?

艦載激光武器攔截?zé)o人機(jī)技術(shù)指標(biāo)分析*1

徐國亮，趙書斌，王勇

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061)

摘要：鑒于美國海軍戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)現(xiàn)狀及其對亞洲海域威脅日益嚴(yán)重，分析美德艦載激光武器研究情況，提出了艦載激光武器系統(tǒng)的組成及其主要關(guān)鍵技術(shù)。在確定激光武器相關(guān)技術(shù)參數(shù)基礎(chǔ)上，論證計(jì)算了激光武器攔截?zé)o人機(jī)在軟硬殺傷2種方式下的激光功率和作用距離，結(jié)果可為攔截?zé)o人機(jī)的艦載激光武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：激光武器系統(tǒng);無人機(jī);捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)

0引言

近年來，無人機(jī)逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)場上不可或缺的武器平臺。無人機(jī)系統(tǒng)不僅可提供持久的情報(bào)、監(jiān)視和偵察能力，還可提供精確及時的直接和間接火力，用于支援聯(lián)合作戰(zhàn)。作為重返亞太戰(zhàn)略的配套措施，美國會同日本、菲律賓、澳大利亞等國家地區(qū)秘密部署無人機(jī)偵察、窺視亞太地區(qū)，很可能會打破亞洲地區(qū)的軍事平衡。

如何有效攔截?zé)o人機(jī)或使其監(jiān)視、偵察能力失效，已成為艦艇防空領(lǐng)域新課題。艦載常規(guī)防空武器主要有艦空導(dǎo)彈和防空艦炮2種，其主要使命是防空反導(dǎo)。使用價格昂貴的艦空導(dǎo)彈攔截小型無人機(jī)，不僅效費(fèi)比低，而且有的艦空導(dǎo)彈并不具備攔截低空小型無人機(jī)目標(biāo)的能力。相對而言，防空艦炮攔截?zé)o人機(jī)的效果會更好，但西方國家有的作戰(zhàn)艦艇已經(jīng)不再裝備防空艦炮。而且這2種武器攔截目標(biāo)均采用硬殺傷方式，容易引發(fā)軍事沖突。

與傳統(tǒng)防空武器相比，激光武器可能會成為攔截?zé)o人機(jī)的較好選擇。目前，國外一些激光武器已經(jīng)通過演示試驗(yàn)顯示出攔截?zé)o人機(jī)的能力。激光武器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 單次消耗成本低，作戰(zhàn)效費(fèi)比高，尤其對付低成本小型無人機(jī)；

(2) 無需再裝填，不受彈藥數(shù)量的限制；

(3) 打擊目標(biāo)速度快，能有效對抗突現(xiàn)的目標(biāo)；

(4) 能實(shí)現(xiàn)超低空、全方位攔截；

(5) 復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)能力強(qiáng)；

(6) 用途多樣，干擾、致盲和毀傷效果可控，附帶毀傷小。

本文探討了使用艦載激光武器攔截?zé)o人機(jī)存在的技術(shù)問題，并計(jì)算了其中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

1美國海軍無人機(jī)及國外激光武器研究現(xiàn)狀

1.1美國海軍無人機(jī)現(xiàn)狀

從2000年以后，美國(海軍)投入巨資開發(fā)了多種類型的無人機(jī)系統(tǒng)，包括：廣域海洋監(jiān)視(broad area maritime surveillance,BAMS)無人機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)驗(yàn)證機(jī)(unmanned combat aircraft system-carrier demonstration,UCAS-D)、垂直起降戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)(vertical takeoff/landing tactical unmanned aircraft system,VTUAS)、小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)(small tactical unmanned aircraft system,STUAS)等。目前美海軍已經(jīng)列裝的無人機(jī)有：RQ-2B“先鋒”、RQ-15“海王星”、MQ-8B/C“火力偵察兵”等；微小型無人機(jī)有：RQ-14龍眼/雨燕”、RQ-11“探路者大烏鴉”、黃蜂等[1-3]，其部分參數(shù)如表1所示。

1.2國外艦載激光武器研發(fā)現(xiàn)狀

在激光武器的研制方面，美國與德國一直走在世界前列[4-7]。當(dāng)前發(fā)展的艦載激光武器均采用電激勵激光器，可用于或潛在應(yīng)用于艦載激光武器的3種主要高能激光器包括：光纖固態(tài)激光器、板條固態(tài)激光器和自由電子激光器，它們目前處于不同的發(fā)展階段，都擁有各自獨(dú)特的應(yīng)用潛力[7]。

