國外激光反導技術的發展分析＊

張詠梅

（東北電子技術研究所 錦州 121000）

1 引言

激光反導，就是利用高能激光束摧毀導彈等目標或使之失效的定向能武器。在激光反導武器領域，美國一直處于世界領先地位。其中，美國在機載激光反導武器研制方面已取得重大進展，并進行了多次激光攔截導彈試驗［1］。例如，2010年2月11日，攜帶激光器的飛機從美國加利福尼亞穆古角海軍航空站起飛，彈道導彈則從距離穆古角海航站約100km的圣尼古拉斯島某海上機動平臺發射。發射的兩枚導彈中，第一枚為液體燃料導彈，第二枚為固體燃料導彈。安裝在波音747-400F飛機上的兆瓦級激光器適時啟動，發射一束強光，瞬間擊落了飛行中的導彈。本文就激光反導技術、發展動向、發展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 激光反導技術

激光武器反導，主要采用激光致盲與激光摧毀的方式［2］。

1）激光致盲。激光致盲武器可干擾或致盲光電制導空地武器的導引頭，同樣能對抗裝有紅外成像末制導裝置的巡航導彈和反輻射導彈的激光近炸引信。

例如，激光光束作用于紅外探測器的能量大于其破壞閾值時，導引頭無信號輸出，導引規律失效，導彈變為無控彈飛行，從而形成對導彈的有效干擾。

激光光斑尺寸估算。設激光發射處距導彈紅外探測器的距離為R，由于衍射引起的垂直于導彈表面的激光束擴散直徑α：

式中，λ為入射激光波長，D0為激光發射望遠鏡孔徑，β為光束質量因子，取D0＝0.4m，β＝3，θd＝θy／2，可以求出當R＝5km時，在導彈導引頭表面的激光光斑直徑5.5cm；當R＝8km時，在導彈導引頭表面的激光光斑直徑8.7cm；當R＝10km時，在導彈導引頭表面的激光光斑直徑10.9cm。

2）激光摧毀。激光摧毀主要由高能激光武器來完成。高能激光武器具有快速（30×104km／s）、靈活（可短時間內攔擊多個來襲目標）、精確、抗電子干擾和威力大等優點，是對付精確制導武器、空間武器，以及遏制大規模導彈進攻的戰術與戰略防御武器。

破壞紅外探測器的能量估算。確認激光始終準確照射導引頭，能夠保證瞄準精度和穩定性。設激光器距離導彈探測器的距離為R，激光波長為λ，激光器輸出功率為P0，瞄準跟蹤系統的精度為θ，大氣透過率系數為τ1，整流罩透過系數為τ2，濾光片透過系數為τ3，調制盤透過系數為τ4，α是導彈表面激光束擴散直徑，導彈光學鏡頭直徑為D1，探測器光敏面直徑為D2，探測器接收到的功率密度為P：式中，θ為光束發散角，包括光束衍射發散角θy和激光光源抖動θd的影響。

0.838是分布在Airy斑第一暗環內的光能百分比。由上式可得：

假設光學鏡頭直徑D1＝5cm，探測器光敏面直徑為D2＝4mm。大氣透過率系數τ1（在能見度一定時，隨仰角的變化，大氣透過率的變化不太明顯），可取一定值，導彈整流罩的透過率約為0.7，濾光片的透過率約為0.7，調制盤的透過率約為0.5，激光波長1.06μm，采用波長為1.06μm 的激光照射該型CCD探測器的熔化破壞功率密度閾值為80w／cm2。

在中緯度夏季水平能見度為23km，垂直高度為400m的條件下，將以上各數據代入式（5）可得到激光干擾不同距離的探測器需要發射的最小能量。當R＝5km時，所需激光功率為479W；當R＝8km時，所需激光功率為1796W；當R＝10km時，所需激光功率為4652W。

