激光技术在海军装备中的应用与发展＊

2012-01-14王大海徐大伟

舰船电子工程 2012年12期

王大海徐大伟

（1.海军驻大连地区军事代表室大连 116021）（2.海军驻锦州地区军事代表室锦州 121000）

1 引言

激光的特点主要包括：定向发光、亮度极高、相干性好。1）定向发光。激光器发射的激光，是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。2）亮度极高。例如，红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。3）相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。目前，激光技术在海军装备中得到了广泛的应用与发展，本文就激光技术的应用、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨［1］。

2 激光技术的应用

激光技术在海军装备中的应用，主要包括：激光对潜通信、激光探潜／探水雷、激光测深、激光水下传感装置、激光隐身、激光告警、激光干扰、激光反导等［2］。

1）激光对潜通信。激光的工作波段是海洋中光传播的窗口，采用激光通信，就可能与全球海洋中活动的潜艇建立起通信通道。这样，通信时，潜艇完全可以不用浮出水面而在巡航深度或更深的海水中用自身壳体上的接收器抄收报文，丝毫不影响潜艇的活动，也不会暴露目标。另外，利用激光通信还具有高数据传输率、优良的保密性、抗干扰性和双工通信的能力。

2）激光探潜／探水雷。随着潜艇的航速增加、“寂静”潜艇的出现、消磁技术及无磁性艇壳材料的采用、各种声对抗武器的装备，使潜艇的隐蔽性与机动能力进一步增强。另外，冷战结束后，随着海军的战略任务从深海对抗转变为在有潜在敌意的沿海水域保持军事部署，水雷战和反水雷战就愈发重要起来。为对付潜艇的日益严重的威胁以及解决水雷探测难题，各国海军更加重视研究新的水下目标探测手段。例如，美国海军陆战队的 ML（A）型激光探测系统可装在战斗机、直升机以及无人驾驶飞机上，探测潜艇和水雷达等目标；俄罗斯在图95“熊Ⅳ”型轰炸机的头部安装了激光潜艇探测系统，以搜索沿海潜艇、小型潜艇和水雷等。

3）激光测深。以飞机为平台的机载激光测深系统不仅可用于测深，绘制海底地貌图，还可应用于新的海洋学研究，如：内波探测、海洋生物变化、污染监视，也可用于海军陆战队对作战岛礁周围海域地理环境态势测绘。

4）激光水下传感装置。传感器是水下目标，如潜艇、水下机器人的耳目，要及时发现、准确识别水下威胁目标就必须装备先进的传感装置。利用激光水下传感装置，可获得比其它水下传感器更高的识别精度和定位能力。例如，在潜艇上装备激光水下传感装置，可使潜艇像使用雷达一样，利用高能蓝绿激光，穿透深层幽暗的海水，寻找和发现目标，并可对目标进行跟踪和制导鱼雷攻击。

5）激光隐身。为了提高舰艇的生存能力，就必须要降低舰艇的被探测、发现和摧毁的概率。而激光隐身就是要降低目标的激光反射截面，与此有关的是目标的反射系数，相对于激光束横截面区的有效目标区。其隐身的关键技术主要包括：

·采用外形技术以消除可产生角反射器效应的外形组合；

·通过吸收材料吸收照射在目标上的激光；

·采用光致变色材料，使入射激光穿透或反射后变成为另一波长的激光；

·改变反射激光回波的偏振度，从而达到减少目标反射回波的目的；

·利用激光的散斑效应，来达到舰艇隐身的目的。

6）激光告警。激光告警就是探测敌方入侵激光，实时向指挥中心报警，提供入侵激光有关数据，包括光源方位、波长、能量、脉冲频率等参数，为实施激光对抗提供保证。例如，美国AIL系统公司研制的HALWR测量激光威胁源的精度接近Lmrad（0.06°），可以支撑火炮或激光武器组成的半自动火力来对抗威胁目标。美国研制的AN／AVR－2相干型告警器，现已广泛装备美军的水面舰艇和直升机。俄罗斯研制的舰载Spektr－F激光告警系统，这种告警系统方位覆盖360°，俯仰为－15°～＋75°，该系统能对付严重的背景干扰，单脉冲截获概率为95%，最大探测距离达20～25km。该系统可对舰艇任一边的4个威胁源同时进行告警，每一威胁源的方位和俯仰分辨精度为±5°。

7）激光干扰。用激光束干扰或损伤瞄准镜、微光夜视仪、红外成像仪、激光测距机和激光目标指示器等，甚至可直接破坏激光制导和电视、红外制导反舰导弹的导引头。

8）激光反导。发射高能激光束可以攻击／拦击目标，并能迅速变换射击对象，灵活地对付多个目标。

3 发展动向

1）泰利斯公司推出可快速部署光纤激光水听器。法国《航宇防务》2012年2月1日报道：泰利斯澳大利亚公司在悉尼主办的2012太平洋国际海事博览会上推出了一种用于水下监听的新型光纤激光传感器（FLS）［3］。

