激光防御低慢小目标的关键技术分析

韩晓飞，蒙 文，李云霞，李大为

（空军工程大学信息与导航学院，陕西西安710077）

激光防御低慢小目标的关键技术分析

韩晓飞，蒙 文，李云霞，李大为

（空军工程大学信息与导航学院，陕西西安710077）

随着低慢小目标的广泛使用，低慢小目标防御成为空防安保的一项重要任务。通过研究低慢小目标的特性，阐述了激光防御低慢小目标的优势，并从目标探测、激光武器系统、系统组网三方面分析了激光防御低慢小目标的关键技术，指出了各项技术中存在的主要问题，明确了低慢小目标防御的发展方向。

低慢小；目标探测；跟踪瞄准；激光毁伤；系统组网

1 引 言

“低慢小”目标是指具有低空、超低空飞行，飞行速度小，不容易被侦测发现等部分特征或全部特征的小型航空器和空飘物。主要包括轻型和超轻型飞机、轻型直升机、滑翔机、三角翼、动力三角翼、动力伞、滑翔伞、热气球、飞艇、无人机、航空模型、航天模型、空飘气球、系留气球等十余种［1］。它们成本低廉、操控简单、携行方便、容易获取，并且升空突然性强、发现处置困难，容易被作为运载爆炸物品、投放生化毒剂、散播传单的工具，严重威胁重大活动、重点区域的安全保障工作［2］。由于常规武器装备通常有其局限性，无法对其实施有效防御，防范处置低慢小目标的干扰破坏，成为重大活动安保的难题之一。因此，发展新型武器装备对低慢小目标防御具有重要意义。

2 低慢小目标威胁及防御措施

2.1 低慢小目标的主要威胁

低慢小目标的用途十分广泛，其威胁主要有以下几个方面［3］：

（1）对重要地区、部位以及装备的低空侦察、监视的威胁。低慢小目标可以用于低空、超低空侦察，极高的隐蔽性和机动灵活性是其进行侦察的有利条件，对国家信息安全造成很大的威胁。

（2）利用“机海战术”、隐身突防等战术进行火力突袭。低慢小目标造价低、使用和保障成本低，这使得低慢小目标的大批量使用能够得以实现，对地面重要目标和防空系统构成严重的火力威胁。

（3）为突击火力进行目标指引或诱导防空火力提前暴露。低慢小航空器材的低成本性，很容易将其改装成为诱饵，对自身信号进行扩大或者模拟作战飞机的信号，给地面防空系统造成严重的信息污染和过量负荷，引诱地面目标暴露，增加弹药消耗，或协同其他电子侦察设备进行火力诱骗。

（4）低慢小目标擅自飞行会对空中航线造成干扰。近年来拥有低慢小飞行器的个人和团队越来越多，由于这些飞行器飞行高度低、速度慢、目标小，一旦擅自组织飞行，航管部门难以及时有效为其提供空域保障，极易发生误闯、误入军、民航飞行区域的事件，危害空域安全。

2.2 低慢小目标的处置方法

目前对低慢小型航空器材处置的主要方法：

（1）采用常规低空防御武器装备进行拦截、摧毁，如低空防空导弹，高射炮等。此种方法存在明显不足：第一，对这类来历不明的飞行物，使用现有地空导弹、高炮等武器实施拦截、摧毁，由于目标距离近，周围环境复杂，难免会伤及城市建筑及人群；第二，运用导弹、高炮等武器系统对付这类小目标成本过高，且效率低下；第三，这类飞行目标通常出现突然，飞行高度较低，导弹、高炮等武器系统难以在较短时间内实施有效防卫。