美國雷聲公司應(yīng)用成熟的商用高功率光纖激光技術(shù)，利用現(xiàn)有防空平臺(密集陣武器平臺)研發(fā)了LaWS(laser weapon system)激光武器系統(tǒng)，并于2010年7月在海上環(huán)境中成功擊落了4架無人機(jī)。

德國萊茵金屬公司利用其最新開發(fā)的50 kW高能激光武器驗(yàn)證系統(tǒng)，在2012年11月完成了從目標(biāo)探測、跟蹤到摧毀的全過程作戰(zhàn)演示[8]。系統(tǒng)在1 000 m距離上燒毀15 mm鋼梁，在2 000 m距離上擊落若干架飛行速度超過50 m/s的俯沖無人機(jī)。

2艦載激光武器系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1系統(tǒng)組成

艦載激光武器系統(tǒng)主要由3個分系統(tǒng)組成：高能激光器分系統(tǒng)、光束定向器分系統(tǒng)和跟瞄火控(acquisition,tracking,pointing & fire control system,ATP/FC)分系統(tǒng)[5]，如圖1所示。

(1) 高能激光器分系統(tǒng)：產(chǎn)生高質(zhì)量高能激光束，提供毀傷能源。

(2) 光束定向器分系統(tǒng)：用于對目標(biāo)捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)的傳感器及其伺服機(jī)構(gòu)，將高能激光束經(jīng)導(dǎo)光光路、光束變換擴(kuò)展到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡并進(jìn)行調(diào)焦、對準(zhǔn)在目標(biāo)選定點(diǎn)上。采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光束穩(wěn)定/凈化并進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)校正。

表1　美海軍主要列裝的無人機(jī)

(3) 跟瞄火控 (ATP/FC) 分系統(tǒng)： 提供目標(biāo)引導(dǎo)信息，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、目標(biāo)識別、目標(biāo)威脅評估與分配、瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇、高能激光發(fā)射指令與控制。使高能激光束精確、集中、穩(wěn)定地?fù)糁心繕?biāo)上的瞄準(zhǔn)點(diǎn)，并做出毀傷效果評估等。

圖1　艦載激光武器系統(tǒng)組成及工作示意圖Fig.1　Shipboard laser weapon system components　　　and working diagram

2.2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1高精度跟瞄(捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)，ATP——acquisition,tracking,pointing)技術(shù)

跟蹤最初要有寬的視場才容易使目標(biāo)進(jìn)入跟蹤視場，但其跟蹤分辨力有限，探測精度不高。為解決視場與探測精度之間的矛盾，在實(shí)際的捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中往往有幾個不同視場的跟蹤器，進(jìn)行視場交接[9-10]，如圖2所示[5]。高精度跟瞄一般工作過程：

(1) 捕獲：用寬視場光電探測器搜索捕獲目標(biāo)，做好跟蹤準(zhǔn)備。

(2) 跟蹤：粗跟蹤采用中等視場望遠(yuǎn)鏡。在目標(biāo)捕獲信息引導(dǎo)下，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡使目標(biāo)進(jìn)入視場。利用目標(biāo)對視場中心的偏差量控制主機(jī)架繞方位和

俯仰軸運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)主孔徑視軸的閉環(huán)跟蹤控制，使目標(biāo)落在粗跟蹤視場的中心。

(3) 瞄準(zhǔn)：精跟蹤是用望遠(yuǎn)鏡主孔徑接收目標(biāo)光，具有窄視場，僅為粗跟蹤殘差的4～5倍。利用目標(biāo)偏差量控制快速反射(或傾斜)鏡，執(zhí)行精跟蹤閉環(huán)控制，使精跟蹤視軸與目標(biāo)光軸一致。

2.2.2基于復(fù)合軸結(jié)構(gòu)的高精度跟瞄體系技術(shù)

跟蹤瞄準(zhǔn)機(jī)架有很多種形式，但從旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)來看，基本可分為2類：旋轉(zhuǎn)機(jī)架和旋轉(zhuǎn)反射鏡。

(1) 旋轉(zhuǎn)機(jī)架：將望遠(yuǎn)鏡安裝在萬向支架上。采用這種結(jié)構(gòu)形式跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)，都需要轉(zhuǎn)動整個機(jī)架。由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量大，頻帶窄，響應(yīng)慢，要達(dá)到高的動態(tài)精度是非常困難的，僅應(yīng)用于中等精度的跟蹤或低速目標(biāo)的跟蹤。

