“低慢小”目标激光毁伤系统技术体制分析

■文/ 公安部第一研究所 范殿梁 孙非 尤会龙

中国电子科技集团公司第二十七研究所 朱宇东 郭绍禹

关键字：“低慢小” 目标 激光毁伤 空间合成

1 引言

近几年，随着军民融合战略的不断深化，作为当前新概念武器中理论成熟、发展迅速和具有实战价值的装备，激光器开始应用于民用行业，例如用于激光清障、“低慢小”目标防御等。目前，国内已有多家单位研制出针对“低慢小”目标的激光毁伤反制装备，并取得了一定的效果。

作为一种新式装备，激光器具有攻防兼备、高效费比、快速灵活、打击精确和抗电磁干扰等优点，在“低慢小”目标反制方面得到了有效地应用。随着科学技术地日趋成熟，体积和质量均较大的化学激光器逐渐被体积与质量更易控制的固体激光器所取代。目前，国内研制的基于“低慢小”目标激光毁伤的装备，在固体激光器应用层面上主要存在两种技术体制：

（1）单路大功率激光输出技术体制。随着激光技术的不断发展，激光器单路输出功率不断增大，目前万瓦级固体激光器已非罕见。此外，频率合成、时间合成也属于单路大功率激光输出技术体制。

（2）激光空间功率合成技术体制。以目前技术成熟度较高的激光器作为基本源，采用功率合成技术，使合成后的激光输出功率满足预期的使用要求。

两种技术体制是相辅相成的，并不存在根本性的冲突，单路大功率激光输出技术是强激光装备技术发展必须的历程，光束合成是研制高功率、高光束质量固体激光器的必由途径，更倾向于技术层面。而激光空间功率合成技术更倾向于实战应用化层面，可以在单路大功率激光输出的基础上获得更高的作战效能。目前，在“低慢小”目标激光毁伤方面，激光空间功率合成技术体制技术比较成熟，更为容易实现，且稳定性和可靠性更高。

2 理论分析

以国内目前的技术水平，在激光器设备应用方面，空间功率合成技术体制比单路大功率技术体制有着明显的优势。

2.1 光束质量对远场聚焦的影响

光束质量评价标准为M2因子，其定义为：

式中ω和ω0分别为实际被测光束和基模高斯光束的束腰宽度（束宽按二阶矩定义），θ和θ0分别为实际被测光束和基模高斯光束的远场发散角。而激光远场光斑面积为：

因此，激光远场光斑功率密度与光斑面积成反比，则与光束质量因子的平方成反比。

例如，目前国内较高水平1万瓦固体激光器的光束质量M2因子约为2.5以下，而技术成熟的1千瓦光纤激光器的光束质量M2因子约为1.4以下，采用同样的光学系统，则1万瓦固体激光器在远场光斑面积约为1千瓦光纤激光器的3～5倍。由于激光武器的打击效能主要与激光光斑功率密度有关，因此，相同功率下，采用功率空间合成技术体制能够获取更高的打击效能。

2.2 工作时间

目前国内存在的用于毁伤“低慢小”目标的激光器采用单路大功率激光输出体制和激光空间功率合成技术体制。其中，单路大功率激光器输出功率较大，但其电光转换效率较低，对热管理的要求较高；目前激光器多用蓄冷式的冷却方式，激光器连续工作一段时间较短，不利于进行多批次目标的毁伤；而激光空间功率合成技术体制则使用千瓦级激光器，此类激光器对热管理的要求相对较低，市场上能够满足其长时间连续工作的冷却器已很常见，这使得激光器能够长时间连续工作，应对多目标的能力较强。

目前，国内较高水平的万瓦级固体激光器连续工作时间通常为30s，最长不超过60s；然而，其工作时间间隔却长达5min以上，很难实现对多批次“低慢小”目标的毁伤。而采用的千瓦级光纤激光器空间功率合成技术体制，激光器满功率出光能够长达30min，能够满足对多批次目标的连续打击作战要求。

3 仿真对比分析

图1 1km处聚焦光斑

图2 3km处聚焦光斑

图3 10km处聚焦光斑

分别对1台10kW瓦固体激光器（光束质量为2.5，记为1*10kW）和7台1.5kW光纤激光器（光束质量为1.8，记为7*1.5kW）功率合成两种情况进行仿真，发射光学系统均采用卡塞格林光学系统，发射口径均为450mm。图1、图2和图3分别显示了两种体制的激光器在1km、3km和10km距离下聚焦光斑尺寸的仿真结果。可以发现，激光器体制不变时，随着距离的不断增加，聚焦光斑的尺寸逐渐变大；同一距离下，1台10kW固体激光器聚焦光斑的尺寸明显大于7台1.5kW光纤激光器。

仿真结果与理论分析是一致的，7台1.5kW光纤激光器（激光空间功率合成技术体制）通过光学系统聚焦，在远场形成空间功率合成的光斑远小于10kW固体激光器（单路大功率激光输出技术体制）；然而，激光器总功率相当，光斑尺寸越小，能量密度越大，其作战能力亦越强。因此，对于万瓦级的固体激光器，采用激光空间功率合成技术体制对“低慢小”目标的毁伤能力要优于单路大功率激光输出技术体制。

4 试验分析

图4中a)为采用2路10kW固体激光器作为发射源对780m处的无人机蒙皮进行的静态打击试验：激光打开后，3s内无人机蒙皮起火，光斑直径约为18mm。

图4中b)显示了发射功率100W的激光器对70m外的无人机蒙皮进行的照射试验：激光打开后，1s内无人机蒙皮起火，20s内，无人机蒙皮被击穿，穿孔直径约为5mm。

图4 激光打击试验

图5 基于空间功率合成技术体制的激光毁伤系统

国内研制的“低慢小”拦截系统，基于激光空间功率合成技术体制，采用两路1.5kW光纤激光器进行远场合成（如图5所示），能够于10s内对800m处的无人飞行器进行摧毁，最远有效距离可达1km，典型的无人飞行器为：大疆精灵系列、小米、零度等品牌无人机，比较而言，基于单路大功率激光输出技术体制研制的万瓦级激光打击装置，对相同目标最大毁伤距离为600m，毁伤时间长达近30s，其毁伤效果明显低于前者。因此，目前已存在的“低慢小”目标激光毁伤装置，采用空间功率合成技术体制能够实现更远的打击距离、更好的打击效果。

5 结语

空间功率合成技术体制下，所采用的激光源的光束质量远远优于单台大功率激光器，其远场聚焦能力优势十分明显，能够达到更为理想的作战效果；此外，对多批次目标的连续打击能力更高，可靠性更强，制造成本更低。因此，并根据目前国内激光器的技术水平和发展现状，采用多台空间功率合成技术体制是实现“低慢小”目标激光毁伤的合理选择。