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星载核爆探测技术doc

发布时间:2019-07-05 12:20 来源:未知 编辑:admin

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  星载核爆探测技术 枷O年3月第1期 第9卷总第67期 防化 JOURNAL0FCHEMICALDEFE】『(=E No.1Ma.r.2000 Vo1.9S啪No.67,▲ 星载核爆探测技术 苏镇涛冯地清’ (防化指挥工程学院研究生队/.第7教研室北京102205) 摘要简要介绍了美国星载核爆探测技术的现状以及常用的探测仪器与方法,并提出了 我国发展星载核爆探测技术的几点建议. 关键词卫星核爆炸探测 分类号E928;TJ91 O前言 法, 术, 法. 务, 段, 监测大气层内核爆炸的方法有很多种,诸如放射性碎片取样分析法,地基的无线电探测 次声法,光学法以及天基的卫星探测法等.卫星探测法是一种快速,大面积遥感侦察技 其空间分辨率和时间分辨率正日益提高,目前被认为是最有效,成本也较低的一种方 又由于用卫星监测核爆信息,既可在平时完成核查任务,又可在战时执行核爆监测任 实时地提供核爆信息,因此受到了美国等发达国家的高度重视.I】 近年来,我国也在陆续开展星载核爆探测系统的研究,但各项研究工作正处于起步阶 与先进国家相比存在较大差距.’ 1美国核爆探测卫星简介 美国执行卫星探测核爆炸计划的主要目的:探测,识别全球地面以上的核爆炸;确定是 否发动了核攻击;评估核攻击后果.该计划的主要内容:研究,发展空间核爆探测技术;研 制卫星探测器和卫星的运行保障,实验子系统以及对测量数据进行分析,处理,评价等. 依据以上原则,星载核爆监测主要采用光学探测仪器(照相侦察,雷达成像系统,红外 探测器,紫外探测器),核电磁脉冲(NEMP)探测仪器以及探测空间核爆炸的X射线,.), 射线,中子,带电粒子与裂变产物的仪器. 1.1”维拉”(Vela)卫星 最早利用侦察卫星监测高空和大气层核试验的是美国的”维拉”(,,lela)卫星计划,该 计划于1958年提出,1961年开始实施,其方法是利用星载X射线,.),射线和中子探测器监 测大气层和外层空间的核试验.1963年《部分禁止核试验条约》签署后,核试验转入地 下,该计划就用来监测条约的履行情况.星上除携带有X,.),射线和中子探测器外,还包括 红外探测器,紫外探测器,X射线分析器,盖革米勒计数管,地磁仪等,经过改进后的维拉 收稿日期:1999-11一l3 1)冯地清等.核爆炸探测原理与仪器.防化指挥工程学院1994 2)毛用泽.卫星核爆炸探测技术进展.防化研究院.1999 圃 一第1期苏镇涛等:星载核爆探测技术 卫星还有光学和电磁脉冲探测器.1971年以来,维拉卫星停止发射,其任务由综合导弹预 警卫星担负. 1.2GPS,DSP卫星 到80年代,核爆炸探测设备采用”搭班车”的办法布置在全球定位系统(GPS)导航 卫星上.1983年夏季美国开始发射第一颗携带有核爆炸探测器的GPS卫星.GPS卫星的两 大任务是提供地球上的导航与定位数据(包括三维坐标,速度与时间)和核爆探测.至今 GPS卫星已发射部署了24颗,卫星周期为12h,在地球上任一地点可通视5~8颗卫星.GPS 卫星群可对全球范围任何处的核爆炸进行探测与定位.GPS卫星装备的核爆探测系统 (NBDS)主要有SNL(Sandia国家实验室)研制的用于探测大气层内核爆炸的辐照度仪 (Bhangmeter),LANL(LosAlamos国家实验室)开发的用于探测大气层外空间核爆炸的X 射线探测器以及用于测试带辐射剂量水平的荷电粒子剂量仪.此外,还有探测核电磁脉冲 (NEMP)的特殊天线.这套系统还装备在其他卫星如用于弹道导弹发射或核爆早期预警的 国防支持计划(DSP)卫星上使用.GPS,DSP卫星在战时已成为美军全球范围内核袭击 (含己,敌双方)效果侦察的唯一手段. 1.3_JES小型卫星 为了进一步改进与完善卫星核爆探测系统,LANL的NIS(核,生,化不扩散与国际安 全)部门认为在现有GPS与DSP卫星系统基础上,必须发展基于现代传感技术的小型,低 廉的核爆探测实验卫星系统.为此,该实验室研究开发并于1993年和1997年分别发射了 S和FORTE低轨道小型实验卫星. 低能X射线成像传感器阵列(ArmyofLow—EnergyX—RayImagingSensorsALEXIS) 卫星载有3对6个垂直人射的中心能量为66,7l,95eV狭波段X射线(或超紫外EUV)望 远镜和甚高频()频段称为BLEARD的电磁脉冲探测器.