激光防御低慢小目標的關鍵技術分析

韓曉飛，蒙 文，李云霞，李大為

（空軍工程大學信息與導航學院，陜西西安710077）

激光防御低慢小目標的關鍵技術分析

韓曉飛，蒙 文，李云霞，李大為

（空軍工程大學信息與導航學院，陜西西安710077）

隨著低慢小目標的廣泛使用，低慢小目標防御成為空防安保的一項重要任務。通過研究低慢小目標的特性，闡述了激光防御低慢小目標的優(yōu)勢，并從目標探測、激光武器系統(tǒng)、系統(tǒng)組網三方面分析了激光防御低慢小目標的關鍵技術，指出了各項技術中存在的主要問題，明確了低慢小目標防御的發(fā)展方向。

低慢小；目標探測；跟蹤瞄準；激光毀傷；系統(tǒng)組網

1 引 言

“低慢小”目標是指具有低空、超低空飛行，飛行速度小，不容易被偵測發(fā)現等部分特征或全部特征的小型航空器和空飄物。主要包括輕型和超輕型飛機、輕型直升機、滑翔機、三角翼、動力三角翼、動力傘、滑翔傘、熱氣球、飛艇、無人機、航空模型、航天模型、空飄氣球、系留氣球等十余種［1］。它們成本低廉、操控簡單、攜行方便、容易獲取，并且升空突然性強、發(fā)現處置困難，容易被作為運載爆炸物品、投放生化毒劑、散播傳單的工具，嚴重威脅重大活動、重點區(qū)域的安全保障工作［2］。由于常規(guī)武器裝備通常有其局限性，無法對其實施有效防御，防范處置低慢小目標的干擾破壞，成為重大活動安保的難題之一。因此，發(fā)展新型武器裝備對低慢小目標防御具有重要意義。

2 低慢小目標威脅及防御措施

2.1 低慢小目標的主要威脅

低慢小目標的用途十分廣泛，其威脅主要有以下幾個方面［3］：

（1）對重要地區(qū)、部位以及裝備的低空偵察、監(jiān)視的威脅。低慢小目標可以用于低空、超低空偵察，極高的隱蔽性和機動靈活性是其進行偵察的有利條件，對國家信息安全造成很大的威脅。

（2）利用“機海戰(zhàn)術”、隱身突防等戰(zhàn)術進行火力突襲。低慢小目標造價低、使用和保障成本低，這使得低慢小目標的大批量使用能夠得以實現，對地面重要目標和防空系統(tǒng)構成嚴重的火力威脅。

（3）為突擊火力進行目標指引或誘導防空火力提前暴露。低慢小航空器材的低成本性，很容易將其改裝成為誘餌，對自身信號進行擴大或者模擬作戰(zhàn)飛機的信號，給地面防空系統(tǒng)造成嚴重的信息污染和過量負荷，引誘地面目標暴露，增加彈藥消耗，或協同其他電子偵察設備進行火力誘騙。

（4）低慢小目標擅自飛行會對空中航線造成干擾。近年來擁有低慢小飛行器的個人和團隊越來越多，由于這些飛行器飛行高度低、速度慢、目標小，一旦擅自組織飛行，航管部門難以及時有效為其提供空域保障，極易發(fā)生誤闖、誤入軍、民航飛行區(qū)域的事件，危害空域安全。

2.2 低慢小目標的處置方法

目前對低慢小型航空器材處置的主要方法：

（1）采用常規(guī)低空防御武器裝備進行攔截、摧毀，如低空防空導彈，高射炮等。此種方法存在明顯不足：第一，對這類來歷不明的飛行物，使用現有地空導彈、高炮等武器實施攔截、摧毀，由于目標距離近，周圍環(huán)境復雜，難免會傷及城市建筑及人群；第二，運用導彈、高炮等武器系統(tǒng)對付這類小目標成本過高，且效率低下；第三，這類飛行目標通常出現突然，飛行高度較低，導彈、高炮等武器系統(tǒng)難以在較短時間內實施有效防衛(wèi)。

