舰载激光武器拦截无人机技术指标分析*1



舰载激光武器拦截无人机技术指标分析*1

徐国亮，赵书斌，王勇

(江苏自动化研究所，江苏 连云港222061)

摘要：鉴于美国海军战术无人机现状及其对亚洲海域威胁日益严重，分析美德舰载激光武器研究情况，提出了舰载激光武器系统的组成及其主要关键技术。在确定激光武器相关技术参数基础上，论证计算了激光武器拦截无人机在软硬杀伤2种方式下的激光功率和作用距离，结果可为拦截无人机的舰载激光武器系统设计及使用提供技术支撑。

关键词：激光武器系统;无人机;捕获跟踪瞄准

0引言

近年来，无人机逐渐成为现代战场上不可或缺的武器平台。无人机系统不仅可提供持久的情报、监视和侦察能力，还可提供精确及时的直接和间接火力，用于支援联合作战。作为重返亚太战略的配套措施，美国会同日本、菲律宾、澳大利亚等国家地区秘密部署无人机侦察、窥视亚太地区，很可能会打破亚洲地区的军事平衡。

如何有效拦截无人机或使其监视、侦察能力失效，已成为舰艇防空领域新课题。舰载常规防空武器主要有舰空导弹和防空舰炮2种，其主要使命是防空反导。使用价格昂贵的舰空导弹拦截小型无人机，不仅效费比低，而且有的舰空导弹并不具备拦截低空小型无人机目标的能力。相对而言，防空舰炮拦截无人机的效果会更好，但西方国家有的作战舰艇已经不再装备防空舰炮。而且这2种武器拦截目标均采用硬杀伤方式，容易引发军事冲突。

与传统防空武器相比，激光武器可能会成为拦截无人机的较好选择。目前，国外一些激光武器已经通过演示试验显示出拦截无人机的能力。激光武器具有以下优点：

(1) 单次消耗成本低，作战效费比高，尤其对付低成本小型无人机；

(2) 无需再装填，不受弹药数量的限制；

(3) 打击目标速度快，能有效对抗突现的目标；

(4) 能实现超低空、全方位拦截；

(5) 复杂电磁环境下作战能力强；

(6) 用途多样，干扰、致盲和毁伤效果可控，附带毁伤小。

本文探讨了使用舰载激光武器拦截无人机存在的技术问题，并计算了其中的关键技术指标。

1美国海军无人机及国外激光武器研究现状

1.1美国海军无人机现状

从2000年以后，美国(海军)投入巨资开发了多种类型的无人机系统，包括：广域海洋监视(broad area maritime surveillance,BAMS)无人机、无人战斗机验证机(unmanned combat aircraft system-carrier demonstration,UCAS-D)、垂直起降战术无人机(vertical takeoff/landing tactical unmanned aircraft system,VTUAS)、小型战术无人机(small tactical unmanned aircraft system,STUAS)等。目前美海军已经列装的无人机有：RQ-2B“先锋”、RQ-15“海王星”、MQ-8B/C“火力侦察兵”等；微小型无人机有：RQ-14龙眼/雨燕”、RQ-11“探路者大乌鸦”、黄蜂等[1-3]，其部分参数如表1所示。

1.2国外舰载激光武器研发现状

在激光武器的研制方面，美国与德国一直走在世界前列[4-7]。当前发展的舰载激光武器均采用电激励激光器，可用于或潜在应用于舰载激光武器的3种主要高能激光器包括：光纤固态激光器、板条固态激光器和自由电子激光器，它们目前处于不同的发展阶段，都拥有各自独特的应用潜力[7]。

美国雷声公司应用成熟的商用高功率光纤激光技术，利用现有防空平台(密集阵武器平台)研发了LaWS(laser weapon system)激光武器系统，并于2010年7月在海上环境中成功击落了4架无人机。

德国莱茵金属公司利用其最新开发的50 kW高能激光武器验证系统，在2012年11月完成了从目标探测、跟踪到摧毁的全过程作战演示[8]。系统在1 000 m距离上烧毁15 mm钢梁，在2 000 m距离上击落若干架飞行速度超过50 m/s的俯冲无人机。

2舰载激光武器系统组成及关键技术分析

2.1系统组成

舰载激光武器系统主要由3个分系统组成：高能激光器分系统、光束定向器分系统和跟瞄火控(acquisition,tracking,pointing & fire control system,ATP/FC)分系统[5]，如图1所示。

