郭三學，劉小華，蔣賢沛，朱　挺

（武警工程大學，西安　710086）

非致命激光武器綜合效能評估*

郭三學，劉小華，蔣賢沛，朱挺

（武警工程大學，西安710086）

非致命激光武器是采用低能激光使目標暫時喪失戰(zhàn)斗力的一種戰(zhàn)術(shù)武器，通過對影響非致命激光武器綜合效能關(guān)鍵因素的分析，建立了非致命激光武器的綜合效能評價核心指標體系，提出了非致命激光武器綜合效能的評估方法，采用最優(yōu)傳遞矩陣改進層次分析方法確定各指標的相對權(quán)重，運用灰色層次分析法對非致命激光武器的綜合效能進行了評估，為非致命激光武器的研發(fā)和實際應用提供了理論支持。

非致命激光武器，灰色層次，效能評估

0　引言

非致命激光武器，是指發(fā)射的能量平均功率低于20 kW或每個脈沖的能量小于30 kJ［1］的一種新概念武器，主要用于射擊單個目標，使人眼瞬間致盲從而喪失戰(zhàn)斗力。人眼結(jié)構(gòu)類似一個光學系統(tǒng)，波長在400 nm～900 nm范圍的激光束透過角膜之后，經(jīng)過角膜及晶狀體的聚焦，落在視網(wǎng)膜上，其光功率密度比角膜入射處放大105倍，極短時間內(nèi)能量在極小面積上集中釋放，即使低劑量的照射也可造成暫時性失明或嚴重損傷［2］。

激光對視網(wǎng)膜的損傷效應一般分為輕度、中度、重度3個損傷等級［3］。作為非致命激光武器，對人眼損傷的標準應不超過中度損傷的閾值。

當前國內(nèi)外非致命激光武器種類繁多，形式各異，有步槍型、手槍型、手電筒型等等，各種各樣可使犯罪分子眩目、迷?；蚴闺娮庸鈱W失效的激光器不斷涌現(xiàn)，這些激光器可裝載在艦艇、戰(zhàn)車甚至飛機上以達到對目標暫時致盲、眩暈、告警、阻止、驅(qū)離等。但是非致命激光應用中還存在許多安全問題，作用能量控制不當或作用距離太近，有可能使目標永久性失明，另外非致命效能沒有統(tǒng)一的評判標準。故對其綜合效能評估顯得極為重要，不僅能滿足裝備研發(fā)的需要，更為重要的是，能為非致命激光武器在反恐、處置群體性事件和執(zhí)勤中廣泛應用提供理論支持。

1　非致命激光武器綜合效能指標體系的建立

非致命激光武器的評估是復雜的多指標問題，指標體系的建立要符合目的性、科學性、定性與定量分析相結(jié)合以及可操作性原則。作為非致命性武器，其非致命性能是最基本、最核心的設(shè)計要求，而技術(shù)性能又是實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，同時在實際應用過程中，可靠性、經(jīng)濟性要好，攜帶方便。根據(jù)定性指標與定量指標相結(jié)合，按照用最少的指標反映最主要、最全面的信息的原則，以技術(shù)性、非致命性和應用性作為非致命激光武器效能評估的準則層，以能量自適應、跟蹤瞄準等作為指標層建立非致命激光武器綜合效能評估指標體系，如圖1所示。

圖1　非致命激光武器綜合效能評估指標體系

1.1技術(shù)性

技術(shù)性體現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上實現(xiàn)非致命激光武器的可行性，非致命激光武器的技術(shù)性主要與能量自適應性、跟蹤瞄準性和頻率可調(diào)性有關(guān)。