（2）對其進行管制，對安全保障區(qū)域附近的飛行器材進行登記、封存，甚至禁止一切低慢小飛行器升空。此方法缺少有效處置突發(fā)的來歷不明的低慢小目標的武器裝備。

（3）直升機空中攔截、電子干擾、網捕捉等方式。這些方法存在攔截效率低，干擾效果不佳，作用距離近等不足，也不能有效解決低慢小目標的防御問題。

2.3 激光防御低慢小目標的優(yōu)點

隨著激光技術的發(fā)展，激光武器得到了許多國家的大力發(fā)展，技術日趨成熟。激光防御低慢小目標具有其他常規(guī)武器不可比擬的優(yōu)勢：

（1）速度快，精度高。激光束從發(fā)射到達其目標所用時間極短，非常適合應對現有防空兵器難以對付的突然出現的近距離目標。

（2）兼?zhèn)滠洑陀矚芰Α？梢灾旅さ吐∧繕松系膫鞲衅鳎蛊洳荒苷９ぷ鳎灰部梢云茐钠錃んw結構，直接將其摧毀。

（3）摧堅能力強。能擊穿和熔化各種金屬和非金屬材料。

（4）作戰(zhàn)效費比高。激光武器每次發(fā)射成本只有幾百美元，而現有的防空導彈都很昂貴。

（5）對一個目標可以進行多次攔截。通過多次攔截可顯著提高目標攔截概率。

因此，采用激光防衛(wèi)系統(tǒng)是一種理想的低慢小目標防御策略。

3 激光防御低慢小目標的關鍵技術

激光防御低慢小目標的關鍵技術主要包括三方面：①低慢小目標探測技術；②激光武器技術；③系統(tǒng)組網技術。

3.1 目標探測技術

低慢小目標突出表現為發(fā)現難、跟蹤難、處置難。處置的前提是及時發(fā)現、連續(xù)跟蹤。由于在人口密度大、建筑物密度高的政治、經濟中心地區(qū)，商用居住建筑物林立，電磁環(huán)境、氣象環(huán)境、交通環(huán)境復雜，雷達等設備無法覆蓋，低慢小目探測技術成為激光防御的關鍵技術之一。

目前針對低慢小目標采用的探測技術主要包括：可見光、紅外熱成像相結合的光電搜索跟蹤技術、無線電信號探測技術、低空探測雷達等。這些技術在發(fā)現距離、靈敏度、能效范圍、抗惡劣氣候能力、多目標同時跟蹤能力等方面各有優(yōu)劣。

3.1.1 雷達探測［4］

由于低慢小目標的雷達反射面積非常小，加之其飛行速度慢，其造成的多普勒效應也不明顯，所以傳統(tǒng)雷達對低慢小目標的探測效果并不好，存在低空探測盲區(qū)大，回波小且弱，容易與氣象干擾、雜波干擾或鳥群相混淆等缺點。考慮到地面防空雷達存在以上缺點，對于低空目標的探測多用氣球載雷達探測方式。氣球載雷達結構簡單、部署方便、利用率高，可大大提高探測“低慢小”目標的能力。

3.1.2 光學探測

相比雷達探測，光學探測可以利用可見光對目標進行探測，或利用目標的熱紅外反射進行探測，這使得光學探測比雷達清晰得多。用戶可直觀的看到目標，進行判別。但是在探測目標時，系統(tǒng)的帶寬比較窄，在跟蹤目標時，系統(tǒng)帶寬比較寬，且兩種情況下環(huán)路等效參數不同，加上跟蹤有擾動，跟蹤波門比較小，這使得在探測和跟蹤之間進行切換變得很復雜。