该小型,快速卫星的 主要目的是结合全面禁止核试验条约核查所用的新一代核爆探测系统的研究与发展,进行宇 宙空间的EUV爆发瞬变事件与穿透电离层的大气放电瞬变事件等天体物理与电离层物理科 学实验.卫星下载实测数据至地面站计算机,地面站计算机可上送新的程序至卫星.根据妇 与GPS卫星核爆探测系统的实践,估计X射线望远镜探测阵列和射频电磁脉冲探测器(辅 有光电探测器)的研制与卫星上的实测演示有可能是分别针对空间和大气层的秘密核爆试验 的探测,核查而进行的新技术探索. 1.4FoRTE卫星 FORTE(FastOn--OrbitRecordingofTransientEvent,快速在轨瞬变事件记录)卫星 是美国能源部核不扩散与国际安全局发射的继ALEXIS卫星后又一颗专用的试验卫星,以进 一 步研究与开发对大气层的采用NEMP与光学途径的卫星核爆探测新技术.卫星(含仪器 仓)与地面控制站由LANL与SNL联合研制与运行.仪器仓的3个铝制底板上主要安装有 由L研制的30~300MHz射频脉冲探测系统以及SNL研究设计的宽视野光学瞬 变脉冲CCD成像系统,宽波段光电二极管光脉冲波形探测系统,基于数字信号处理与神经 网络模式识别的射频事件分类器等.FORTE卫星继承BLACKBEARD并改进了的VHF EMP探测技术的试验是为了进一步发展用于核禁试核查手段在复杂的电磁噪声环境中自 动,可靠的NEMP探测系统,预计该系统将被推荐给GPS卫星使用.卫星的科学试验任务 . 64.防化2000~P▲ 与目的还在于从连续电磁辐射载波(如Tv,FM等)的噪声环境中测量提取LEMP(含穿过 电离层的脉冲对P),并结合光学传感器所获取的光波信号研究雷电事件的性质,综合了 解闪光与VHF发射之间的关联.同时结合P探测进一步研究闪电率与当地降水的关联. 2星载核爆探测的原理与方法 核爆炸探测首先要探测到核爆炸并且判断它确为核爆炸,进一步要测定爆炸的当量,时 间和爆炸位置.为判断核爆和测定当量,应该选择最有核爆特征并且能顺利通过大气层的信 号进行测量.为了定位和定时,应该选择快速度的,传播速度一定的信号进行测量,通过多 点测量的时间差换算距离差,用多点定位方法确定爆点.¨ 根据大气层核爆炸效应的知识,容易确定选择电磁脉冲测量来定位,而选择火球辐射双 峰结构来判断核爆和确定当量.因为,电磁脉冲前沿很陡,它可以通过大气层并保持前沿时 间;而火球发出的可见光和红外线可以透过大气层而不改变其波形.红外探测可适用于有云 层覆盖时的核爆探测. 对于高空核爆炸,核爆产生的能量主要以X射线形式传播,没有火球双峰结构,电磁 脉冲产生机制与大气层核爆有很大差异.因此探测高空核爆,宜通过测量X射线的脉冲前 沿时间来定位,而通过测量X能量注量来换算当量,换算时需要用到定位的结果. 若有必要和可能,可以增加中子,J),射线探测器,测量烟云上升后发出的缓发中子和裂 变碎片的J),射线,以进一步确认核爆. 2.1Vda与GPS卫星的核爆探测仪器 Vela与GPS卫星探测大气层核爆炸的主要系统是记录光辐射波形的辐照度仪,其专门 名称是Bhangmeter.它主要由光学系统,探测器(记录大气层中的核爆光信号),处理器(把 光信号作数字化处理并发送出去)和X射线探测仪(探测大气层外的空间核爆炸)组成. Bhangrneter在大视野内连续观测地球大气层,当闪光水平超过预置阈且显示核爆特征 (如辐照度的上升率)时,仪器被触发并记录辐照度历史.为了识别与剔除假信号,Sandia 实验室的辐射加固微电子学中心专门设计了电子逻辑单元,包括适用于GPS轨道的严酷辐 射环境的微处理器,ROM,RAM和双向线驱动器.逻辑单元接收与放大探测部件输出信 号,处理数字信号,检验闪光辐照度与上升时间,脉冲宽度及可能来自若干探测器的符合信 号.信号经处理后无线传输到地面,地面站的计算机与人工进一步完成其余工作.GPS的X 射线探测系统可对空间核爆定位与估计当量. SNL研究开发了识别大气层核爆炸的电子逻辑单元,其软件设计的依据是利用核爆炸 光辐射在时域上双峰波形的特征参数以剔除伪事件的方法,SNL在为美国陆军研制的核爆 探测系统时已采用这种方法并有较详细报道.该系统采用硅光电池作为探测器,最低探测 阂(辐照度)为8.6X10w/cm:.系统采集波形触发要求为:触发辐照度6.3X10w/cm, 且上升率应大于l_3X10W/cm2?S,此外利用核爆光辐射波形即照度第一极大值(E) 及其到达时间(f.),照度第二极大值(E:)及其到达时间(t2ma),t.