1.1.1能量自適應性

激光能量超過了人眼視網(wǎng)膜的損傷閾值就會造成不可恢復的失明。比如角膜的淺層渾濁、凝固壞死，瞳孔變形，晶狀體前表面渾濁，視網(wǎng)膜出現(xiàn)凝固水腫斑、出血斑等。能量自適應的核心在于自動感知目標的距離，然后自動控制輸出能量，既能實現(xiàn)人眼的暫時失明，使敵人失去戰(zhàn)斗力，又不會對其眼睛造成永久性傷害［4］。激光測距機和自動調(diào)焦系統(tǒng)的運用，能夠自動測量目標距離，從而控制激光輸出的能量，使能量自適應性在技術(shù)上實現(xiàn)成為可能。

1.1.2瞄準性

對激光的擴束準直技術(shù)，可以有效減小激光發(fā)散角，增強激光的方向性，在無需安裝瞄準鏡的情況下，也能對單個目標進行精確瞄準。加裝激光瞄準鏡后，瞄準精度進一步提高。瞄準精度越高，技術(shù)性能越好。

1.1.3頻率可調(diào)性

光的倍頻是一種最常用的擴展波段的非線性光學方法，通過倍頻晶體的非線性作用，可以得到許多波段的激光。Nd：YAG是典型的倍頻激光器，將波長為1.064μm通過晶體倍頻產(chǎn)生0.532μm激光。提高變頻技術(shù)的效率不僅可以降低能量消耗，而且提高非致命激光武器的反防護能力，波長可調(diào)范圍越寬，技術(shù)性能越好。

1.2非致命性

激光對視網(wǎng)膜的損傷程度受諸多因素的影響，主要由激光波長、能量密度和作用時間決定。

1.2.1作用波長

激光對視網(wǎng)膜的損傷程度主要由波長決定［3］，其原因是在于視網(wǎng)膜對光能量的吸收率和眼睛光學系統(tǒng)的透過率都與波長有關(guān)。視網(wǎng)膜對激光的有效吸收率愈大，視網(wǎng)膜損傷愈嚴重。人眼光學系統(tǒng)對0.53μm藍綠激光的透過率達到88%左右，其對人眼視網(wǎng)膜的傷害程度最大，但是控制發(fā)射能量，也不會造成人眼的不可恢復性傷害。

1.2.2激光能量

同一波長相同脈寬的激光隨能量密度的增加對視網(wǎng)膜損傷加重，不同波長的激光對視網(wǎng)膜損傷閾值差別很大，通常波長越短，能量越高，對眼損傷越大，閾值就越低。各類激光器產(chǎn)品損傷閾值不盡相同，脈沖式激光視網(wǎng)膜損傷閾值在5×10-7～5×10-3范圍之間，連續(xù)型激光視網(wǎng)膜損傷閾值在0.5mw/cm2以下［5］。

1.2.3作用時間

激光輸出方式分為連續(xù)輸出和脈沖輸出，輸出持續(xù)時間大于0.25 s為連續(xù)輸出，輸出時間小于0.25 s為脈沖輸出［6］。連續(xù)激光輻射時間越長，對眼的損傷越嚴重，一般來講，照射時間有一個臨界點，也稱“熱平衡點”（大約100ms～400ms）。如果大于臨界點，損傷閾值趨于常數(shù)。對于脈沖式輸出，激光對視網(wǎng)膜照射的安全時間在1 ns～18μs之間。

1.3應用性

1.3.1可靠性

非致命激光武器主要由激光控制系統(tǒng)、激光泵浦系統(tǒng)、激光光學系統(tǒng)、按鍵操作系統(tǒng)、瞄準跟蹤系統(tǒng)等幾部分組成。影響非致命激光武器可靠性主要因素是激光器的冷卻、電池供電時間、透鏡材料。目前，半導體制冷技術(shù)的應用、彈夾式電池供電方式以及透鏡材料選擇光學玻璃很大程度上提高了非致命激光武器的可靠性。