例如，以1.06μm激光輻照紅外探測器系統為例，估算了對不同距離的導彈紅外探測器實現有效干擾所需發射的激光能量。要實現激光對反導造成更有效地破壞，可以提高激光瞄準的跟蹤精度以提高激光在探測器焦平面上像點的穩定性；還可以通過壓縮激光發散角來提高發射功率等手段實現。

3 發展動向

1）印度研制激光反導系統。美國《防務新聞》網站2010年8月25日報道：印度科學家正在研制名為“定向能武器”（DEWs）的激光反彈道導彈系統。DEW武器由印度國防研究與發展組織（DRDO）開發，可通過亞原子微粒或電子波轟擊的方式摧毀來襲的彈道導彈［3］。

一位DRDO科學家表示已經測試過這類激光武器。其中就有一款防空照射武器，可攻擊10km射程內的飛機和直升機。該武器將在兩年內投入使用。

印度研發的激光武器可安裝在海軍的潛艇和巡洋艦以及空軍的戰斗機和運輸機上。

據這位科學家透露，DEW激光武器可發射25kW的脈沖激光束，能夠在7km的距離內摧毀彈道導彈。

2）美國實施CIRCM直升機激光反導系統項目。美國《航空電子》網站2010年11月1日報道：美軍從去年開始為戰區使用的直升機裝備了激光瞄準“定向紅外對抗系統”（DIRCM）保護了大量的美軍直升機免受肩扛式導彈的攻擊。陸軍表示，“支奴干”重型運輸直升機上使用的“先進戰區紅外對抗”（ATIRCM）系統可在受到多枚導彈埋伏的情況下做出快速反應，保護其免遭襲擊。海軍航空系統指揮部也表示，裝備在CH-53E上的DIRCM可使其能夠在先前由于導彈威脅而禁止使用的區域重新投入使用［4］。

然而，DIRCM系統雖已證明其有效性和可靠性，但其重量和費用仍然過高。陸軍目前計劃研制一種能力更強、可靠性更高、綜合性更好的“通用紅外對抗”（CIRCM）系統，該系統重量更小，且能夠滿足各軍種的使用要求。

CIRCM系統首次裝備定于2017年，采購數量則定在1076部，裝備在“阿帕奇”、“黑鷹”、“支奴干”、“基奧瓦勇士”等機型上。海軍及空軍與陸軍聯合制定了CIRCM系統的要求，以用于其各自的旋翼機上。海軍及海軍陸戰隊尤其希望獲得一種比目前CH-53E使用的“大型飛行器紅外對抗系統”（LAIRCM）重量更輕的導彈干擾器。

CH-53E上裝備的LAIRCM中193磅（87千克），“支奴干”上使用ATIRCM重約160磅（72千克）。若算上固定和支持結構，該系統的安裝重量超過了350磅（158千克）。

根據各軍種聯合制定的要求，CIRCM的B型組件（干擾器）重量限定在85磅（39千克），其A型組件（支持結構）的重量限定為：V-22、CH-47等大型旋翼機70磅（32千克），“黑鷹”等中小型旋翼機35磅（15千克）。陸軍目前還沒有針對有人或無人的定翼機而提出的要求。

3）美國海軍潛在的反導激光器成功試驗。全球安全新聞專線2011年2月24日報道：美國能源部位于弗吉尼亞州的一個實驗室上周對一個先進激光器進行了最高功率的試驗，美國海軍可能最終會將這種技術作為導彈防御技術使用［5］。

2011年2月18日，托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室的科學家在500千伏電壓下試驗了該自由電子激光器，制造出了與較低電壓下生成的波束相比更加精確、更加適合于導彈防御的波束。該實驗室自由電子激光器部副主任喬治·尼爾稱，美國海軍已經將500千伏試驗確定為此種激光器部署美國軍艦的先決條件。