(2) 旋轉(zhuǎn)反射鏡系統(tǒng)：采用望遠(yuǎn)鏡固定不動，控制反射鏡跟蹤目標(biāo)。由于反射鏡較輕，頻帶寬，響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于高精度跟蹤。但由于望遠(yuǎn)鏡不能轉(zhuǎn)動，其跟蹤視場和范圍極其有限。

為克服二者的缺點(diǎn)，激光武器跟瞄系統(tǒng)可采用旋轉(zhuǎn)機(jī)架和反射鏡相結(jié)合的復(fù)合軸體系結(jié)構(gòu)[11]。它是在主跟蹤架上安裝一個高低方位均可快速微調(diào)的反射鏡，用于控制發(fā)射和接收光軸的方向，常稱為快速傾斜鏡(fast steering mirror,FSM)。

艦載高精度跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是目標(biāo)運(yùn)動、載體及跟瞄系統(tǒng)頻譜分析，并分別進(jìn)行處理：

——主跟蹤架系統(tǒng)抑制目標(biāo)的低頻運(yùn)動，消除載體低頻運(yùn)動(如艦艇搖擺運(yùn)動等)；

——快速反射鏡系統(tǒng)抑制主跟蹤(粗跟蹤)系統(tǒng)的殘差及載體的中頻運(yùn)動；

——隔震平臺抑制載體平臺造成的高頻運(yùn)動(抖動或震動)。

圖2　激光武器系統(tǒng)多級跟蹤交接分解示意圖Fig.2　Functional decomposition of ATP & FC

2.2.3高幀頻、大目標(biāo)圖像處理技術(shù)[9]

從圖像跟蹤處理角度看，激光武器高精度跟瞄與傳統(tǒng)光電跟蹤系統(tǒng)最大的不同之處在于，必須高精度、穩(wěn)定地鎖定大目標(biāo)(可能會充滿整個傳感器視場)上選定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)。傳統(tǒng)的相關(guān)跟蹤算法無法適應(yīng)這種需求，原因在于：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，跟蹤點(diǎn)漂移無法完全抑制，而漂移并不是隨機(jī)的抖動，往往沿同一個方向，以至于短時間內(nèi)會丟失瞄準(zhǔn)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)高精度的瞄準(zhǔn)，需要深入研究基于特征點(diǎn)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)鎖定算法:

——紅外目標(biāo)硬體分析與估計(jì)；

——跟蹤點(diǎn)漂移抑制；

——目標(biāo)識別、姿態(tài)辨識與瞄準(zhǔn)點(diǎn)選擇；

——基于特征的目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)鎖定。

3艦載激光武器攔截?zé)o人機(jī)技術(shù)分析

鑒于激光武器攔截?zé)o人機(jī)的眾多優(yōu)勢，著重分析研究艦載激光武器以不同方式攔截戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)所涉及的技術(shù)指標(biāo)。指標(biāo)分析從激光武器系統(tǒng)對典型目標(biāo)毀傷能力著手，論證系統(tǒng)功率、跟瞄精度及作用距離等關(guān)系[12]。

針對精度指標(biāo)分析包括3個方面的內(nèi)容：

(2) 修正計(jì)算參數(shù)：大氣傳輸衰減效應(yīng)對激光功率P的影響，大氣湍流效應(yīng)對激光相干性能和光束質(zhì)量因子β的影響，光束控制系統(tǒng)跟瞄誤差對激光光斑半徑的影響。

(3) 作戰(zhàn)需求：目標(biāo)速度，跟瞄誤差等。

3.1系統(tǒng)指標(biāo)論證參數(shù)

根據(jù)上述需求，確定指標(biāo)分析論證參數(shù)為：

(1) 選用激光器波長：λ=1.06 μm;

(2) 激光器功率：P=50 kW左右;

(3) 設(shè)定發(fā)射孔徑：D=600 mm;

(4) 發(fā)射光束質(zhì)量：β≤ 5;

(5) 跟瞄系統(tǒng)誤差[9，12]：σ≤ 10 μrad;

(6) 單次連續(xù)出光時間：0～5 s可調(diào);

(7) 根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，大氣傳輸衰減大約為0.1 km-1，大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2=10～15 m-2/3，暫不考慮熱暈影響[13-14]，可計(jì)算得出目標(biāo)在10 km區(qū)域內(nèi)功率密度曲線，如圖3所示。

