激光技術在海軍裝備中的應用與發展＊

王大海 徐大偉

（1.海軍駐大連地區軍事代表室 大連 116021）（2.海軍駐錦州地區軍事代表室 錦州 121000）

1 引言

激光的特點主要包括：定向發光、亮度極高、相干性好。1）定向發光。激光器發射的激光，是朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。2）亮度極高。例如，紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。激光亮度極高的主要原因是定向發光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。3）相干性好。激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區的光強分布會出現穩定的強弱相間現象。這種現象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，稱為非相干光。目前，激光技術在海軍裝備中得到了廣泛的應用與發展，本文就激光技術的應用、發展動向、發展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 激光技術的應用

激光技術在海軍裝備中的應用，主要包括：激光對潛通信、激光探潛／探水雷、激光測深、激光水下傳感裝置、激光隱身、激光告警、激光干擾、激光反導等［2］。

1）激光對潛通信。激光的工作波段是海洋中光傳播的窗口，采用激光通信，就可能與全球海洋中活動的潛艇建立起通信通道。這樣，通信時，潛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殼體上的接收器抄收報文，絲毫不影響潛艇的活動，也不會暴露目標。另外，利用激光通信還具有高數據傳輸率、優良的保密性、抗干擾性和雙工通信的能力。

2）激光探潛／探水雷。隨著潛艇的航速增加、“寂靜”潛艇的出現、消磁技術及無磁性艇殼材料的采用、各種聲對抗武器的裝備，使潛艇的隱蔽性與機動能力進一步增強。另外，冷戰結束后，隨著海軍的戰略任務從深海對抗轉變為在有潛在敵意的沿海水域保持軍事部署，水雷戰和反水雷戰就愈發重要起來。為對付潛艇的日益嚴重的威脅以及解決水雷探測難題，各國海軍更加重視研究新的水下目標探測手段。例如，美國海軍陸戰隊的 ML（A）型激光探測系統可裝在戰斗機、直升機以及無人駕駛飛機上，探測潛艇和水雷達等目標；俄羅斯在圖95“熊Ⅳ”型轟炸機的頭部安裝了激光潛艇探測系統，以搜索沿海潛艇、小型潛艇和水雷等。

3）激光測深。以飛機為平臺的機載激光測深系統不僅可用于測深，繪制海底地貌圖，還可應用于新的海洋學研究，如：內波探測、海洋生物變化、污染監視，也可用于海軍陸戰隊對作戰島礁周圍海域地理環境態勢測繪。

4）激光水下傳感裝置。傳感器是水下目標，如潛艇、水下機器人的耳目，要及時發現、準確識別水下威脅目標就必須裝備先進的傳感裝置。利用激光水下傳感裝置，可獲得比其它水下傳感器更高的識別精度和定位能力。例如，在潛艇上裝備激光水下傳感裝置，可使潛艇像使用雷達一樣，利用高能藍綠激光，穿透深層幽暗的海水，尋找和發現目標，并可對目標進行跟蹤和制導魚雷攻擊。

5）激光隱身。為了提高艦艇的生存能力，就必須要降低艦艇的被探測、發現和摧毀的概率。而激光隱身就是要降低目標的激光反射截面，與此有關的是目標的反射系數，相對于激光束橫截面區的有效目標區。其隱身的關鍵技術主要包括：

·采用外形技術以消除可產生角反射器效應的外形組合；

·通過吸收材料吸收照射在目標上的激光；

·采用光致變色材料，使入射激光穿透或反射后變成為另一波長的激光；

·改變反射激光回波的偏振度，從而達到減少目標反射回波的目的；

·利用激光的散斑效應，來達到艦艇隱身的目的。

6）激光告警。激光告警就是探測敵方入侵激光，實時向指揮中心報警，提供入侵激光有關數據，包括光源方位、波長、能量、脈沖頻率等參數，為實施激光對抗提供保證。例如，美國AIL系統公司研制的HALWR測量激光威脅源的精度接近Lmrad（0.06°），可以支撐火炮或激光武器組成的半自動火力來對抗威脅目標。美國研制的AN／AVR－2相干型告警器，現已廣泛裝備美軍的水面艦艇和直升機。俄羅斯研制的艦載Spektr－F激光告警系統，這種告警系統方位覆蓋360°，俯仰為－15°～＋75°，該系統能對付嚴重的背景干擾，單脈沖截獲概率為95%，最大探測距離達20～25km。該系統可對艦艇任一邊的4個威脅源同時進行告警，每一威脅源的方位和俯仰分辨精度為±5°。