（2）对其进行管制，对安全保障区域附近的飞行器材进行登记、封存，甚至禁止一切低慢小飞行器升空。此方法缺少有效处置突发的来历不明的低慢小目标的武器装备。

（3）直升机空中拦截、电子干扰、网捕捉等方式。这些方法存在拦截效率低，干扰效果不佳，作用距离近等不足，也不能有效解决低慢小目标的防御问题。

2.3 激光防御低慢小目标的优点

随着激光技术的发展，激光武器得到了许多国家的大力发展，技术日趋成熟。激光防御低慢小目标具有其他常规武器不可比拟的优势：

（1）速度快，精度高。激光束从发射到达其目标所用时间极短，非常适合应对现有防空兵器难以对付的突然出现的近距离目标。

（2）兼备软杀伤和硬杀伤能力。可以致盲低慢小目标上的传感器，使其不能正常工作；也可以破坏其壳体结构，直接将其摧毁。

（3）摧坚能力强。能击穿和熔化各种金属和非金属材料。

（4）作战效费比高。激光武器每次发射成本只有几百美元，而现有的防空导弹都很昂贵。

（5）对一个目标可以进行多次拦截。通过多次拦截可显著提高目标拦截概率。

因此，采用激光防卫系统是一种理想的低慢小目标防御策略。

3 激光防御低慢小目标的关键技术

激光防御低慢小目标的关键技术主要包括三方面：①低慢小目标探测技术；②激光武器技术；③系统组网技术。

3.1 目标探测技术

低慢小目标突出表现为发现难、跟踪难、处置难。处置的前提是及时发现、连续跟踪。由于在人口密度大、建筑物密度高的政治、经济中心地区，商用居住建筑物林立，电磁环境、气象环境、交通环境复杂，雷达等设备无法覆盖，低慢小目探测技术成为激光防御的关键技术之一。

目前针对低慢小目标采用的探测技术主要包括：可见光、红外热成像相结合的光电搜索跟踪技术、无线电信号探测技术、低空探测雷达等。这些技术在发现距离、灵敏度、能效范围、抗恶劣气候能力、多目标同时跟踪能力等方面各有优劣。

3.1.1 雷达探测［4］

由于低慢小目标的雷达反射面积非常小，加之其飞行速度慢，其造成的多普勒效应也不明显，所以传统雷达对低慢小目标的探测效果并不好，存在低空探测盲区大，回波小且弱，容易与气象干扰、杂波干扰或鸟群相混淆等缺点。考虑到地面防空雷达存在以上缺点，对于低空目标的探测多用气球载雷达探测方式。气球载雷达结构简单、部署方便、利用率高，可大大提高探测“低慢小”目标的能力。

3.1.2 光学探测

相比雷达探测，光学探测可以利用可见光对目标进行探测，或利用目标的热红外反射进行探测，这使得光学探测比雷达清晰得多。用户可直观的看到目标，进行判别。但是在探测目标时，系统的带宽比较窄，在跟踪目标时，系统带宽比较宽，且两种情况下环路等效参数不同，加上跟踪有扰动，跟踪波门比较小，这使得在探测和跟踪之间进行切换变得很复杂。

3.1.3 无线电信号探测技术

为达到隐蔽的目的，低慢小目标活动时一般保持无线电静默，严格按预定方案执行计划。无线电信号探测不能对所有目标实现有效探测。

单一的探测方式无法高效准确的探测到目标，多方式探测协同的方式将是低慢小目标探测的发展趋势。通过多种探测装备协同，建立“一点发现，多维跟踪”、多探测方式相结合的探测系统，可及时获取目标位置、视频图像、操控无线电频率等多种信息，大大提高低慢小的目标的发现几率。在探测装备数量较大的情况下，需要综合考虑装备的类型、探测距离、覆盖范围、搜索速度以及针对不同现场环境的差异性（如晴天、白天，可见光装备观察效果优于红外装备，而在雨雾天气和晚间，红外装备观察效果优于可见光装备），进行优化目标跟踪分配。其次，如何实现激光探测、红外探测、可见光探测、外辐射源探测和声探测系统的信息共享与信息融合［5］，也是多装备协同探测的关键问题。

3.2 激光武器技术

激光武器的关键技术有：高能激光器技术；跟踪、瞄准技术；大气传输技术；激光毁伤技术等。

3.2.1 高能激光器技术

高能激光器是激光武器的核心部件。激光武器要求激光器能够在所要求的工作波长上有足够高的输出功率和足够长的持续时间，光束质量好（光束发散度小），在大气中具有较好的传输性能，能在目标上产生足够高的功率密度等，因此寻找对靶材破坏能力强、适于大气传输的高能激光器是高能激光武器的关键。现有的高能激光器系统有：氟化氢／氟化氘化学激光器、二氧化碳气动激光器、氧碘化学激光器、极管泵浦固体激光器、激光二极管阵列、自由电子激光器等。其中化学激光器是迄今为止最成熟的激光武器技术［6］。