3.1.3 無線電信號探測技術

為達到隱蔽的目的，低慢小目標活動時一般保持無線電靜默，嚴格按預定方案執(zhí)行計劃。無線電信號探測不能對所有目標實現有效探測。

單一的探測方式無法高效準確的探測到目標，多方式探測協同的方式將是低慢小目標探測的發(fā)展趨勢。通過多種探測裝備協同，建立“一點發(fā)現，多維跟蹤”、多探測方式相結合的探測系統(tǒng)，可及時獲取目標位置、視頻圖像、操控無線電頻率等多種信息，大大提高低慢小的目標的發(fā)現幾率。在探測裝備數量較大的情況下，需要綜合考慮裝備的類型、探測距離、覆蓋范圍、搜索速度以及針對不同現場環(huán)境的差異性（如晴天、白天，可見光裝備觀察效果優(yōu)于紅外裝備，而在雨霧天氣和晚間，紅外裝備觀察效果優(yōu)于可見光裝備），進行優(yōu)化目標跟蹤分配。其次，如何實現激光探測、紅外探測、可見光探測、外輻射源探測和聲探測系統(tǒng)的信息共享與信息融合［5］，也是多裝備協同探測的關鍵問題。

3.2 激光武器技術

激光武器的關鍵技術有：高能激光器技術；跟蹤、瞄準技術；大氣傳輸技術；激光毀傷技術等。

3.2.1 高能激光器技術

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夠在所要求的工作波長上有足夠高的輸出功率和足夠長的持續(xù)時間，光束質量好（光束發(fā)散度小），在大氣中具有較好的傳輸性能，能在目標上產生足夠高的功率密度等，因此尋找對靶材破壞能力強、適于大氣傳輸的高能激光器是高能激光武器的關鍵。現有的高能激光器系統(tǒng)有：氟化氫／氟化氘化學激光器、二氧化碳氣動激光器、氧碘化學激光器、極管泵浦固體激光器、激光二極管陣列、自由電子激光器等。其中化學激光器是迄今為止最成熟的激光武器技術［6］。

自由電子激光器（FEL）是一種新型激光器，它利用核加速器技術產生一種波長介于極短無線電波與可見光波之間的相干光束，將線性超導加速器與一種稱作“擺動器”的磁陣列結合在一起，以便為電子注入能量并發(fā)出激光。與其他各類激光器相比，自由電子激光器發(fā)出的激光具有輸出功率強，波長可調，可不受大氣干擾，效率高等特點，正受到越來越多國家的關注。目前美國海軍著重研究的自由電子激光器，理論上可通過增加平均電流來提高功率，功率有可能增至數兆瓦級。但自由電子激光器作為激光武器的激光器，真正達到實用階段，還有許多工作要做。

3.2.2 跟蹤瞄準技術

光束定向器是激光武器跟蹤瞄準的關鍵部件。它由發(fā)射系統(tǒng)和精密跟蹤瞄準系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)用于把激光束發(fā)射到遠場、并在目標上形成尺寸盡可能小的光斑，以便在目標上獲得較高的激光功率密度。跟蹤瞄準系統(tǒng)用于使發(fā)射望遠鏡始終跟蹤瞄準飛行中的低慢小目標，并使光斑始終鎖定在目標的某一固定部位，從而有效的摧毀或破壞來襲目標。以距離1 km，飛行速度30 m／s的低慢小目標為例，此時目標飛行角速度為30／1000＝0.03 rad／s，如果光斑的直徑為0.05 m，打擊目標的固定位置（探測器、機翼等），則要求厘米量級的瞄準精度，對應的角度精度應為10微弧度量級，這種要求比普通光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤角誤差要高出1個量級，滿足這種瞄準精度比較輕松，但對于光束定向器的跟蹤加速度和角加速度的要求相對比較高。因此，必須要研制高精度捕獲、跟蹤、瞄準系統(tǒng)才能滿足激光武器的需要。

減小光束定向器誤差，是提高跟蹤瞄準技術的主要途徑。光束定向器的跟蹤瞄準誤差的主要三類，一是抖動誤差，主要來源于光束定向器平臺的機械抖動，大氣湍流效應引起的光束抖動，低慢小目標的隨機運動等；二是噪聲誤差，主要來源于光學背景噪聲，控制電路噪聲以及量化誤差等；三是系統(tǒng)誤差，主要來源于系統(tǒng)有限的采樣頻率，這些誤差成為提高跟蹤精度的技術難點。