海軍研究辦公室已經投入數千萬美元，用于強化該設備，官員稱該設備可用于識別、監視或擊落敵方導彈。

尼爾稱，上周的試驗證明我們現在的設計是一個可行的選擇。目前，科學家希望將精力集中到該激光器的小型化上，使其能裝進軍艦。海基試驗可能不晚于2018年。

4）諾·格公司測試“保衛者”反導系統。諾·格公司網站2011年3月8日報道：諾斯羅普·格魯門公司今天宣布與美國空軍國民警衛隊第190空中加油聯隊（ARW）合作，在一架KC-135空中加油機上完成了“保衛者”（Guardian）系統反導彈技術的首輪飛行測試［6］。

“保衛者”系統是一種基于激光的先進反導保護系統，目的是保護飛機、機組人員和乘客免遭單兵攜帶防空系統（MANPADS）襲擊。保衛者系統包括一個多波段激光指針／跟蹤器和一個紫外線導彈預警傳感器。該系統幾乎完全嵌在機身底部的單一吊艙內。“保衛者”系統探測到已發射導彈后，對來襲導彈導引頭直接發射一束不可見的對人眼無害的激光，干擾制導信號。

該系統的業務效用評估（OUE）規劃在2010年初已經開始，11月17日美國空軍國民警衛隊開始基于諾斯羅普·格魯門公司提供的計劃和圖紙改裝一架KC-135加油機。僅僅55天之后即2011年1月11日開始了改裝飛機的飛行試驗。業務效用評估預計在2011年第二季度進行，其中包括在佛羅里達州埃格林空軍基地進行額外的飛行及系統測試。

5）波音公司尋求繼續利用機載激光試驗臺進行定向能武器技術研究試驗。美國《每日航宇》2011年3月9日報道：波音公司正在準備利用YAL-1“機載激光試驗臺”（ALTB）再進行一次導彈攔截試驗，并計劃用這架由波音747貨機改裝的平臺對未來的定向能武器—大尺寸固態激光炮進行試驗［7］。

波音公司希望能重復在2010年2月的試驗中所取得的成功，當時，YAL-1在加利福尼亞州海濱的穆古角試驗場，利用其化學氧－碘激光炮（COIL）摧毀了一枚處于助推段的彈道導彈。盡管此后在2010年9月和10月進行的試驗均告失敗，但2月的試驗成功幫助該項目獲得了支持。

波音公司及其在ALTB項目中的主要合作伙伴—洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯曼公司都渴望驗證YAL-1的價值和用途。2009年，美國國防部長蓋茨決定取消第二架YAL-1的采辦，并將該項目由型號研制項目改為研究項目，自此僅有的一架YAL-1成為一架試驗臺。當時，該項目已超支大約40億美元，而進度已經比原定計劃落后了8年。

波音公司網絡與空間系統業務主管克勞恩認為，對該項目的批評一直存在，但畢竟已進行了大量投資，而且使用這架試驗臺所需的資金很少，因此，應當繼續把該試驗臺作為一個研究與開發平臺并使用下去。克勞恩宣稱，希望重點“驗證殺傷鏈，驗證如何進行大氣補償、目標跟蹤和紅外搜索與跟蹤，驗證走完整個殺傷過程的步驟”。克勞恩承認，“在空對空狀態下使用定向能武器，固態（激光炮）才是未來的發展方向。我們現在擁有的是化學激光炮，雖然它的能量足夠，但搭載化學藥劑帶來的尺寸、重量和乘員安全等問題，使它在作為一種裝備時用途受到了限制”。他認為，今后ATLB可用來對已成熟的固態激光炮等激光技術進行試驗和驗證。

6）Cassidian公司將開發應對近海激光威脅的新技術。美國《海軍技術》2011年6月3日報道：Cassidian公司獲得加拿大國防研究與發展局授予的一份合同，將為加拿大海軍艦艇開發一種能夠探測和對抗基于近海激光威脅的新技術［8］。