圖3　功率密度隨目標(biāo)距離的變化曲線Fig.3　Power density curve with the target distance

一般根據(jù)激光能量的強(qiáng)弱及對敵方目標(biāo)的毀傷情況力將高能激光武器殺傷分為2種：硬殺傷指的是利用強(qiáng)激光直接摧毀敵方目標(biāo)，達(dá)到永久性摧毀敵方目標(biāo)的目的；軟殺傷則是利用相對較弱的激光照射敵方目標(biāo)的制導(dǎo)或探測系統(tǒng)，致使其飽和而暫時性失效或使目標(biāo)的脫靶量(偏航量)過大至失去武器殺傷力。

高能激光器要能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)損傷，除需要足夠能量密度的同時還需要有一定的功率密度。容易看出，落在目標(biāo)上功率密度隨距離迅速下降，當(dāng)投射到目標(biāo)上的功率密度低于1 kW/cm2時，很難造成對目標(biāo)的有效硬殺傷，較為可行的選擇是采取如下“軟硬兼施”的作戰(zhàn)方式。

通常認(rèn)為硬摧毀目標(biāo)的必要條件是，在高能激光武器有效射程內(nèi)，聚焦在目標(biāo)上的功率密度需大于1 kW/cm2，在目標(biāo)上累積的能量密度超過損傷閾值(對常規(guī)目標(biāo)來說能量密度應(yīng)大于5 kJ/cm2)[15-16]。

3.2系統(tǒng)作用距離計(jì)算分析

不失一般性，假設(shè)對目標(biāo)硬殺傷能量密度門限為5 kJ/cm2，功率密度門限為1 kW/cm2；軟殺傷能量密度門限為0.5 kJ/cm2，功率密度門限為0.1 kW/cm2。根據(jù)美海軍列裝的無人機(jī)(如表1)參數(shù)，由于微小型無人機(jī)飛行速度慢、高度低，艦載激光武器可采用硬殺傷為主的作戰(zhàn)模式，而對高空高速的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)則采用軟殺傷為主的作戰(zhàn)模式。以上述假設(shè)的殺傷門限作為計(jì)算條件，類似圖3，可得到激光器不同功率情況下軟硬殺傷的有效作用距離，如表2、圖4所示。

表2　激光器功率與軟硬殺傷有效作用距離表

圖4　軟硬殺傷有效作用距離與激光器功率變化曲線Fig.4　Hard and soft kill effective distance　　　curves with laser power

3.3激光器功率指標(biāo)計(jì)算

依據(jù)軟硬殺傷能量密度門限，計(jì)算不同激光器功率對應(yīng)的能量密度與目標(biāo)速度軟硬殺傷曲線，如圖5所示，可歸納為：

(1) 對目標(biāo)高度小于3 000 m，飛行Ma數(shù)小于1.0的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，激光器功率不低于40 kW可實(shí)施軟殺傷。

(2) 對目標(biāo)高度小于500 m，飛行Ma數(shù)小于1.0的微小型無人機(jī)，激光器功率不低于50 kW可實(shí)施硬殺傷。

圖5　能量密度與目標(biāo)速度的軟硬殺傷關(guān)系曲線Fig.5　Hard and soft kill energy density　　　curves with target velocity

4結(jié)束語

隨著各國戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的快速發(fā)展，我國周邊海域及海軍艦艇將面臨日益嚴(yán)峻的威脅。本文介紹了美海軍無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及美德等國激光武器開發(fā)情況，以及艦載激光武器系統(tǒng)的主要組成和關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)激光武器攔截?zé)o人機(jī)的典型指標(biāo)參數(shù)，分析了使用激光武器對無人機(jī)軟硬殺傷的激光能量和作用距離范圍。這些研究可為未來攔截?zé)o人機(jī)的艦載激光武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]U.S. DoD. Unmanned Systems Integrated Roadmap[R].FY 2011-2036, 2011.

[2]U.S. DoD. Unmanned Systems Integrated Roadmap[R].FY 2009-2034, April 6, 2008.

[3]ALKIRE B, KALLIMANI J G.Applications for Navy Unmanned Aircraft Systems[M].National Defense Research Institute,Rand Corporation, 2010.

[4]O′Rourke R.Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense: Background and Issues for Congress[R]. Congressional Research Service(R41526)，June 27, 2013.

[5]JOHNSON L C, VANALLEN R, DIMMIER M, et al.Design & Development of an Acquisition, Tracking, Pointing & Fire Control System[C]∥ SPIE 1999, 3706: 288-295.