这种光纤激光传感器是新一代水下监听阵列，具有重量轻、外形细长、效费比高的特点，可由硬式橡皮艇投放，快速部署到海床上，迅速获得水下监听能力。这项技术可用于边境保护、海港防御、部队防护、海底地震监测等领域。

光电水听器可将水下的声音信号转化为光信号。这种光纤激光传感器安装在水听器的光纤玻璃中，当水听器接收到船只或潜艇发出的水下噪声时，传感器形状会发生改变，声音信号由此转化为光信号并通过光纤进行传输，处理器对光信号进行还原并将信息提供给操作人员。处理器会根据众多水下传感器捕获的信号判断出水下噪声源的方位、类型等信息，例如螺旋桨的数量、桨叶的数目、目标航向等。由于光信号具有传输损耗低的特点，这种光纤激光传感器可绵延数公里之长。

2）诺斯罗普·格鲁门公司展示针对反舰巡航导弹的军用固态激光器。诺斯罗普·格鲁曼公司网站2012年5月2日报道：诺斯罗普·格鲁曼公司近日展示了其首个下一代高能固态FIRESTRIKE激光器产品，以满足尺寸和重量以及坚固耐用的需求。测试表明，这种激光可以使反舰巡航靶弹的外壳和关键部件燃烧［4］。

该激光称为伽玛（Gamma），使用“板”式架构，类似诺斯罗普·格鲁门公司以前的高功率激光器。其功率为13.3×104kW，连续发射时间超过1.5h，性能稳定，光束质量超过了设计目标，完成了初步试验。

伽马的性能相当于或超过了以往板式激光器，但真正的进步是在军用平台应用中的包装和固化。这里的“板式激光器”指具有增益介质，或有原子光源的高功率固态激光器，板的大小约为一个显微镜载片。

伽玛的设计目标之一是减少FIRESTRIKE激光器的体积和重量。成品激光器的重量减少到227kg（500磅），体积收缩到0.58m×1m×0.3m，大小约为两个微波炉。

伽马激光器减少了内部光学元件的数量，同时，新的安装技术消除了振动敏感性。伽玛激光器的关键部件已经过了振动、冲击和热测试，达到了设计目标。

伽玛可与其他构件结合，形成更大功率的激光系统，如诺斯罗普·格鲁门公司的105kW联合高功率固体激光器。这种特点意味着它们可以保持良好的光束质量，或将能量集中在远距离上。“伽玛激光器测试的光束质量指标为1.4，超过了1.5的设计目标。诺斯罗普·格鲁曼公司还在继续努力改进，因为完美的光束质量为1。由于光束质量好，13.3kW伽玛激光器的亮度也高于设计目标，这意味着它可以远距离集中更多的能量。

杀伤力测试用了一个短距离伽玛链，以此来模拟一艘海军舰艇上几个链的激光武器能量能达到几英里，结果证实激光产生的能量达到了预期目标。反舰巡航靶弹的测试组件包括BQM－74靶弹的外壳和其他代表关键内部元件的部件。

诺斯罗普·格鲁门公司2008年宣称，以FIRESTRIKE激光器为骨干的近距激光武器系统结合了先进的光电和／或红外传感器，可用于主动防御，进攻性精确打击和增强态势感知能力等军事用途。

3）加拿大海军应用新技术来对付激光的威胁。美国《今日海军》网2012年5月31日报道：Cassidian作为EADS的国防和安全事业部，正在开发创新的解决方案，以保护加拿大海军舰艇对付基于激光的不对称威胁。被命名为“激光光学对抗和威胁环境下的警戒”（LOCATES）系统，是加拿大国防研究与发展部（DRDC）以2011年在 Québec（魁北克）授予Cassidian一份合同基础上，应用新技术，检测和对付激光威胁（如港口和沿海水域的激光制导导弹）的系统［5］。

现在，该系统已经取得了关键设计评审，下一步将进行硬件开发和演示系统的整合，计划在2012年7月至2013年下半年进行实地测试。

该计划目的是对付广泛分布且易于操作的激光测距仪，激光指示器和激光制导武器的威胁，目前的海军舰艇对付特别是在沿海环境的攻击，检测难度很大，因此没有足够的预警时间。

因此，LOCATES系统的目的是开发一种将可靠的激光对抗系统与探测和跟踪能力相结合的系统。Cassidian和加拿大国防研究与发展部之间的密切合作，该计划将充分利用这两个部门在研发基于激光的自卫系统的经验。

