■文/ 公安部第一研究所 范殿梁 孫非 尤會(huì)龍

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 朱宇東 郭紹禹

關(guān)鍵字：“低慢小” 目標(biāo) 激光毀傷 空間合成

1 引言

近幾年，隨著軍民融合戰(zhàn)略的不斷深化，作為當(dāng)前新概念武器中理論成熟、發(fā)展迅速和具有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的裝備，激光器開(kāi)始應(yīng)用于民用行業(yè)，例如用于激光清障、“低慢小”目標(biāo)防御等。目前，國(guó)內(nèi)已有多家單位研制出針對(duì)“低慢小”目標(biāo)的激光毀傷反制裝備，并取得了一定的效果。

作為一種新式裝備，激光器具有攻防兼?zhèn)?、高效費(fèi)比、快速靈活、打擊精確和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在“低慢小”目標(biāo)反制方面得到了有效地應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)地日趨成熟，體積和質(zhì)量均較大的化學(xué)激光器逐漸被體積與質(zhì)量更易控制的固體激光器所取代。目前，國(guó)內(nèi)研制的基于“低慢小”目標(biāo)激光毀傷的裝備，在固體激光器應(yīng)用層面上主要存在兩種技術(shù)體制：

（1）單路大功率激光輸出技術(shù)體制。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光器單路輸出功率不斷增大，目前萬(wàn)瓦級(jí)固體激光器已非罕見(jiàn)。此外，頻率合成、時(shí)間合成也屬于單路大功率激光輸出技術(shù)體制。

（2）激光空間功率合成技術(shù)體制。以目前技術(shù)成熟度較高的激光器作為基本源，采用功率合成技術(shù)，使合成后的激光輸出功率滿足預(yù)期的使用要求。

兩種技術(shù)體制是相輔相成的，并不存在根本性的沖突，單路大功率激光輸出技術(shù)是強(qiáng)激光裝備技術(shù)發(fā)展必須的歷程，光束合成是研制高功率、高光束質(zhì)量固體激光器的必由途徑，更傾向于技術(shù)層面。而激光空間功率合成技術(shù)更傾向于實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用化層面，可以在單路大功率激光輸出的基礎(chǔ)上獲得更高的作戰(zhàn)效能。目前，在“低慢小”目標(biāo)激光毀傷方面，激光空間功率合成技術(shù)體制技術(shù)比較成熟，更為容易實(shí)現(xiàn)，且穩(wěn)定性和可靠性更高。

2 理論分析

以國(guó)內(nèi)目前的技術(shù)水平，在激光器設(shè)備應(yīng)用方面，空間功率合成技術(shù)體制比單路大功率技術(shù)體制有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.1 光束質(zhì)量對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦的影響

光束質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為M2因子，其定義為：

式中ω和ω0分別為實(shí)際被測(cè)光束和基模高斯光束的束腰寬度（束寬按二階矩定義），θ和θ0分別為實(shí)際被測(cè)光束和基模高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。而激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑面積為：

因此，激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑功率密度與光斑面積成反比，則與光束質(zhì)量因子的平方成反比。

例如，目前國(guó)內(nèi)較高水平1萬(wàn)瓦固體激光器的光束質(zhì)量M2因子約為2.5以下，而技術(shù)成熟的1千瓦光纖激光器的光束質(zhì)量M2因子約為1.4以下，采用同樣的光學(xué)系統(tǒng)，則1萬(wàn)瓦固體激光器在遠(yuǎn)場(chǎng)光斑面積約為1千瓦光纖激光器的3～5倍。由于激光武器的打擊效能主要與激光光斑功率密度有關(guān)，因此，相同功率下，采用功率空間合成技術(shù)體制能夠獲取更高的打擊效能。

2.2 工作時(shí)間

目前國(guó)內(nèi)存在的用于毀傷“低慢小”目標(biāo)的激光器采用單路大功率激光輸出體制和激光空間功率合成技術(shù)體制。其中，單路大功率激光器輸出功率較大，但其電光轉(zhuǎn)換效率較低，對(duì)熱管理的要求較高；目前激光器多用蓄冷式的冷卻方式，激光器連續(xù)工作一段時(shí)間較短，不利于進(jìn)行多批次目標(biāo)的毀傷；而激光空間功率合成技術(shù)體制則使用千瓦級(jí)激光器，此類激光器對(duì)熱管理的要求相對(duì)較低，市場(chǎng)上能夠滿足其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的冷卻器已很常見(jiàn)，這使得激光器能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，應(yīng)對(duì)多目標(biāo)的能力較強(qiáng)。