7）激光干擾。用激光束干擾或損傷瞄準鏡、微光夜視儀、紅外成像儀、激光測距機和激光目標指示器等，甚至可直接破壞激光制導和電視、紅外制導反艦導彈的導引頭。

8）激光反導。發射高能激光束可以攻擊／攔擊目標，并能迅速變換射擊對象，靈活地對付多個目標。

3 發展動向

1）泰利斯公司推出可快速部署光纖激光水聽器。法國《航宇防務》2012年2月1日報道：泰利斯澳大利亞公司在悉尼主辦的2012太平洋國際海事博覽會上推出了一種用于水下監聽的新型光纖激光傳感器（FLS）［3］。

這種光纖激光傳感器是新一代水下監聽陣列，具有重量輕、外形細長、效費比高的特點，可由硬式橡皮艇投放，快速部署到海床上，迅速獲得水下監聽能力。這項技術可用于邊境保護、海港防御、部隊防護、海底地震監測等領域。

光電水聽器可將水下的聲音信號轉化為光信號。這種光纖激光傳感器安裝在水聽器的光纖玻璃中，當水聽器接收到船只或潛艇發出的水下噪聲時，傳感器形狀會發生改變，聲音信號由此轉化為光信號并通過光纖進行傳輸，處理器對光信號進行還原并將信息提供給操作人員。處理器會根據眾多水下傳感器捕獲的信號判斷出水下噪聲源的方位、類型等信息，例如螺旋槳的數量、槳葉的數目、目標航向等。由于光信號具有傳輸損耗低的特點，這種光纖激光傳感器可綿延數公里之長。

2）諾斯羅普·格魯門公司展示針對反艦巡航導彈的軍用固態激光器。諾斯羅普·格魯曼公司網站2012年5月2日報道：諾斯羅普·格魯曼公司近日展示了其首個下一代高能固態FIRESTRIKE激光器產品，以滿足尺寸和重量以及堅固耐用的需求。測試表明，這種激光可以使反艦巡航靶彈的外殼和關鍵部件燃燒［4］。

該激光稱為伽瑪（Gamma），使用“板”式架構，類似諾斯羅普·格魯門公司以前的高功率激光器。其功率為13.3×104kW，連續發射時間超過1.5h，性能穩定，光束質量超過了設計目標，完成了初步試驗。

伽馬的性能相當于或超過了以往板式激光器，但真正的進步是在軍用平臺應用中的包裝和固化。這里的“板式激光器”指具有增益介質，或有原子光源的高功率固態激光器，板的大小約為一個顯微鏡載片。

伽瑪的設計目標之一是減少FIRESTRIKE激光器的體積和重量。成品激光器的重量減少到227kg（500磅），體積收縮到0.58m×1m×0.3m，大小約為兩個微波爐。

伽馬激光器減少了內部光學元件的數量，同時，新的安裝技術消除了振動敏感性。伽瑪激光器的關鍵部件已經過了振動、沖擊和熱測試，達到了設計目標。

伽瑪可與其他構件結合，形成更大功率的激光系統，如諾斯羅普·格魯門公司的105kW聯合高功率固體激光器。這種特點意味著它們可以保持良好的光束質量，或將能量集中在遠距離上。“伽瑪激光器測試的光束質量指標為1.4，超過了1.5的設計目標。諾斯羅普·格魯曼公司還在繼續努力改進，因為完美的光束質量為1。由于光束質量好，13.3kW伽瑪激光器的亮度也高于設計目標，這意味著它可以遠距離集中更多的能量。

殺傷力測試用了一個短距離伽瑪鏈，以此來模擬一艘海軍艦艇上幾個鏈的激光武器能量能達到幾英里，結果證實激光產生的能量達到了預期目標。反艦巡航靶彈的測試組件包括BQM－74靶彈的外殼和其他代表關鍵內部元件的部件。

諾斯羅普·格魯門公司2008年宣稱，以FIRESTRIKE激光器為骨干的近距激光武器系統結合了先進的光電和／或紅外傳感器，可用于主動防御，進攻性精確打擊和增強態勢感知能力等軍事用途。