Cassidian加拿大分部的销售主管雅克·西蒙“说，“随着全球范围的海军面临的威胁不断演变的情况下，加拿大海军需要尖端技术来探测和防御不对称威胁的船只。因此，Cassidian将继续保持与加拿大国防研究与发展部的长期合作，并利用我们的技术优势和专业知识，开发未来的激光探测及创新方案。我们两家合作开发的技术将不仅满足加拿大海军的濒海要求，而且适应于世界各地的盟国海军。”Cassidian开发的激光报警装置已在多个北约国家的船舶，飞机和陆地车辆上应用，其MILDS导弹发射探测系统售出8000多台，它是全球范围内宽幅飞机和直升机标准的导弹预警配置。

4）海军用于水面、空中和导弹防御的舰载激光器。法国《航宇防务》网站2012年7月5日报道：目前，美国国防部（DoD）持续几十年的军用高能激光器的研发工作已经取得一定成果，所研制的激光器可应对1km范围内的某些水面和空中目标，并能在未来几年部署海军水舰艇。之后几年，将有更强大的舰载激光器供水面舰艇使用，其作用范围可达10km。这种更强大的激光器除了其他优势之外，可为海军水面舰艇提供终端防御能力，抵抗某些弹道导弹，包括中国的新型反舰弹道导弹（ASBM）［6］。

海军和国防部已经完成了三种基本类型的用于海军水面舰艇的枣纤维固态激光器（SSL）、板纤维固态激光器和自由电子激光器（FEL）。海军开发的纤维固态激光器演示样机是激光武器系统（LaWS）；另一个纤维固态激光器是战术激光系统（TLS）。在国防部的军用板纤维激光器的多项开发工作中，有一种激光武器样机是用于快速演示项目的海上激光演示系统（MLD）。海军已经开发出一种低功率纤维固态激光器，目前正在研制功率比例增大的样机。这些激光器在作为舰载武器时可发挥不同作用。

虽然海军正在开发用于舰载激光器的激光技术和样机，并对舰载激光器有广泛的愿景，但目前海军并无任何生产激光器的立项项目或在特定水面舰艇上安装激光器的日程安排。海军水面舰艇在未来几年装备激光器的可能性为国会提出一系列潜在问题，其中包括：

·海军是否应该立即行动，立项采办舰载激光器生产方案，并确定在特定水面舰艇上安装激光器的日程安排；

·在给定的资金限制和现有激光器类型的价值的基础上，应该继续研发多少个类型的激光器；

·对海军舰载激光器设计和采办的潜在意义，包括海军计划在2016财年采办的Flight III型DDG－51驱逐舰。

国会在过去几年已经为帮助和支持海军舰载激光器的开发提供一定的额外资金。在接下来的2013财年，国会在舰载激光器方面面临几种抉择。除了决定是否继续为舰载激光器开发提供资金之外，国会至少还要决定以下几点：

·鼓励或指导海军或其它国防部组织，通过比较激光器和传统动能武器（如导弹和火炮）在对抗水面、空中和导弹目标的效费比，完成选择分析（AOA）；

·鼓励或指导海军采用立项采办舰载激光器生产方案，确定在特定水面舰艇上安装激光器的日程安排。

5）BLUEVIEW技术公司为美国海军研制激光声纳系统。美国《军事与航空航天电子学》2012年7月27日报道：美国海军研究人员向BLUEVIEW技术公司的3维成像声纳专家寻求帮助，为无人水下航行器（UUVs）开发一种低功耗450千赫干涉型纤维激光传感器（FLS）系统。为此，海军研究局官员本月授予BLUEVIEW公司一份价值150万美元的合同［7］。

BLUEVIEW公司的研究方向包括高分辨率水下声学成像和测量，以及用于水下导航、监视、勘测和侦察的仪器。其传感器可用于无人水下航行器、远程操控航行器、水面舰、固定位置和可携带平台。目前，已安装BLUEVIEW公司的水下声学成像传感器的平台包括奎奈蒂克公司的CTalon水下爬行机器人；鲨鱼科技公司的潜水导航手持系统；ECA机器人公司的阿利斯特无人水下航行器等。

6）海军邀请工业部门建造舰载固态激光武器。美国《军事与航空航天电子学》网站2012年8月报道：美国海军研究人员将立项开发并演示舰载高能量固态激光武器样机，该武器可用于区域和近战自防御、作战识别、监视、通信和作战管理［8］。

海军研究局（ONR）已发布跨部门公告（BAA），征求用于海军水面战舰，尤其可能是“阿利·伯克”级近海战斗舰（LCS）的固态激光武器的快速开发和样机设计。

海军激光武器项目细节将在ONR BAA 12－019中给出，该项目由ONR海军航空和武器部（ONR 35）和海军海上系统司令部（NAVSEA）定向能和电子武器系统项目办公室（PMS405）资助。