目前，國(guó)內(nèi)較高水平的萬(wàn)瓦級(jí)固體激光器連續(xù)工作時(shí)間通常為30s，最長(zhǎng)不超過(guò)60s；然而，其工作時(shí)間間隔卻長(zhǎng)達(dá)5min以上，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)多批次“低慢小”目標(biāo)的毀傷。而采用的千瓦級(jí)光纖激光器空間功率合成技術(shù)體制，激光器滿功率出光能夠長(zhǎng)達(dá)30min，能夠滿足對(duì)多批次目標(biāo)的連續(xù)打擊作戰(zhàn)要求。

3 仿真對(duì)比分析

圖1 1km處聚焦光斑

圖2 3km處聚焦光斑

圖3 10km處聚焦光斑

分別對(duì)1臺(tái)10kW瓦固體激光器（光束質(zhì)量為2.5，記為1*10kW）和7臺(tái)1.5kW光纖激光器（光束質(zhì)量為1.8，記為7*1.5kW）功率合成兩種情況進(jìn)行仿真，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)均采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射口徑均為450mm。圖1、圖2和圖3分別顯示了兩種體制的激光器在1km、3km和10km距離下聚焦光斑尺寸的仿真結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，激光器體制不變時(shí)，隨著距離的不斷增加，聚焦光斑的尺寸逐漸變大；同一距離下，1臺(tái)10kW固體激光器聚焦光斑的尺寸明顯大于7臺(tái)1.5kW光纖激光器。

仿真結(jié)果與理論分析是一致的，7臺(tái)1.5kW光纖激光器（激光空間功率合成技術(shù)體制）通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，在遠(yuǎn)場(chǎng)形成空間功率合成的光斑遠(yuǎn)小于10kW固體激光器（單路大功率激光輸出技術(shù)體制）；然而，激光器總功率相當(dāng)，光斑尺寸越小，能量密度越大，其作戰(zhàn)能力亦越強(qiáng)。因此，對(duì)于萬(wàn)瓦級(jí)的固體激光器，采用激光空間功率合成技術(shù)體制對(duì)“低慢小”目標(biāo)的毀傷能力要優(yōu)于單路大功率激光輸出技術(shù)體制。

4 試驗(yàn)分析

圖4中a)為采用2路10kW固體激光器作為發(fā)射源對(duì)780m處的無(wú)人機(jī)蒙皮進(jìn)行的靜態(tài)打擊試驗(yàn)：激光打開(kāi)后，3s內(nèi)無(wú)人機(jī)蒙皮起火，光斑直徑約為18mm。

圖4中b)顯示了發(fā)射功率100W的激光器對(duì)70m外的無(wú)人機(jī)蒙皮進(jìn)行的照射試驗(yàn)：激光打開(kāi)后，1s內(nèi)無(wú)人機(jī)蒙皮起火，20s內(nèi)，無(wú)人機(jī)蒙皮被擊穿，穿孔直徑約為5mm。

圖4 激光打擊試驗(yàn)

圖5 基于空間功率合成技術(shù)體制的激光毀傷系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)研制的“低慢小”攔截系統(tǒng)，基于激光空間功率合成技術(shù)體制，采用兩路1.5kW光纖激光器進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)合成（如圖5所示），能夠于10s內(nèi)對(duì)800m處的無(wú)人飛行器進(jìn)行摧毀，最遠(yuǎn)有效距離可達(dá)1km，典型的無(wú)人飛行器為：大疆精靈系列、小米、零度等品牌無(wú)人機(jī)，比較而言，基于單路大功率激光輸出技術(shù)體制研制的萬(wàn)瓦級(jí)激光打擊裝置，對(duì)相同目標(biāo)最大毀傷距離為600m，毀傷時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近30s，其毀傷效果明顯低于前者。因此，目前已存在的“低慢小”目標(biāo)激光毀傷裝置，采用空間功率合成技術(shù)體制能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的打擊距離、更好的打擊效果。

5 結(jié)語(yǔ)

空間功率合成技術(shù)體制下，所采用的激光源的光束質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單臺(tái)大功率激光器，其遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦能力優(yōu)勢(shì)十分明顯，能夠達(dá)到更為理想的作戰(zhàn)效果；此外，對(duì)多批次目標(biāo)的連續(xù)打擊能力更高，可靠性更強(qiáng)，制造成本更低。因此，并根據(jù)目前國(guó)內(nèi)激光器的技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀，采用多臺(tái)空間功率合成技術(shù)體制是實(shí)現(xiàn)“低慢小”目標(biāo)激光毀傷的合理選擇。