(1) 高能激光器分系统：产生高质量高能激光束，提供毁伤能源。

(2) 光束定向器分系统：用于对目标捕获、跟踪、瞄准的传感器及其伺服机构，将高能激光束经导光光路、光束变换扩展到发射望远镜并进行调焦、对准在目标选定点上。采用自适应光学技术实现光束稳定/净化并进行自适应光学校正。

表1　美海军主要列装的无人机

(3) 跟瞄火控 (ATP/FC) 分系统： 提供目标引导信息，系统状态监视、目标识别、目标威胁评估与分配、瞄准点选择、高能激光发射指令与控制。使高能激光束精确、集中、稳定地击中目标上的瞄准点，并做出毁伤效果评估等。

图1　舰载激光武器系统组成及工作示意图Fig.1　Shipboard laser weapon system components　　　and working diagram

2.2系统关键技术

2.2.1高精度跟瞄(捕获、跟踪、瞄准，ATP——acquisition,tracking,pointing)技术

跟踪最初要有宽的视场才容易使目标进入跟踪视场，但其跟踪分辨力有限，探测精度不高。为解决视场与探测精度之间的矛盾，在实际的捕获跟踪瞄准系统中往往有几个不同视场的跟踪器，进行视场交接[9-10]，如图2所示[5]。高精度跟瞄一般工作过程：

(1) 捕获：用宽视场光电探测器搜索捕获目标，做好跟踪准备。

(2) 跟踪：粗跟踪采用中等视场望远镜。在目标捕获信息引导下，转动望远镜使目标进入视场。利用目标对视场中心的偏差量控制主机架绕方位和

俯仰轴运动，实现主孔径视轴的闭环跟踪控制，使目标落在粗跟踪视场的中心。

(3) 瞄准：精跟踪是用望远镜主孔径接收目标光，具有窄视场，仅为粗跟踪残差的4～5倍。利用目标偏差量控制快速反射(或倾斜)镜，执行精跟踪闭环控制，使精跟踪视轴与目标光轴一致。

2.2.2基于复合轴结构的高精度跟瞄体系技术

跟踪瞄准机架有很多种形式，但从旋转特点来看，基本可分为2类：旋转机架和旋转反射镜。

(1) 旋转机架：将望远镜安装在万向支架上。采用这种结构形式跟踪、瞄准目标，都需要转动整个机架。由于系统转动惯量大，频带窄，响应慢，要达到高的动态精度是非常困难的，仅应用于中等精度的跟踪或低速目标的跟踪。

(2) 旋转反射镜系统：采用望远镜固定不动，控制反射镜跟踪目标。由于反射镜较轻，频带宽，响应速度快，可应用于高精度跟踪。但由于望远镜不能转动，其跟踪视场和范围极其有限。

为克服二者的缺点，激光武器跟瞄系统可采用旋转机架和反射镜相结合的复合轴体系结构[11]。它是在主跟踪架上安装一个高低方位均可快速微调的反射镜，用于控制发射和接收光轴的方向，常称为快速倾斜镜(fast steering mirror,FSM)。

舰载高精度跟瞄系统设计的出发点是目标运动、载体及跟瞄系统频谱分析，并分别进行处理：

——主跟踪架系统抑制目标的低频运动，消除载体低频运动(如舰艇摇摆运动等)；

——快速反射镜系统抑制主跟踪(粗跟踪)系统的残差及载体的中频运动；

——隔震平台抑制载体平台造成的高频运动(抖动或震动)。

图2　激光武器系统多级跟踪交接分解示意图Fig.2　Functional decomposition of ATP & FC

2.2.3高帧频、大目标图像处理技术[9]

从图像跟踪处理角度看，激光武器高精度跟瞄与传统光电跟踪系统最大的不同之处在于，必须高精度、稳定地锁定大目标(可能会充满整个传感器视场)上选定的瞄准点。传统的相关跟踪算法无法适应这种需求，原因在于：根据经验，跟踪点漂移无法完全抑制，而漂移并不是随机的抖动，往往沿同一个方向，以至于短时间内会丢失瞄准点。为实现高精度的瞄准，需要深入研究基于特征点的瞄准点锁定算法:

——红外目标硬体分析与估计；

——跟踪点漂移抑制；

——目标识别、姿态辨识与瞄准点选择；

——基于特征的目标瞄准点锁定。

3舰载激光武器拦截无人机技术分析

鉴于激光武器拦截无人机的众多优势，着重分析研究舰载激光武器以不同方式拦截战术无人机所涉及的技术指标。指标分析从激光武器系统对典型目标毁伤能力着手，论证系统功率、跟瞄精度及作用距离等关系[12]。