3）加拿大海軍應用新技術來對付激光的威脅。美國《今日海軍》網2012年5月31日報道：Cassidian作為EADS的國防和安全事業部，正在開發創新的解決方案，以保護加拿大海軍艦艇對付基于激光的不對稱威脅。被命名為“激光光學對抗和威脅環境下的警戒”（LOCATES）系統，是加拿大國防研究與發展部（DRDC）以2011年在 Québec（魁北克）授予Cassidian一份合同基礎上，應用新技術，檢測和對付激光威脅（如港口和沿海水域的激光制導導彈）的系統［5］。

現在，該系統已經取得了關鍵設計評審，下一步將進行硬件開發和演示系統的整合，計劃在2012年7月至2013年下半年進行實地測試。

該計劃目的是對付廣泛分布且易于操作的激光測距儀，激光指示器和激光制導武器的威脅，目前的海軍艦艇對付特別是在沿海環境的攻擊，檢測難度很大，因此沒有足夠的預警時間。

因此，LOCATES系統的目的是開發一種將可靠的激光對抗系統與探測和跟蹤能力相結合的系統。Cassidian和加拿大國防研究與發展部之間的密切合作，該計劃將充分利用這兩個部門在研發基于激光的自衛系統的經驗。

Cassidian加拿大分部的銷售主管雅克·西蒙“說，“隨著全球范圍的海軍面臨的威脅不斷演變的情況下，加拿大海軍需要尖端技術來探測和防御不對稱威脅的船只。因此，Cassidian將繼續保持與加拿大國防研究與發展部的長期合作，并利用我們的技術優勢和專業知識，開發未來的激光探測及創新方案。我們兩家合作開發的技術將不僅滿足加拿大海軍的瀕海要求，而且適應于世界各地的盟國海軍。”Cassidian開發的激光報警裝置已在多個北約國家的船舶，飛機和陸地車輛上應用，其MILDS導彈發射探測系統售出8000多臺，它是全球范圍內寬幅飛機和直升機標準的導彈預警配置。

4）海軍用于水面、空中和導彈防御的艦載激光器。法國《航宇防務》網站2012年7月5日報道：目前，美國國防部（DoD）持續幾十年的軍用高能激光器的研發工作已經取得一定成果，所研制的激光器可應對1km范圍內的某些水面和空中目標，并能在未來幾年部署海軍水艦艇。之后幾年，將有更強大的艦載激光器供水面艦艇使用，其作用范圍可達10km。這種更強大的激光器除了其他優勢之外，可為海軍水面艦艇提供終端防御能力，抵抗某些彈道導彈，包括中國的新型反艦彈道導彈（ASBM）［6］。

海軍和國防部已經完成了三種基本類型的用于海軍水面艦艇的棗纖維固態激光器（SSL）、板纖維固態激光器和自由電子激光器（FEL）。海軍開發的纖維固態激光器演示樣機是激光武器系統（LaWS）；另一個纖維固態激光器是戰術激光系統（TLS）。在國防部的軍用板纖維激光器的多項開發工作中，有一種激光武器樣機是用于快速演示項目的海上激光演示系統（MLD）。海軍已經開發出一種低功率纖維固態激光器，目前正在研制功率比例增大的樣機。這些激光器在作為艦載武器時可發揮不同作用。

雖然海軍正在開發用于艦載激光器的激光技術和樣機，并對艦載激光器有廣泛的愿景，但目前海軍并無任何生產激光器的立項項目或在特定水面艦艇上安裝激光器的日程安排。海軍水面艦艇在未來幾年裝備激光器的可能性為國會提出一系列潛在問題，其中包括：

·海軍是否應該立即行動，立項采辦艦載激光器生產方案，并確定在特定水面艦艇上安裝激光器的日程安排；

·在給定的資金限制和現有激光器類型的價值的基礎上，應該繼續研發多少個類型的激光器；

·對海軍艦載激光器設計和采辦的潛在意義，包括海軍計劃在2016財年采辦的Flight III型DDG－51驅逐艦。

國會在過去幾年已經為幫助和支持海軍艦載激光器的開發提供一定的額外資金。在接下來的2013財年，國會在艦載激光器方面面臨幾種抉擇。除了決定是否繼續為艦載激光器開發提供資金之外，國會至少還要決定以下幾點：

·鼓勵或指導海軍或其它國防部組織，通過比較激光器和傳統動能武器（如導彈和火炮）在對抗水面、空中和導彈目標的效費比，完成選擇分析（AOA）；

·鼓勵或指導海軍采用立項采辦艦載激光器生產方案，確定在特定水面艦艇上安裝激光器的日程安排。

5）BLUEVIEW技術公司為美國海軍研制激光聲納系統。美國《軍事與航空航天電子學》2012年7月27日報道：美國海軍研究人員向BLUEVIEW技術公司的3維成像聲納專家尋求幫助，為無人水下航行器（UUVs）開發一種低功耗450千赫干涉型纖維激光傳感器（FLS）系統。為此，海軍研究局官員本月授予BLUEVIEW公司一份價值150萬美元的合同［7］。