針對威脅環境的激光光學對抗與監視系統（LOCATES）項目主要用于發展一種基于激光對抗系統的探測與跟蹤能力。其原型系統將于2013年開發出來，并進行測試。

Cassidian公司銷售部主管聲稱，隨著加拿大海軍使命任務的不斷擴充，其越來越需要一流的技術，用于探測和保護面臨非對稱威脅的海軍平臺。

他還透露，此次開發的技術不僅能夠滿足加拿大海軍的近海需求，而且能夠滿足盟國海軍的需要。

7）雷聲公司完成“靜眼”激光轉塔組件試驗。法國《航宇防務》2011年6月22日報道：近日，雷聲公司在賴特－帕特森（Wright-Patterson）空軍基地對其“靜眼”（Quiet Eyes）激光轉塔組件（QELTA）進行了試驗。在數百輪試驗中，該激光轉塔始終能夠探測并挫敗各種威脅［9］。

“靜眼”激光轉塔組件是某國防采購競標項目的最終勝出者，為美國空軍提供了一種經濟可承受的、高可靠性的大型飛機紅外對抗（LAIRCM）轉塔方案。試驗結果表明，“靜眼”系統可提高飛機的生存能力。與當前使用的裝備相比，該系統的重量和成本降低了一半，功耗更低，而可靠性提高了一倍。

8）美國防高級研究計劃局開發高能液體激光防御系統的激光武器演示系統。通用原子航空系統公司網站2011年7月20日報道：通用原子航空系統公司（GA-ASI）宣布，美國國防高級研究計劃局（DARPA）近日授予該公司一項合同，為高能液體激光防御系統（HELLADS）項目開發一套完整的激光武器演示系統（DLWS）。此前該公司根據合同成功開發并測試了HELLADS武器相關設備［10］。

HELLADS激光器理論是在電子激光器基礎上采用了創新的方法，將高存儲密度的固態激光器與液體激光器的熱散發能力結合在一起。HELLADS項目旨在演示一臺150kW的激光武器，該武器重量低于907kg（2000磅），可以安裝在小型的巡邏艦、戰斗機、偵察機、裝甲戰車、無人機等軍事平臺上。除激光器以外，GA-ASI公司去年還完成了電源樣機和散熱系統，為該武器系統提供相應的配套支撐技術。

這份最新合同標志著HELLADS項目進入第四個階段。DLWS將包括一個150kW的激光器，具有集成電源和熱管理系統，提供了一種小型激光武器系統。美國軍方計劃2013全年在新墨西哥州白沙導彈靶場用DLWS對各種目標進行實彈射擊演習。美國軍方目前還計劃在白沙導彈靶場完成地面測試后，將DLWS集成到B-1B飛機上。

4 發展分析

激光反導技術的發展趨勢：一是發展多種激光材料；二是多波長；三是向大功率化發展；四是向小型／微型化發展［11］。

1）多種激光材料。有多種激光材料可用二極管泵浦，它們的吸收譜分別與各種激光二極管的峰值發射波長很好地匹配，除了傳統的激光介質YAG、YLF外，還有高增益的YVO4，可調諧的Ti：Al2O3、Cr：LiCAF、Cr：LiSGAF、等，激活離子除傳統的Nd離子外，還有Yb、Er、Tm、Ho離子、可調諧的Cr、Ti等多種離子。

2）多波長。不同的應用需求牽引人們去探索輸出不同波長的激光器件。除探索多種激光晶體外，實現多波長的另外手段是彩可調諧激光器。目前輸出的3～5μm波長范圍的激光器，在紅外對抗上有明確的應用需求，而光學參量振蕩器（OPO）是最有希望的候選者。

周期性極化非線性晶體是人工調制相匹配的新型非線性材料，它可選用的有效非線性率比普通非線性材料大20倍，通過調節溫度或移動具有多種疇長度的晶體便可進行輸出波長的調諧。例如，美國彩周期極化鈮酸鋰（PPLN）的腔內OPO，輸出波長1.5～5.0μm，功率達6W。美國TRW公司的“三軍通用中紅外Ⅱ型激光器”，是二極管泵浦Nd：YAG激光器，使用光學諧振腔組來實現中紅外波長（3.7～4.9μm）輸出，輸出功率20W，脈沖重復頻率20kHz，光束質量極好。俄羅斯研制的YSGG：Cr、Yb、Ho激光器晶體，其激光波長在2.84～3.05μm之間連續可調，可獲得15～20mJ脈沖激光輸出。