与f之间 的最小照度到达时间t及最小照度值Ei等特征量值,设置了波形采集后的特征量软件 1)吕敏等.星载核爆探测系统探讨.第一届全国核爆探测学术会议论文集.1994 第l期苏镇涛等:星载核爆探测技术.65 判据共l2个,以准确地识别核爆.利用t;确定核爆威力(当量). 2.2ALEXIS卫星的望远镜系统与BLACKBEARD射频EMP探测系统 ALEXIS望远镜系统由望远镜,前端电子学线三E)与数据处理单元(DPU)组 成.望远镜共3对6个,每个望远镜采用简单的光学设计,包括具有多涂层(反射层)的球 镜和位于望远镜主焦点的光阴极,双层曲面连接的微通道板软X射线光子探测器,去除紫 外线本底的滤光片以及望远镜入射处排斥空间电子的磁铁.FEE主要含模数转换器 (ADC),它将探测器输出脉冲进行数字化和初始化处理.DPU提供望远镜的低压与高压电 源,指令解码,分配和所有星载数据处理. BLAlEAR1)射频EMP探测系统主要由2个可选单极天线位数字化仪(ADC),宽带触发电路和2个简单的光电二极管 阵列组成.由单极天线与高阻抗前置放大器组成的一个有源天线用以接收VHF电场模拟信 号,其频段由地面指令选用l6个带通滤波器中的1个而确定.BLAI==IEAR1)系统试验的 主要任务是测量电离层对射频段的雷电脉冲(LEMP)或可能的核爆电磁脉冲(NEMP)的 传播效应,部分试验任务是从地面发射校准脉冲并在卫星上记录其时域信号,以测定电离层 对其产生的频散效应. 2.3FORTE卫星的光学雷电系统与RF探测系统 FORTE卫星的光学探测系统专称为光学雷电系统(OLs),它包括雷电定位传感器(LLS) 和光电二极管探测器(PDD)两个分系统.LLs分系统是SNL研制的宽视野CCD光学成 像器,摄像率500帧/s,具有10km×10km地面分辨率,可用于雷电闪光定位,测定全球 的雷电分布.PDD分系统是快速宽波段光电二极管光脉冲波形采集器,波形采集率50k/s. 它内含了数据库,包括事件时间,触发方式(内定或从属于LLS),卫星位置(大地经纬度 和高度),传感器光脉冲的最大照度与能量,波形分类器以及数据的多项式拟合系数与拟合 优度.FORTE卫星区别于ALEXIS卫星的唯一极为重要的特征,是它具有从雷电等事件中 同时自动采集光学和射电瞬变信号的能力,有效地提供了从空间平台探测与区分云一地, 云一云雷电发射事件,从而研究发射过程,云层对闪光瞬变传播的效应和基本雷电现象学等. FORTE卫星的RF探测系统具有可在20~300MHz范围内任何频点处独立调谐的2个 狭频带V】接收器,每一通带信号经模拟滤波获得22MHz有效带宽的波形,然后以50M/s 或300M/s的采样率被模数转换器(ADC)作数字化处理. RF事件分类器(EC)实际上是一组自适应微处理器,用于在卫星轨道上复杂的人工电 磁信号干扰环境中检出LEMP,TP与NEMP,被认为是为未来核不扩散监测卫星发展新 型自动RF探测系统的一个关键技术.由于RF信号数字化取样率高达300M/s,一天内可产 生lO”个数据样本,所以在卫星上可靠地进行数据处理,信号特征提取与分类以压缩下载的 数据通信容量是必需的.FORTE事件分类器就是专门设计并用于卫星实验的先进的在轨卫 星数据处理与压缩手段.EC采用计算序列而不采用全部程序以使指令通信要求降至最低.EC 中存贮有2个软件触发算法(算法l,2),2个不同的功率谱密度估计算法(算法3,4),3 个不同的分类器算法(算法5,6,7),地面控制时只需上传发出计算序列数(例如l-4-6 与辅助参数)指令.FORTE卫星RF载荷探测系统试验的主要科学任务,是更灵敏,有选 择地在空间观测和识别电离层以下的大气层雷电等天然VHF信号,包括很弱的扩散型RF . 66.防化2000年 发射和极强的]rIPP信号.EC中DSP软件基本算法是多频带通道触发与感兴趣区(RoI) 信号提取,短时傅-#n-I-变换与功率谱密度估计,自组织神经网络的无监督分类以及BP神经 网络的有监督分类. 3几点讨论 3.1利用”搭载式卫星或小卫星探测核爆炸是发展的趋势 由于普通卫星的成本较高,研制周期较长,采用专门的核爆探测卫星是不划算的,研究 平战结合,军民结合的应用卫星系统是一种可行的方案.从美国的发展来看,也是从开始的 专门的核爆探测卫星Vela卫星,到后来的GPS卫星搭载NDS系统进行核爆探测,走了不 少弯路.我们可以直接研究”搭载式核爆探测系统,将其搭载在我国的资源卫星或计划中 的导航定位卫星系统中.这种三位一体的全球卫星核爆探测系统,平时作为国家手段用于 CTBT(《全面禁止核试验条约》)核查,战时就是国土范围内的对敌方大气层与空间核袭击 的核爆监测系统,又可用于在世界范围内实施核反击的效果侦察. 