(jīng)緯儀。

光電經(jīng)緯儀是一種可用于測量導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)及炮彈等飛行物體的飛行軌跡及坐標(biāo)信息的高精度光學(xué)測量設(shè)備，在靶場試驗測量中得到廣泛的應(yīng)用。通常將多臺不同功能的光電經(jīng)緯儀以一定的形式布放在試驗航區(qū)特設(shè)的站點上，組成靶場外彈道測量系統(tǒng)，可對被測目標(biāo)進(jìn)行實時跟蹤測量，獲取目標(biāo)的精確彈道數(shù)據(jù)，為武器系統(tǒng)性能參數(shù)的試驗鑒定提供可靠的試驗數(shù)據(jù)，為航區(qū)的安全控制提供重要的實時信息。其通常由光電跟蹤器、跟蹤架及軸角檢測系統(tǒng)、激光測距儀、數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)和輔助跟蹤系統(tǒng)等組成。

參觀電影經(jīng)緯儀

光電經(jīng)緯儀的工作原理光電經(jīng)緯儀的各光學(xué)接收與探測系統(tǒng)均安裝在地平式跟蹤架上，由它們探測的目標(biāo)信號，經(jīng)信號處理器處理即獲取目標(biāo)在水平和垂直方向上的脫靶（偏離）量信息。該信息一方面作為跟蹤控制信號饋入對應(yīng)方向的伺服回路，驅(qū)動跟蹤架對目標(biāo)實行閉環(huán)跟蹤;另一方面又作為目標(biāo)視線對儀器視軸指向的偏差角送入數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)，與儀器方位角、俯仰角、激光測距信息及靶場統(tǒng)一時間等組合輸出，實現(xiàn)實時測量。

光電經(jīng)緯儀的核心是光電跟蹤器，其有紅外、電視和激光等幾類，按傳感器的形式可分為成像式與非成像式，按對目標(biāo)有無人工照射源可分為主動式與被動式。觀測點源目標(biāo)的紅外跟蹤器大多采用非成像被動方式工作，光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)與背景的紅外輻射，通過調(diào)制由紅外探測器進(jìn)行光電變換，再用基準(zhǔn)信號解調(diào)處理即得目標(biāo)脫靶量。電視系統(tǒng)是采用成像的被動方式進(jìn)行工作的，待測景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，經(jīng)電子束掃描分解輸出帶有目標(biāo)特征信息的視頻信號。激光系統(tǒng)按主動方式工作，與接收系統(tǒng)共軸的激光器向目標(biāo)發(fā)射激光束，經(jīng)目標(biāo)反射的激光回波，一方面通過光電探測器接收，并經(jīng)過運算獲取脫靶量;另一方面用于換算出目標(biāo)的斜距值。

總的來看，光學(xué)觀測手段的優(yōu)點是：不受導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)噴焰影響和地面雜波干擾;設(shè)備簡單，彈上不需要安裝有源設(shè)備。而缺點是：作用距離近（通常為100～200千米），受氣候影響大，對于云層厚、陰天及雨天效果較差。目前，國內(nèi)外地基光學(xué)觀測主要使用大口徑光學(xué)系統(tǒng)，通常采用先進(jìn)的輻射特性測量技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，克服了大氣吸收、湍流和強背景輻射的影響，能實現(xiàn)對導(dǎo)彈發(fā)射的探測、輻射特性測量和特征獲取，這對彈道導(dǎo)彈和運載火箭測控和特性數(shù)據(jù)采集具有重要意義。