BLUEVIEW公司的研究方向包括高分辨率水下聲學成像和測量，以及用于水下導航、監視、勘測和偵察的儀器。其傳感器可用于無人水下航行器、遠程操控航行器、水面艦、固定位置和可攜帶平臺。目前，已安裝BLUEVIEW公司的水下聲學成像傳感器的平臺包括奎奈蒂克公司的CTalon水下爬行機器人；鯊魚科技公司的潛水導航手持系統；ECA機器人公司的阿利斯特無人水下航行器等。

6）海軍邀請工業部門建造艦載固態激光武器。美國《軍事與航空航天電子學》網站2012年8月報道：美國海軍研究人員將立項開發并演示艦載高能量固態激光武器樣機，該武器可用于區域和近戰自防御、作戰識別、監視、通信和作戰管理［8］。

海軍研究局（ONR）已發布跨部門公告（BAA），征求用于海軍水面戰艦，尤其可能是“阿利·伯克”級近海戰斗艦（LCS）的固態激光武器的快速開發和樣機設計。

海軍激光武器項目細節將在ONR BAA 12－019中給出，該項目由ONR海軍航空和武器部（ONR 35）和海軍海上系統司令部（NAVSEA）定向能和電子武器系統項目辦公室（PMS405）資助。

該項目旨在演示移動艦船艦載激光武器的技術成熟度，該武器系統是否能夠服從艦船的功率和制冷能力的限制，是否能在海上與敵艦和敵機進行對抗，是否能與艦船的作戰控制和支援系統連接。在安裝之前，該樣機需要在非作戰艦船上進行海上測試，以保證技術成熟度。除了武器本身之外，還需要開發相關的武器分系統和艦船接口樣機。

海軍研究人員意圖利用模塊化開放式系統體系結構進行技術演示，并采用開放式系統標準，以便能對多家供應商開放。分系統可以由不同廠商并行開發，且在激光武器樣機測試時通用。

7）ITT Exelis公司為美國海軍開發激光通信技術。法國《航宇防務》報道：ITT Exelis公司與合作伙伴創新技術方案公司（Innovative Technical Solutions，NOVASOL）獲得了美國海軍及海軍陸戰隊一份價值700萬美元的合同，將為其開發一種激光通信系統［9］。

該項目由美國海軍研究辦公室和海軍研究實驗室牽頭，兩家公司將合作開發一種用于艦－艦、艦－岸和地－地通信任務的高帶寬視距激光通信系統。按照合同，ITT公司負責系統工程、產品開發和生產，創新技術方案公司負責激光通信技術的設計和開發。下一步目標是開發可用于機動作戰和特種作戰的戰術激光通信網絡。

隨著情報、監視與偵察任務變得越來越復雜，要求數據交換量更大，速度更快。能夠及時為決策人員和作戰人員提供ISR數據將決定任務成敗。據ITT Exelis公司介紹，當前的作戰任務需要實時傳輸海量數據，傳輸速度超過了每秒三千兆字節。激光通信技術與傳統的射頻傳輸不同，不存在占用通信帶寬的問題，就如同在交通高峰期間享有專用車道，能夠滿足當前的海量數據傳輸需求。

在過去8年中，兩家公司與海軍研究辦公室和海軍研究實驗室密切合作，逐步實現了高效費比、高可靠性激光通信技術。該團隊在野外環境下，利用一套模擬海軍陸戰隊通信網絡演示了激光通信的近距離和遠距離數據傳輸。此外，該團隊還參加了海軍的演習，提高了激光通信系統在惡劣天氣條件下的數據收發距離。

8）MBDA公司高能激光武器輸出功率達到40kW。法國《航宇防務》2012年9月13日報道：近日，MBDA德國分公司對一種高能激光武器演示樣機進行了發射試驗，其輸出功率達到了40kW，創造了光纖激光器光束合成功率的世界記錄［10］。