3）向大功率化發展。DPSSL可成為單脈沖輸出最大能量的激光器，例如，美國、法國和日本等國家正設計新一代巨型激光器熱核聚變固體激光驅動器，這種激光器將產生每脈沖兆焦耳輸出。目前DPSSL在1.06μm處脈沖能量高達每脈沖10J，光束質量為1.25倍衍射限，重復頻率33Hz。

4）向小型／微型化發展。由于二極管泵浦與傳統的閃光燈泵浦特性有很大差別，耦合方式有直接耦合、光纖耦合、微透鏡及透鏡通道耦合、微透鏡光學系統耦合等；二極管泵浦的固體激光器，往往激光介質本身還同時充當調制器件或非線性器件待其它功能，或者調制器件、非線性器件與激光介質緊貼在一起并完成腔的某個元件的功能。這樣，腔結構簡單、可靠、多功能、小型／微型的器件可輸出高功率；另一方面，二極管泵浦波長可與激光模式很好地匹配、小型／微型結構具有固有的單模、單頻犄性、頻率穩定性高，振幅噪聲低，它們成為許多傳感測量應用的理想光源。例如，在激光軟殺傷武器方面，發展反光電傳感器大功率武器系統，可以對衛星光電傳感器進行干擾、致盲，發展機載激光干擾系統，采用小型化激光器件，干擾破壞尋的導引頭；戰術激光武器系統方面，向著小型機動化、組合化方向發展，將光電／雷達偵察、火控組合使用，可以對來襲飛機、巡航導彈、再入段的彈道導彈進行硬摧毀，對機載光電觀瞄器材、導彈光電導引頭實施遠距離致盲／摧毀。

5 結語

隨著高亮度泵浦源、高增益的激光介質、具有大非線性常數的晶體的發展，出現了結構更加緊湊、體積更小、輸出功率更高、光束質量更好、波長范圍覆蓋從紫外到紅外的小型、微型的激光器。激光反導技術將更加成熟，在未來現代化戰爭或局部戰爭中，適時運用激光武器進行激光反導，將有效地保護自身目標的安全［12］。

［1］柯常軍，萬重怡.紅外光電探測器的激光損傷分析［J］.光學技術，2002，28（2）：118～122

［2］張卯瑞，孫勇，段廣仁.多目標激光反導決策的動態置換算法［J］.江南大學學報（自然科學版），2010（4）：385～389

［3］印度研制激光反導系統［N］.每日防務快訊，2010-09-01

［4］美國實施CIRCM直升機激光反導系統項目［N］.每日防務快訊，2010-11-18

［5］美國海軍潛在的反導激光器成功試驗［N］.每日防務快訊 ，2011-03-11

［6］諾·格公司測試“保衛者”反導系統［N］.每日防務快訊 ，2011-07-25

［7］波音公司尋求繼續利用機載激光試驗臺進行定向能武器技術研究試驗［N］.每日防務快訊，2011-03-17

［8］Cassidian公司將開發應對近海激光威脅的新技術［N］.每日防務快訊，2011-06-09

［9］雷聲公司完成“靜眼”激光轉塔組件試驗［N］.每日防務快訊，2011-06-28

［10］美國防高級研究計劃局開發高能液體激光防御系統的激光武器演示系統［N］.每日防務快訊，2011-07-25

［11］宋亞萍，劉莉萍.激光反導與導彈反激光措施綜述［J］.激光與紅外，2008（10）：967～970

［12］葉文，葉本志，宦克為，等.機載激光反導武器的發展［J］.激光與紅外，2011（5）：481～486