自由电子激光器（FEL）是一种新型激光器，它利用核加速器技术产生一种波长介于极短无线电波与可见光波之间的相干光束，将线性超导加速器与一种称作“摆动器”的磁阵列结合在一起，以便为电子注入能量并发出激光。与其他各类激光器相比，自由电子激光器发出的激光具有输出功率强，波长可调，可不受大气干扰，效率高等特点，正受到越来越多国家的关注。目前美国海军着重研究的自由电子激光器，理论上可通过增加平均电流来提高功率，功率有可能增至数兆瓦级。但自由电子激光器作为激光武器的激光器，真正达到实用阶段，还有许多工作要做。

3.2.2 跟踪瞄准技术

光束定向器是激光武器跟踪瞄准的关键部件。它由发射系统和精密跟踪瞄准系统组成。发射系统用于把激光束发射到远场、并在目标上形成尺寸尽可能小的光斑，以便在目标上获得较高的激光功率密度。跟踪瞄准系统用于使发射望远镜始终跟踪瞄准飞行中的低慢小目标，并使光斑始终锁定在目标的某一固定部位，从而有效的摧毁或破坏来袭目标。以距离1 km，飞行速度30 m／s的低慢小目标为例，此时目标飞行角速度为30／1000＝0.03 rad／s，如果光斑的直径为0.05 m，打击目标的固定位置（探测器、机翼等），则要求厘米量级的瞄准精度，对应的角度精度应为10微弧度量级，这种要求比普通光电跟踪系统的跟踪角误差要高出1个量级，满足这种瞄准精度比较轻松，但对于光束定向器的跟踪加速度和角加速度的要求相对比较高。因此，必须要研制高精度捕获、跟踪、瞄准系统才能满足激光武器的需要。

减小光束定向器误差，是提高跟踪瞄准技术的主要途径。光束定向器的跟踪瞄准误差的主要三类，一是抖动误差，主要来源于光束定向器平台的机械抖动，大气湍流效应引起的光束抖动，低慢小目标的随机运动等；二是噪声误差，主要来源于光学背景噪声，控制电路噪声以及量化误差等；三是系统误差，主要来源于系统有限的采样频率，这些误差成为提高跟踪精度的技术难点。

对于不同种类的误差，采用不同方法减小或消除。对于第一类抖动误差，如果随机抖动的频带低于光束定向器的带宽，这种误差原则上是可以纠正的，如果随机抖动的频带高于光束定向器的带宽，这种误差将成为最主要的误差因素。对于第二类噪声误差，强信号噪声可以忽略不计，对于弱信号噪声（远距离的目标信号就是弱信号），噪声对信号的影响将变得十分严重，所以必须压低噪声水平提高光束定向器精度。对于第三类系统误差，激光武器工作是采样频率越高，系统误差好越小。系统采样频率受两个因索制约，一是每帧图像的处理时间，二是低慢小目标的辐射亮度，对暗目标必须延长采样积分时间，这样系统的工作频率就会降低。目前解决暗目标问题，主要采用主动照明以提高目标物的辐射亮度。

目前美国在伺服控制系统的一些关键技术也值得我们借鉴，例如采用模式逻辑开关实施各阶段的控制，即数字化控制电路；使用速率陀螺作为惯性速率回路，提高系统视轴的稳定；使用快速控制反射镜，消除抖动噪声［7］。

3.2.3 大气传输技术

激光在大气中传播时，要受到大气分子吸收、气溶胶散射与吸收、大气湍流、热晕和大气击穿五种主要的大气作用。其中分子吸收、气溶胶散射会导致光束功率密度随距离增加逐渐衰减。大气湍流和热晕效应会导致光束散焦，使达到目标上的光斑尺寸变大。大气击穿可限制瞬时最小激光束强度［8－9］。当光束强度约为10 MW／cm2时，大气中的灰尘和物质微粒就被电离，形成等离子体，这种等离子体可一直膨胀到阻塞整个光束。等离子体吸收了激光能量后，就会形成激光维持的燃烧波或爆震波，这就大大影响了激光的传输。这些大气效应限制或降低了达到目标上的功率密度。

研究高能激光在大气中的传输特性，减小大气对激光传输带来的负面影响，一直是激光武器的一个技术难点。对于大气湍流和热晕效应，可采用自适应光学技术予以抵消，也可以通过选择适当的激光脉宽和重复频率来缓解这种影响。对于大气击穿效应可采用低强度、高重复频率的先行脉冲激光驱除光路上的气溶胶质点，这样可把击穿阈值提高419倍。对这些大气效应进行补偿，可在一定程度上提高照射到目标上的激光功率密度，提高激光武器的作战性能［10］。