對于不同種類的誤差，采用不同方法減小或消除。對于第一類抖動誤差，如果隨機抖動的頻帶低于光束定向器的帶寬，這種誤差原則上是可以糾正的，如果隨機抖動的頻帶高于光束定向器的帶寬，這種誤差將成為最主要的誤差因素。對于第二類噪聲誤差，強信號噪聲可以忽略不計，對于弱信號噪聲（遠距離的目標信號就是弱信號），噪聲對信號的影響將變得十分嚴重，所以必須壓低噪聲水平提高光束定向器精度。對于第三類系統(tǒng)誤差，激光武器工作是采樣頻率越高，系統(tǒng)誤差好越小。系統(tǒng)采樣頻率受兩個因索制約，一是每幀圖像的處理時間，二是低慢小目標的輻射亮度，對暗目標必須延長采樣積分時間，這樣系統(tǒng)的工作頻率就會降低。目前解決暗目標問題，主要采用主動照明以提高目標物的輻射亮度。

目前美國在伺服控制系統(tǒng)的一些關鍵技術也值得我們借鑒，例如采用模式邏輯開關實施各階段的控制，即數字化控制電路；使用速率陀螺作為慣性速率回路，提高系統(tǒng)視軸的穩(wěn)定；使用快速控制反射鏡，消除抖動噪聲［7］。

3.2.3 大氣傳輸技術

激光在大氣中傳播時，要受到大氣分子吸收、氣溶膠散射與吸收、大氣湍流、熱暈和大氣擊穿五種主要的大氣作用。其中分子吸收、氣溶膠散射會導致光束功率密度隨距離增加逐漸衰減。大氣湍流和熱暈效應會導致光束散焦，使達到目標上的光斑尺寸變大。大氣擊穿可限制瞬時最小激光束強度［8－9］。當光束強度約為10 MW／cm2時，大氣中的灰塵和物質微粒就被電離，形成等離子體，這種等離子體可一直膨脹到阻塞整個光束。等離子體吸收了激光能量后，就會形成激光維持的燃燒波或爆震波，這就大大影響了激光的傳輸。這些大氣效應限制或降低了達到目標上的功率密度。

研究高能激光在大氣中的傳輸特性，減小大氣對激光傳輸帶來的負面影響，一直是激光武器的一個技術難點。對于大氣湍流和熱暈效應，可采用自適應光學技術予以抵消，也可以通過選擇適當的激光脈寬和重復頻率來緩解這種影響。對于大氣擊穿效應可采用低強度、高重復頻率的先行脈沖激光驅除光路上的氣溶膠質點，這樣可把擊穿閾值提高419倍。對這些大氣效應進行補償，可在一定程度上提高照射到目標上的激光功率密度，提高激光武器的作戰(zhàn)性能［10］。

3.2.4 激光武器毀傷技術

研制高能激光武器系統(tǒng)的主要目的是，在存在物理和戰(zhàn)術的限制下，以最小的技術代價，徹底摧毀目標。激光束的毀傷作用主要為熱作用破壞、力學破壞和輻射破壞。激光武器通過輻照目標使目標材料的特性和狀態(tài)發(fā)生變化，如溫升、膨脹、熔融、汽化、飛散、擊穿和破裂等，導致目標的某些部位受到暫時或永久性的損傷。當激光功率較小時，主要對目標搭載的光電系統(tǒng)進行致盲干擾，激光能量較高時，可對目標進行直接摧毀。

具有偵察、指引功能的低慢小目標通常配備有精密光學元件如瞄準鏡、夜視儀、紅外裝置、激光測距機以及目標指示器、光學引信等。碲鎘汞、硫化鉛、銻化銦等光電探測器的破壞閾值為102～3×104W／cm2。由于聚焦作用，探測器與調制盤等光學元件很容易損壞，再加上目標高度比較低，因此采用強激光致盲對低慢小目標所配備的各種精密光學元件進行致盲時，激光能量損失較小，只需很小的激光功率就可達到干擾、致盲光學元件的目的［11］。