该项目旨在演示移动舰船舰载激光武器的技术成熟度，该武器系统是否能够服从舰船的功率和制冷能力的限制，是否能在海上与敌舰和敌机进行对抗，是否能与舰船的作战控制和支援系统连接。在安装之前，该样机需要在非作战舰船上进行海上测试，以保证技术成熟度。除了武器本身之外，还需要开发相关的武器分系统和舰船接口样机。

海军研究人员意图利用模块化开放式系统体系结构进行技术演示，并采用开放式系统标准，以便能对多家供应商开放。分系统可以由不同厂商并行开发，且在激光武器样机测试时通用。

7）ITT Exelis公司为美国海军开发激光通信技术。法国《航宇防务》报道：ITT Exelis公司与合作伙伴创新技术方案公司（Innovative Technical Solutions，NOVASOL）获得了美国海军及海军陆战队一份价值700万美元的合同，将为其开发一种激光通信系统［9］。

该项目由美国海军研究办公室和海军研究实验室牵头，两家公司将合作开发一种用于舰－舰、舰－岸和地－地通信任务的高带宽视距激光通信系统。按照合同，ITT公司负责系统工程、产品开发和生产，创新技术方案公司负责激光通信技术的设计和开发。下一步目标是开发可用于机动作战和特种作战的战术激光通信网络。

随着情报、监视与侦察任务变得越来越复杂，要求数据交换量更大，速度更快。能够及时为决策人员和作战人员提供ISR数据将决定任务成败。据ITT Exelis公司介绍，当前的作战任务需要实时传输海量数据，传输速度超过了每秒三千兆字节。激光通信技术与传统的射频传输不同，不存在占用通信带宽的问题，就如同在交通高峰期间享有专用车道，能够满足当前的海量数据传输需求。

在过去8年中，两家公司与海军研究办公室和海军研究实验室密切合作，逐步实现了高效费比、高可靠性激光通信技术。该团队在野外环境下，利用一套模拟海军陆战队通信网络演示了激光通信的近距离和远距离数据传输。此外，该团队还参加了海军的演习，提高了激光通信系统在恶劣天气条件下的数据收发距离。

8）MBDA公司高能激光武器输出功率达到40kW。法国《航宇防务》2012年9月13日报道：近日，MBDA德国分公司对一种高能激光武器演示样机进行了发射试验，其输出功率达到了40kW，创造了光纤激光器光束合成功率的世界记录［10］。

在试验中，MBDA公司使用这种高能激光武器跟踪目标并进行了发射，演示了系统在几秒钟内烧穿迫击炮弹外壳的能力，并在几秒钟内使用40kW光束烧穿了40mm厚的钢板。在前几次试验中已经演示过的目标跟踪能力也在本次试验中成功进行了重现。试验证明，MBDA公司的高能激光武器演示样机可将多个光纤激光器的输出光束精确、低损耗地合成在一起，且合成光束具有较高的光束质量，能够快速、可靠地摧毁目标。

据MBDA公司介绍，高能激光武器能够精确命中远距离目标，具有使用成本低、附带毁伤小的特点，能够在作战任务过程中应对传统和非对称威胁，为部队提供防护。该公司自2008年起开始对这种激光武器进行试验。2011年，系统在确保高光束质量的前提下实现了10kW的输出功率。2012年9月和10月间，MBDA公司将继续对系统进行进一步测试，并首次完成高能激光武器从探测空中目标到将其摧毁的整个作战流程，试验地点是WTD 52靶场。

4 发展分析

激光技术在海军装备中的发展趋势：新型高能激器、通用化激光器、自由电子激光器［11］。

1）新型高能激器。新型高能激光器主要有固体（热容）激光器、电化学氧碘激光器以及光纤激光器等。固体热容激光器主要采用具有一定热容量的固体激光介质，使激射时间和冷却时间分开，缓解了热管理问题。闪光灯抽运的固体热容激光器功率已达万瓦以上，二极管抽运固体热容激光器也能够在1s内产生30kW的平均功率。电化学氧碘激光器主要通过电化学过程解决了普通氧碘化学激光器的燃料重复使用问题，使其体积和重量大大降低。

2）通用化激光器。随着紧凑型化学激光器技术和新型节能高能激光技术的发展，可逐步实现激光武器系统的紧凑化和多种战术平台的通用化。例如，开发高光束质量的150kW轻量激光器，其质量功率比小于5kg／kW。还可以将高功率固体激光器和半导体激光器作为今后战术高能激光武器发展的重点，并同时向小型运输机和战斗机、舰船以及地面车辆等平台上推广，使其成为三军通用装备。

3）自由电子激光器。自由电子激光器的宽范围选择波长的能力是固体激光器或化学激光器难以达到的。它不仅在军事上成为公认的海上高能激光武器系统的最合理候选激光器，而且在其他方面如工业和科学研究领域也有广泛的应用。