为保证费用和能力之间的最大可能的平衡,利用快速,简单,便宜的小卫星执行单一任 务(可能有次要任务)是未来发展的一种重要的可能性方案.美国今后25年的军用计划就 把天基核一生物一化学(NBC)探测系统(用激光雷达卫星分析辐射)小卫星作为一种可 能性选择.”我们也可以开展这方面的基础性研究,紧跟国外动态. 3.2研究各种现代信号处理,模式识别和人工智能算法在核爆探测中的应用 各种现代信号处理,模式识别和人工智能算法在核爆探测技术中已经应用得十分广泛. FOR11三卫星的RF事件分类器(EC)就用到了TMS32OC3ODSP芯片并集成了上述多种信 号处理程序软件.我们在地震波探测核爆炸方面已经用到了许多先进的算法,如模糊神经网 络,遗传算法用作核爆/地震分类器【ll;小波,分形分析,模式识别技术也开始用于核爆/地 震自动识别【2l,NEMP/LEMP识别,核爆光脉冲/雷电光脉冲识别等. 我国星载核爆探测系统正处于起步阶段,但我们有理论基础和地震波,次声,电磁脉冲和 光脉冲探测的实践经验,可加快开展星载核爆探测的应用性研究,缩短与发达国家的差距. 3.3与地方院校,科研单位合作,加快星载核爆探测技术的发展 地方院校,科研单位有雄厚的技术,人才资源,他们在空间探测,航天与航空遥感图像 处理,判读和信息建模等方面有丰富的经验.我们加强与他们的合作,可以缩短研究时间, 节约研究经费,加快我们的发展. 参考文献 1雷明.基于遗传算法的模糊分类器及其应用:【学位论文】.北京:防化指挥工程学院.1998年 2邹红星.地下核爆炸和天然地震自动识别研究:[学位论文】.二炮工程学院.1995年 (本文编辑:高朝廷) 1)王萍等译.未来小卫星的军事应用.总装备部国防科技信息研究所.1999 ~第l期苏镇涛等:星载核爆探测技术tituteofClaeanicalDef_衄∞,Beijing102205) AbstractInthispaper.monitorandrr~thodsinoomnlonuse,statusofdetection techniquesbasedonsatelliteformonitoringnuclearexplosionofU.S.Ahavebeendescribed, SO1TIeadvicefordevelopingourowntechniqueshavebeenproposedaswel1. KeyWordssatellitemonitoring,nuclearexplosion (上接第6l页) 17GoncalezLaFueteJM.FernandezSanchezML.反相HPLC一聚焦微波消化一氢化物发生原子检测法测定无机硒 和硒代氨基酸的化学型体.JAnalAtSpectrom,19%,1l(12):1163~1169 18BurgueraJL,CarrerlP.用微波炉在线预还原硒()至硒()流动注射一氢化物发生AAS测定硒形态. SpectmehimActaPartB,1996,51B(14):1837~1847 (本文编辑:汤晰) ApplicationofMicrowaveTechnology ●一’’’’’ inboeciationArialysis ChenJing (TheTeamofPostgraduateStudents/*The8thTeachingand ZhouLiming’ ResearchSection,InstituteofChemicalD西erI∞,Beijing102205) AbstractTheapplicationofmicrowavetechnologyinelementspeciationanalysiswassim- plysummarized.Thispapermostlydealed,viththeprincipleofmicrowavetechnology. microwaveextractionequipmentsystemanditsapplicationindementspeciationanalysissuchas tin,arsenic,mercury,selenandthemicrowaveworkinthefuturewasprospected. Keywordsmicrowaveextraction,speciationanalysis,tin,arsenic,mercury,selenium

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