3.2.4 激光武器毁伤技术

研制高能激光武器系统的主要目的是，在存在物理和战术的限制下，以最小的技术代价，彻底摧毁目标。激光束的毁伤作用主要为热作用破坏、力学破坏和辐射破坏。激光武器通过辐照目标使目标材料的特性和状态发生变化，如温升、膨胀、熔融、汽化、飞散、击穿和破裂等，导致目标的某些部位受到暂时或永久性的损伤。当激光功率较小时，主要对目标搭载的光电系统进行致盲干扰，激光能量较高时，可对目标进行直接摧毁。

具有侦察、指引功能的低慢小目标通常配备有精密光学元件如瞄准镜、夜视仪、红外装置、激光测距机以及目标指示器、光学引信等。碲镉汞、硫化铅、锑化铟等光电探测器的破坏阈值为102～3×104W／cm2。由于聚焦作用，探测器与调制盘等光学元件很容易损坏，再加上目标高度比较低，因此采用强激光致盲对低慢小目标所配备的各种精密光学元件进行致盲时，激光能量损失较小，只需很小的激光功率就可达到干扰、致盲光学元件的目的［11］。

对低慢小目标发射的激光束能量较高时，激光对光学元件以及目标材料的加热，使其温度迅速升高，出现热饱和、熔化、汽化、热形变等现象，形成热烧蚀和热应力破坏，对目标直接进行摧毁。熔点在1500℃左右的飞行器壳体金属材料，在功率为2～3 MW的强激光辐照下只要在其表面某固定部位辐照3～5 s，就会被烧蚀熔融、汽化。低慢小目标通常体积小、质量轻，无法安装很厚的结构材料以及大量的抗激光辐射材料，一旦被高能量密度的激光辐照，机体材料会被迅速破坏，从而失去平衡力，甚至直接燃烧坠毁。

低慢小目标的种类十分繁多，表1是强激光对一些常见的低慢小目标损伤的效能定义，对于不同类型的目标和不同大小的威胁能力，可以采取不同的损伤方式，从而取得最佳的打击效果。

表1 几种常见的低慢小目标激光损伤的效能定义

激光致盲传感器或破坏传感器组件相对比较容易，其能量破坏阈值为10 J／cm2量级。破坏其他部件，如光学设备、雷达天线罩、壳体的结构性破坏等，所需的能量密度较高，各种目标的能破坏阈值，与目标的材料、结构、强度、激光波长、光斑大小等密切相关。针对具体目标，用能量最节省的方式对目标进行最大限度破坏，是激光武器毁伤技术要研究解决的主要问题。

3.3 系统组网技术

如图1所示，激光防御系统主要由目标探测识别系统、指挥控制系统、目标跟踪瞄准系统以及激光武器系统组成。以此建立的体系结构，通过通信网络实现以激光武器系统为核心目标探测识别系统、指挥控制系统和激光武器系统之间的“无缝连接”。系统首先利用多探测器协同方式进行大空域、快速粗略搜索，探测发现到目标后，由激光、红外及微波低空监视等装备对目标进行精确跟踪瞄准，根据来袭目标的特性，依托通信基础网和指挥控制系统，建设网络化的通信保障体系和高效的指挥控制系统，快捷有效对威胁目标进行评估、决策以及向各个子系统传达作战指令。

图1 激光防御系统结构框图

单个激光防御系统能在一定区域内为地面防空系统提供火力支持，但火力有限、覆盖面较小，不足以满足应对低慢小目标饱和攻击和一体化空中威胁的需要，因此需要多系统组网建设。构建网络化防御体系，综合集成各种防空作战资源，实现防空体系内的各种作战要素之间的信息共享与综合运用，以形成一个体系配套、多系统协调的综合的防御系统［12］。如何使系统结构能够适应不同的作战需求，使作战具有更强的灵活性，更高的资源信息共享及互操作水平，实现不依赖某个特定的探测方式和指控中心的灵活作战是系统组网的研究方向。

4 结束语

低慢小目标的威胁日益突出，低慢小目标的防御问题一直是世界各国共同面临的难题，随着激光武器装备的发展日趋成熟，在未来适时运用激光武器，能够及时、准确无误地摧毁来袭目标，达到有效地保护自身目标的安全。发展激光防御系统已成为适应信息化、网络化防空作战的需要，多系统协同成为有效抗击低慢小目标入侵的必要途径。

［1］ Zhan Jianwei，Guo Huiming.Net cast interception system research aimed at low small slow target［J］.Computer Engineering and Design，2012，33（7）：2874－2878.（in Chinese）张建伟，郭会明.低空慢速小目标拦截系统研究［J］.计算机工程与设计，2012，33（7）：2874－2878.