1.3.2經(jīng)濟性

近年來，激光技術(shù)發(fā)展迅速，生產(chǎn)成本不斷降低。非致命激光武器采用鋰電池供電，可重復使用；光學玻璃批量生產(chǎn)、外殼材料的改進、激光器成本的降低等使非致命激光武器生產(chǎn)費降低，為非致命激光武器的廣泛應用提供了可能。

1.3.3便攜性

高強度輕型材料作為殼體、半導體制冷技術(shù)的應用以及輕型鋰電池的供電方式，使得非致命激光武器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，不僅攜帶方便而且便于手握。目前市場上手槍式、手電筒式的非致命激光器，基本上都達到了便攜性要求。

2　非致命激光武器綜合效能評估

2.1計算各層次指標權(quán)重

層次分析法采用1～9及其倒數(shù)標度法構(gòu)造判斷矩陣，傳統(tǒng)層次分析法避免不了一致性檢驗，采用最優(yōu)傳遞矩陣改進層次分析法，不僅能滿足一致性要求，而且減小構(gòu)造判斷矩陣的盲目性和主觀性。確定指標權(quán)重具體步驟參考文獻［10］。

表1　Ui-U判斷矩陣及權(quán)重

表2　u1i-U1判斷矩陣及權(quán)重

表3　u2i-U2判斷矩陣及權(quán)重

2.2計算評估指標值矩陣

為了對非致命激光武器的綜合效能進行客觀評價，將評價指標uij分為定量與定性兩大類，u11、u12、u13、u21、u22、u23為定量指標，可直接根據(jù)指標的數(shù)據(jù)進行打分。u31、u32、u33為定性指標，通過制定相應的評分等級標準打分。

為方便給指標評分和評估，引入評判機制，設(shè)評判等級C=［c1，c2，c3，c4］=｛優(yōu)，良，中，差｝，設(shè)定C的量化分值C=［9.5，8.5，7.5，6.5］，其中［10，9］為“優(yōu)”，［8，9］為“良”，［7，8］為“中”，［0，7］為“差”。

對于定量指標評分，引入計算方便的梯形模糊數(shù)，隸屬度空間為4個，以偏大型為例，如圖2所示，其隸屬函數(shù)式為式（1）～式（3），定量指標隸屬度見表5。

表4　u3i-U3判斷矩陣及權(quán)重

圖2　越大越好型隸屬度函數(shù)

表5　定量指標隸屬度

設(shè)定量指標 u11、u12、u13、u21、u22、u23對應的模糊向量為gi，定量指標的得分為hi。

通過計算 u11、u12、u13、u21、u22、u23分別為 9、8.1、8、9.1、8.2、8.3。

對于定性指標，請5位裝備方面的專家進行打分，綜合定量指標分值，得到準則層評估樣本矩陣D1、D2和D3如下。

2.3確定評估灰類

評估灰類是一個可供比較的類別，具有模糊性和不確定性，為了描述灰類，需要確定其等級、灰數(shù)和其白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)確定的4個評判等級，其相應的灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)fe（dijk）（e=1，2，3，4），如圖3所示。

圖3　4類白化權(quán)函數(shù)

2.4確定評估權(quán)矩陣

對于評價指標uij，根據(jù)Di和fe（dijk），確定屬于第e個灰類的灰色評價系數(shù)nije，各評價灰類的總灰色評價系數(shù)為nij，屬于第e個評價灰類的灰色評價權(quán)記為rije，計算公式如式（9）～式（11）：

將指標uij的各灰色評估權(quán)組成灰色評估權(quán)向量為：

綜合Ui所屬指標uij的各灰色評估權(quán)向量rij，組成灰色權(quán)矩陣Ri（i=1，2，3）

由式（5）～式（9），通過計算，非致命激光武器準則層的權(quán)矩陣R1、R2、R3為：

2.5灰色綜合評價

結(jié)合權(quán)重，可以求得準則層指標分效能值為：

綜合效能評估值為：

通過計算，技術(shù)性的效能值：

同理可得非致命激光武器的非致命性和應用性效能分別為：E2=8.463；E3=8.206。根據(jù)式（11）可計算非致命激光武器非致命效能評估值為：E=0.186× 8.578+0.687×8.463+0.127×8.206=8.452。