针对精度指标分析包括3个方面的内容：

(2) 修正计算参数：大气传输衰减效应对激光功率P的影响，大气湍流效应对激光相干性能和光束质量因子β的影响，光束控制系统跟瞄误差对激光光斑半径的影响。

(3) 作战需求：目标速度，跟瞄误差等。

3.1系统指标论证参数

根据上述需求，确定指标分析论证参数为：

(1) 选用激光器波长：λ=1.06 μm;

(2) 激光器功率：P=50 kW左右;

(3) 设定发射孔径：D=600 mm;

(4) 发射光束质量：β≤ 5;

(5) 跟瞄系统误差[9，12]：σ≤ 10 μrad;

(6) 单次连续出光时间：0～5 s可调;

(7) 根据相关试验，大气传输衰减大约为0.1 km-1，大气湍流折射率结构常数Cn2=10～15 m-2/3，暂不考虑热晕影响[13-14]，可计算得出目标在10 km区域内功率密度曲线，如图3所示。

图3　功率密度随目标距离的变化曲线Fig.3　Power density curve with the target distance

一般根据激光能量的强弱及对敌方目标的毁伤情况力将高能激光武器杀伤分为2种：硬杀伤指的是利用强激光直接摧毁敌方目标，达到永久性摧毁敌方目标的目的；软杀伤则是利用相对较弱的激光照射敌方目标的制导或探测系统，致使其饱和而暂时性失效或使目标的脱靶量(偏航量)过大至失去武器杀伤力。

高能激光器要能实现对目标损伤，除需要足够能量密度的同时还需要有一定的功率密度。容易看出，落在目标上功率密度随距离迅速下降，当投射到目标上的功率密度低于1 kW/cm2时，很难造成对目标的有效硬杀伤，较为可行的选择是采取如下“软硬兼施”的作战方式。

通常认为硬摧毁目标的必要条件是，在高能激光武器有效射程内，聚焦在目标上的功率密度需大于1 kW/cm2，在目标上累积的能量密度超过损伤阈值(对常规目标来说能量密度应大于5 kJ/cm2)[15-16]。

3.2系统作用距离计算分析

不失一般性，假设对目标硬杀伤能量密度门限为5 kJ/cm2，功率密度门限为1 kW/cm2；软杀伤能量密度门限为0.5 kJ/cm2，功率密度门限为0.1 kW/cm2。根据美海军列装的无人机(如表1)参数，由于微小型无人机飞行速度慢、高度低，舰载激光武器可采用硬杀伤为主的作战模式，而对高空高速的战术无人机则采用软杀伤为主的作战模式。以上述假设的杀伤门限作为计算条件，类似图3，可得到激光器不同功率情况下软硬杀伤的有效作用距离，如表2、图4所示。

表2　激光器功率与软硬杀伤有效作用距离表

图4　软硬杀伤有效作用距离与激光器功率变化曲线Fig.4　Hard and soft kill effective distance　　　curves with laser power

3.3激光器功率指标计算

依据软硬杀伤能量密度门限，计算不同激光器功率对应的能量密度与目标速度软硬杀伤曲线，如图5所示，可归纳为：

(1) 对目标高度小于3 000 m，飞行Ma数小于1.0的战术无人机，激光器功率不低于40 kW可实施软杀伤。

(2) 对目标高度小于500 m，飞行Ma数小于1.0的微小型无人机，激光器功率不低于50 kW可实施硬杀伤。

图5　能量密度与目标速度的软硬杀伤关系曲线Fig.5　Hard and soft kill energy density　　　curves with target velocity

4结束语

随着各国战术无人机的快速发展，我国周边海域及海军舰艇将面临日益严峻的威胁。本文介绍了美海军无人机发展现状及美德等国激光武器开发情况，以及舰载激光武器系统的主要组成和关键技术。根据激光武器拦截无人机的典型指标参数，分析了使用激光武器对无人机软硬杀伤的激光能量和作用距离范围。这些研究可为未来拦截无人机的舰载激光武器系统设计及使用提供技术支撑。

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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)

中图分类号：TJ95；E925；V279

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0012-06

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

通信地址：222061江苏连云港市102信箱4分箱E-mail：xugl716@163.com

作者简介：徐国亮(1971-)，男，江西丰城人。研究员，硕士，研究方向为舰载武器系统、火控系统。

基金项目：“十二五”国防预研基金课题

*收稿日期：2014-04-23；修回日期：2014-09-02