對低慢小目標發(fā)射的激光束能量較高時，激光對光學元件以及目標材料的加熱，使其溫度迅速升高，出現熱飽和、熔化、汽化、熱形變等現象，形成熱燒蝕和熱應力破壞，對目標直接進行摧毀。熔點在1500℃左右的飛行器殼體金屬材料，在功率為2～3 MW的強激光輻照下只要在其表面某固定部位輻照3～5 s，就會被燒蝕熔融、汽化。低慢小目標通常體積小、質量輕，無法安裝很厚的結構材料以及大量的抗激光輻射材料，一旦被高能量密度的激光輻照，機體材料會被迅速破壞，從而失去平衡力，甚至直接燃燒墜毀。

低慢小目標的種類十分繁多，表1是強激光對一些常見的低慢小目標損傷的效能定義，對于不同類型的目標和不同大小的威脅能力，可以采取不同的損傷方式，從而取得最佳的打擊效果。

表1 幾種常見的低慢小目標激光損傷的效能定義

激光致盲傳感器或破壞傳感器組件相對比較容易，其能量破壞閾值為10 J／cm2量級。破壞其他部件，如光學設備、雷達天線罩、殼體的結構性破壞等，所需的能量密度較高，各種目標的能破壞閾值，與目標的材料、結構、強度、激光波長、光斑大小等密切相關。針對具體目標，用能量最節(jié)省的方式對目標進行最大限度破壞，是激光武器毀傷技術要研究解決的主要問題。

3.3 系統(tǒng)組網技術

如圖1所示，激光防御系統(tǒng)主要由目標探測識別系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、目標跟蹤瞄準系統(tǒng)以及激光武器系統(tǒng)組成。以此建立的體系結構，通過通信網絡實現以激光武器系統(tǒng)為核心目標探測識別系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)和激光武器系統(tǒng)之間的“無縫連接”。系統(tǒng)首先利用多探測器協同方式進行大空域、快速粗略搜索，探測發(fā)現到目標后，由激光、紅外及微波低空監(jiān)視等裝備對目標進行精確跟蹤瞄準，根據來襲目標的特性，依托通信基礎網和指揮控制系統(tǒng)，建設網絡化的通信保障體系和高效的指揮控制系統(tǒng)，快捷有效對威脅目標進行評估、決策以及向各個子系統(tǒng)傳達作戰(zhàn)指令。

圖1 激光防御系統(tǒng)結構框圖

單個激光防御系統(tǒng)能在一定區(qū)域內為地面防空系統(tǒng)提供火力支持，但火力有限、覆蓋面較小，不足以滿足應對低慢小目標飽和攻擊和一體化空中威脅的需要，因此需要多系統(tǒng)組網建設。構建網絡化防御體系，綜合集成各種防空作戰(zhàn)資源，實現防空體系內的各種作戰(zhàn)要素之間的信息共享與綜合運用，以形成一個體系配套、多系統(tǒng)協調的綜合的防御系統(tǒng)［12］。如何使系統(tǒng)結構能夠適應不同的作戰(zhàn)需求，使作戰(zhàn)具有更強的靈活性，更高的資源信息共享及互操作水平，實現不依賴某個特定的探測方式和指控中心的靈活作戰(zhàn)是系統(tǒng)組網的研究方向。

4 結束語

低慢小目標的威脅日益突出，低慢小目標的防御問題一直是世界各國共同面臨的難題，隨著激光武器裝備的發(fā)展日趨成熟，在未來適時運用激光武器，能夠及時、準確無誤地摧毀來襲目標，達到有效地保護自身目標的安全。發(fā)展激光防御系統(tǒng)已成為適應信息化、網絡化防空作戰(zhàn)的需要，多系統(tǒng)協同成為有效抗擊低慢小目標入侵的必要途徑。

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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

韓曉飛（1988－），男，碩士研究生，主要研究方向為激光空間信息技術。E-mail：hanxiaofei＿hxf＠163.com

2013-01-04；

2013-01-17