非致命激光武器綜合效能值為8.452，效能屬于“良”類，非致命激光武器因其技術(shù)較為成熟，經(jīng)濟性好、攜帶方便，是當前反恐、處置群體性事件和執(zhí)勤中最具潛力的非致命武器。目前非致命激光武器對有生目標作用機理還具有很大的挖掘空間，對不同體質(zhì)的人，在不同環(huán)境下，能量控制還有待深入研究，評價結(jié)果較為客觀。

3　結(jié)論

①系統(tǒng)考慮非致命激光武器技術(shù)性、非致命性以及實用性，建立了以非致命為核心的綜合指標體系，各個指標具有一定的代表性，比較客觀地反映了非致命激光武器綜合性能。

②運用灰色層次分析法，將專家的定性分析轉(zhuǎn)化為定量評估，較好地解決了指標量化問題，評估結(jié)果較為客觀。

③證明了該方法可行性和實用性，不僅為非致命激光武器的研發(fā)、大范圍的應用提供了理論支持，而且為其他非致命武器的效能評估提供了借鑒。

［1］楊曉段，蘇小華.發(fā)展中的激光武器技術(shù)［J］.物理通報，2000，19（1）：46-47.

［2］韓俊峰.非致命激光武器大氣技術(shù)傳輸技術(shù)研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

［3］高衛(wèi).激光對人眼干擾損傷效果評估準則初探［J］.激光雜志，2007，28（2）：78-79.

［4］王紅玲.自適應激光眩目干擾系統(tǒng)［J］.四川兵工學報，2000，30（1）：34-37.

［5］黃梅.不同波長激光視網(wǎng)膜損傷比較及對細胞粘附分-1等的影晌［D］.重慶：第三軍醫(yī)大學，2002.

［6］李強，何炳陽.激光對人眼的損傷分析［C］//全國第十四屆紅外加熱暨紅外醫(yī)學發(fā)展研討會論文及論文摘要集，武漢：2013.

［7］馬亞龍，邵秋峰，孫明，等.評估理論和方法及其軍事應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［8］軒永波，黃長強，王勇.基于灰色層次分析法的空間武器作戰(zhàn)效能評估［J］.空軍工程大學學報，2011，12（2）：32-37.

［9］高鹍，邢國平，孫德翔.基于灰色層次分析法的裝備維修保障能力評價［J］.飛機設(shè)計，2012，32（2）：72-76.

［10］郭三學，魏緒旺.基于F-AHP法的非致命橡皮碰擊動能彈綜合效能評估［J］.軍械工程學院學報，2015，27（1）：1-5.

Research on Com prenhensive Effectiveness Evaluation of Non-lethal Laser Energy

GUOSan-xue，LIUXiao-hua，JIANGXian-pei，ZHU Ting
（Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

Non-lethal laser weapons is a kind of tactical weapon which uses low energy laser to make the target temporarily lost，throughanalyzing of the factors affecting the comprehensive effectiveness of non-lethal laser weapon，the core index evaluation system on the efficiency of nonlethal laser weapons is set up and the evaluation method of non-lethal laser weapons is put forward in this paper.The relative weight of each index is determined by the improved AHP using the optimized matrix transfer and the comprehensive effectiveness of non-lethal laser weapon is evaluated based on grey AHP，which provides the oretical support for the development and application of non-lethal laser energy.

non-lethal laserweapon，grey AHP，efficiency evaluation

E920.8；TJ95

A

1002-0640（2016）08-0093-04

2015-05-25

2015-07-16

國家社科基金軍事學項目（13GBJ003-242）

郭三學（1962-），男，陜西富平人，博士，教授。研究方向：非致命武器技術(shù)。