［2］ Qin Qing，Xu Yu.Study of assignment ofmulti-system cooperative detection for LSS-target［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2012，26（1）：28－31.（in Chinese）秦清，徐毓.低慢小目标多装备协同探测分配问题研究［J］.空军雷达学院学报，2012，26（1）：28－31.

［3］ Li Dawei.Study on high power laser damage about low slow small target［D］.Air Force Engineering University，Xi′an，2012：1－8.（in Chinese）李大为.强激光对低慢小目标的热损伤效应研究［D］.空军工程大学，西安，2012：1－8.

［4］ Qu Yanshuang，Qian Jiangang，Hu Baozhen，et al.Capability analysis of detecting low altitude target of balloonborne radar［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2010，24（1）：40－42.（in Chinese）曲彦双，钱建刚，胡宝珍，等.气球载雷达探测低空目标的能力分析［J］.空军雷达学院学报，2010，24（1）：40－42.

［5］ Wang Chaozhe，Tong Zhongxiang.Study on the airplane′s infrared radiation characteristics［J］.Laser＆Infrared，2011，41（9）：996－1001.（in Chinese）王超哲，童中翔.飞机红外辐射特性及其探测技术研究［J］.激光与红外，2011，41（9）：996－1001.

［6］ Simpson JBoeing：2009 shoot-down‘key to survival’for airborne laser program［J］.Inside The Air Force，2008，19（13）：1.10－12.

［7］ Lu Mingchun，Liang Hongwei.High energy laser weapons and the development of their technologies［J］.Laser Journal，2008，29（1）：1－3.（in Chinese）吕明春，梁卫红.高能激光武器及其技术发展［J］.激光杂志，2008，29（1）：1－3.

［8］ Du Wenhe，Yu Siyuan，Tan Liying，et al.Angle-of-arrival fluctuations for wave propagation through non-kolmogorov turbulence［J］.Opt Commun，2009，282（5）：705－708.

［9］ Wu Lin，Ying Jiaju，Geng Biao.Effect on laser propagation in the atmospheric turbulence［J］.Laser＆Infrared，2008，38（10）：974－977.（in Chinese）武琳，应家驹，耿彪.大气湍流对激光传输的影响［J］.激光与红外，2008，38（10）：974－977.

［10］Li Songshan，Wang Yue，Zhong Shengyuan.Applied analysis of atmosphere impacts in practical laser interception system［J］.Laser＆Infrared，2012，42（4）：422－425.（in Chinese）李松山，王岳，钟声远.实用型激光拦截系统中大气影响的应用分析［J］.激光与红外，2012，42（4）：422－425.

［11］Li Hui，Li Yan，Liu Bingfeng，et al.Status，development and key technique analysis of laser jamming technology［J］.Laser＆Optoelectronics Progress，2011，48（7）：081407－1－081407－6.（in Chinese）李慧，李岩，刘冰锋，等.激光干扰技术现状与发展及关键技术分析［J］.激光与光电子学进展，2011，48（7）：081407－1－081407－6.

［12］Wang Gang，Li Weimin，He Jing.Research on networkcentric warfare architecture of zone air defence［J］.Modern Defence Technology，2003，31（6）：19－23.（in Chinese）王刚，李为民，何晶.区域防空网络化作战体系结构研究［J］.现代防御技术，2003，31（6）：19－23.

Key technology of the laser′s app lication in the low slow small target defense

HAN Xiao-fei，MENGWen，LIYun-xia，LIDa-wei
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

As the appearance of low slow small targets（LSST）increases dramatically，it will be an important task to dealwith them in the air defense field.The paper illustrates the advantages of the laser in LSST defense.It analyzes the key technology of the laser LLST defense system from aspects such as target detection，laser strike and system networking.It points out the main problems in the existing techniques and suggests the progress prospect of LSST defense.

LLST；target detection；track scanning；laser damage；system networking

TN249

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.005

1001-5078（2013）08-867-05

韩晓飞（1988－），男，硕士研究生，主要研究方向为激光空间信息技术。E-mail：hanxiaofei＿hxf＠163.com

2013-01-04；

2013-01-17