在試驗中，MBDA公司使用這種高能激光武器跟蹤目標并進行了發射，演示了系統在幾秒鐘內燒穿迫擊炮彈外殼的能力，并在幾秒鐘內使用40kW光束燒穿了40mm厚的鋼板。在前幾次試驗中已經演示過的目標跟蹤能力也在本次試驗中成功進行了重現。試驗證明，MBDA公司的高能激光武器演示樣機可將多個光纖激光器的輸出光束精確、低損耗地合成在一起，且合成光束具有較高的光束質量，能夠快速、可靠地摧毀目標。

據MBDA公司介紹，高能激光武器能夠精確命中遠距離目標，具有使用成本低、附帶毀傷小的特點，能夠在作戰任務過程中應對傳統和非對稱威脅，為部隊提供防護。該公司自2008年起開始對這種激光武器進行試驗。2011年，系統在確保高光束質量的前提下實現了10kW的輸出功率。2012年9月和10月間，MBDA公司將繼續對系統進行進一步測試，并首次完成高能激光武器從探測空中目標到將其摧毀的整個作戰流程，試驗地點是WTD 52靶場。

4 發展分析

激光技術在海軍裝備中的發展趨勢：新型高能激器、通用化激光器、自由電子激光器［11］。

1）新型高能激器。新型高能激光器主要有固體（熱容）激光器、電化學氧碘激光器以及光纖激光器等。固體熱容激光器主要采用具有一定熱容量的固體激光介質，使激射時間和冷卻時間分開，緩解了熱管理問題。閃光燈抽運的固體熱容激光器功率已達萬瓦以上，二極管抽運固體熱容激光器也能夠在1s內產生30kW的平均功率。電化學氧碘激光器主要通過電化學過程解決了普通氧碘化學激光器的燃料重復使用問題，使其體積和重量大大降低。

2）通用化激光器。隨著緊湊型化學激光器技術和新型節能高能激光技術的發展，可逐步實現激光武器系統的緊湊化和多種戰術平臺的通用化。例如，開發高光束質量的150kW輕量激光器，其質量功率比小于5kg／kW。還可以將高功率固體激光器和半導體激光器作為今后戰術高能激光武器發展的重點，并同時向小型運輸機和戰斗機、艦船以及地面車輛等平臺上推廣，使其成為三軍通用裝備。

3）自由電子激光器。自由電子激光器的寬范圍選擇波長的能力是固體激光器或化學激光器難以達到的。它不僅在軍事上成為公認的海上高能激光武器系統的最合理候選激光器，而且在其他方面如工業和科學研究領域也有廣泛的應用。

5 結語

隨著新型高能激器、通用化激光器、自由電子激光器的不斷研制和開發，其激光技術在海軍裝備中的應用就越來越廣泛，在未來現代化戰爭和局部海戰中，適時運用激光技術進行水下探測，空中告警、激光反導，就能夠有效的保護自身目標和水面艦艇的安全［14］。

［1］江寧，激光技術在海軍中的應用［J］.現代軍事，2002（06）.

［2］張江華，激光在現代軍事中的應用［J］.中國高新技術企業，2008（20）：86－88.

［3］泰利斯公司推出可快速部署光纖激光水聽器［J］.每日防務快訊，2012，2（6）.

［4］諾斯羅普·格魯門公司展示針對反艦巡航導彈的軍用固態激光器［J］.每日防務快訊，2012，5（8）.

［5］加拿大海軍應用新技術來對付激光的威脅［J］.每日防務快訊，2012，6（8）.

［6］海軍用于水面、空中和導彈防御的艦載激光器［J］.每日防務快訊，2012，7（16）.

［7］BLUEVIEW技術公司為美國海軍研制激光聲納系統［J］.每日防務快訊，2012，8（3）.

［8］海軍邀請工業部門建造艦載固態激光武器［J］.每日防務快訊，2012，8（30）.

［9］ITT Exelis公司為美國海軍開發激光通信技術［J］.每日防務快訊，2012，9（17）.

［10］MBDA公司高能激光武器輸出功率達到40kW［J］.每日防務快訊，2012，9（19）.

［11］任國光，自由電子激光器為廣泛應用開啟大門［J］.激光與光電子學進展，2005（1）.

［12］李旭東，陳冬，程鵬.二次散射對脈沖激光雷達回波功率的影響［J］.計算機與數字工程，2012（1）.

［13］高黎明，樂晉.基于以太網絡接口的激光陀螺信號處理電路設計［J］.計算機與數字工程，2011（2）.

［14］馮寒亮，韓鋒，張平，美國海軍艦載高能激光武器［J］.激光與光電子學進展，2006（7）.