[6]Daniel J Mosier, et al. High Energy Laser Beam Director System and Method[P]. Unite States Patent, US 2010/0282942 A1, Nov. 11, 2010.

[7]Ching Na Ang. Analysis of High Energy Laser Weapon Employment From a Navy Ship[D]. Naval Postgraduate School, Monterey, CA. September 2012.

[8]Christopher F Foss.Rheinmetall Successfully Test High-Energy Laser[J]. IHS Jane’s International Defence Review,2013，46(8):13.

[9]馬佳光．捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的基本技術(shù)問題[J]．光學(xué)工程, 1989, 16(3):1-42.

MA Jia-guang. The Basic Technologies of the Acquisition, Tracking and Pointing Systems[J]. Opto-Electronic Engineering, 1989, 16(3):1-42.

[10]胡浩軍．運(yùn)動平臺捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)視軸穩(wěn)定技術(shù)研究[D]．長沙：國防科技大學(xué), 2005.

HU Hao-jun. Line-of-sight Stabilization of Acquisition, Tracking and Pointing System on Moving Bed[D], Changsha: National University of Defense Technology, 2005.

[11]王紅紅，陳方斌，壽少峻,等．基于FSM的高精度光電復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)研究[J]．應(yīng)用光學(xué), 2010，31(6)：909-913．

WANG Hong-hong, CHEN Fang-bin, SHOU Shao-jun,et al. High Precision Electro-Optical Tracking System Based on Fast Steering Mirror[J]. Journal of Applied Optics, 2010，31(6)：909-913．

[12]徐國亮．艦載強(qiáng)激光武器系統(tǒng)精度指標(biāo)分析[J]．火力與指揮控制, 2009，34(4):134-137,149．

XU Guo-liang. The Precision Analysis of Shipborne High-Energy Laser Weapon Systems[J]. Fire Control & Command Control, 2009，34(4):134-137,149．

[13]蘇毅，萬敏．高能激光系統(tǒng)[M]．北京：國防工業(yè)出版社, 2004.

SU Yi , WAN Min. High Energy Laser System[M].Beijing:National Defense Industry Press,2004．

[14]呂百達(dá)．強(qiáng)激光的傳輸與控制[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999.

Lü Bai-da. Propagation and Control of High-Power Lasers[M].Beijing: National Defense Industry Press,1999．

[15]黃勇，劉杰．高能激光武器的殺傷機(jī)理及主要特性分析[J]．光學(xué)與光電技術(shù)，2004，2(5)：20-23．

HUANG Yong, LIU Jie. Analysis on Kill Mechanism and Characteristics of High Energy Laser Weapon[J]. Optics and Optoelectronic Technology，2004，2(5)：20-23．

[16]關(guān)效賢，樸賢卿，孫晶，等．軟殺傷戰(zhàn)術(shù)激光武器及作用機(jī)理的研究[J]．紅外與激光工程，2004，33(2)：118-120,132．

GUAN Xiao-xian, PIAO Xian-Qing, SUN Jing,et al.Research on Soft-Killing Tactical Laser Weapon and Its Mechanism[J]. Infrared and Laser Engineering，2004，33(2)：118-120,132．

Technology Analysis of Shipborne High-Energy Laser Weapon Systems Intercepting UAVs

XU Guo-liang，ZHAO Shu-bin, WANG Yong

(Jiangsu Automation Research Institute,Jiangsu Lianyungang 222061, China)

Abstract:In view of current situation of the U.S. navy tactical UAVs and its impact on growing threat of the surrounding seas of China, the U.S. and Germany’s shipborne high-energy laser weapons are analyzed and the system components and key technologies of shipborne high-energy laser weapon systems are proposed. Based on determining the relevant technical parameters of laser weapon, laser power and the effective range of the laser weapon to intercept UAVs in hard and soft killing ways are calculated. The results can provide technical support for system design and use.

Key words:laser weapon system; unmanned aerial vehicles (UAVs); acquisition tracking and pointing (ATP)

中圖分類號：TJ95；E925；V279

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0012-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.003

通信地址：222061江蘇連云港市102信箱4分箱E-mail：xugl716@163.com

作者簡介：徐國亮(1971-)，男，江西豐城人。研究員，碩士，研究方向?yàn)榕炤d武器系統(tǒng)、火控系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：“十二五”國防預(yù)研基金課題

*收稿日期：2014-04-23；修回日期：2014-09-02