艦載激光武器攔截無人機技術指標分析*1

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艦載激光武器攔截無人機技術指標分析*1

徐國亮，趙書斌，王勇

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061)

摘要：鑒于美國海軍戰術無人機現狀及其對亞洲海域威脅日益嚴重，分析美德艦載激光武器研究情況，提出了艦載激光武器系統的組成及其主要關鍵技術。在確定激光武器相關技術參數基礎上，論證計算了激光武器攔截無人機在軟硬殺傷2種方式下的激光功率和作用距離，結果可為攔截無人機的艦載激光武器系統設計及使用提供技術支撐。

關鍵詞：激光武器系統;無人機;捕獲跟蹤瞄準

0引言

近年來，無人機逐漸成為現代戰場上不可或缺的武器平臺。無人機系統不僅可提供持久的情報、監視和偵察能力，還可提供精確及時的直接和間接火力，用于支援聯合作戰。作為重返亞太戰略的配套措施，美國會同日本、菲律賓、澳大利亞等國家地區秘密部署無人機偵察、窺視亞太地區，很可能會打破亞洲地區的軍事平衡。

如何有效攔截無人機或使其監視、偵察能力失效，已成為艦艇防空領域新課題。艦載常規防空武器主要有艦空導彈和防空艦炮2種，其主要使命是防空反導。使用價格昂貴的艦空導彈攔截小型無人機，不僅效費比低，而且有的艦空導彈并不具備攔截低空小型無人機目標的能力。相對而言，防空艦炮攔截無人機的效果會更好，但西方國家有的作戰艦艇已經不再裝備防空艦炮。而且這2種武器攔截目標均采用硬殺傷方式，容易引發軍事沖突。

與傳統防空武器相比，激光武器可能會成為攔截無人機的較好選擇。目前，國外一些激光武器已經通過演示試驗顯示出攔截無人機的能力。激光武器具有以下優點：

(1) 單次消耗成本低，作戰效費比高，尤其對付低成本小型無人機；

(2) 無需再裝填，不受彈藥數量的限制；

(3) 打擊目標速度快，能有效對抗突現的目標；

(4) 能實現超低空、全方位攔截；

(5) 復雜電磁環境下作戰能力強；

(6) 用途多樣，干擾、致盲和毀傷效果可控，附帶毀傷小。

本文探討了使用艦載激光武器攔截無人機存在的技術問題，并計算了其中的關鍵技術指標。

1美國海軍無人機及國外激光武器研究現狀

1.1美國海軍無人機現狀

從2000年以后，美國(海軍)投入巨資開發了多種類型的無人機系統，包括：廣域海洋監視(broad area maritime surveillance,BAMS)無人機、無人戰斗機驗證機(unmanned combat aircraft system-carrier demonstration,UCAS-D)、垂直起降戰術無人機(vertical takeoff/landing tactical unmanned aircraft system,VTUAS)、小型戰術無人機(small tactical unmanned aircraft system,STUAS)等。目前美海軍已經列裝的無人機有：RQ-2B“先鋒”、RQ-15“海王星”、MQ-8B/C“火力偵察兵”等；微小型無人機有：RQ-14龍眼/雨燕”、RQ-11“探路者大烏鴉”、黃蜂等[1-3]，其部分參數如表1所示。

1.2國外艦載激光武器研發現狀

在激光武器的研制方面，美國與德國一直走在世界前列[4-7]。當前發展的艦載激光武器均采用電激勵激光器，可用于或潛在應用于艦載激光武器的3種主要高能激光器包括：光纖固態激光器、板條固態激光器和自由電子激光器，它們目前處于不同的發展階段，都擁有各自獨特的應用潛力[7]。

美國雷聲公司應用成熟的商用高功率光纖激光技術，利用現有防空平臺(密集陣武器平臺)研發了LaWS(laser weapon system)激光武器系統，并于2010年7月在海上環境中成功擊落了4架無人機。

德國萊茵金屬公司利用其最新開發的50 kW高能激光武器驗證系統，在2012年11月完成了從目標探測、跟蹤到摧毀的全過程作戰演示[8]。系統在1 000 m距離上燒毀15 mm鋼梁，在2 000 m距離上擊落若干架飛行速度超過50 m/s的俯沖無人機。

2艦載激光武器系統組成及關鍵技術分析

2.1系統組成

艦載激光武器系統主要由3個分系統組成：高能激光器分系統、光束定向器分系統和跟瞄火控(acquisition,tracking,pointing & fire control system,ATP/FC)分系統[5]，如圖1所示。

(1) 高能激光器分系統：產生高質量高能激光束，提供毀傷能源。

(2) 光束定向器分系統：用于對目標捕獲、跟蹤、瞄準的傳感器及其伺服機構，將高能激光束經導光光路、光束變換擴展到發射望遠鏡并進行調焦、對準在目標選定點上。采用自適應光學技術實現光束穩定/凈化并進行自適應光學校正。

表1　美海軍主要列裝的無人機

(3) 跟瞄火控 (ATP/FC) 分系統： 提供目標引導信息，系統狀態監視、目標識別、目標威脅評估與分配、瞄準點選擇、高能激光發射指令與控制。使高能激光束精確、集中、穩定地擊中目標上的瞄準點，并做出毀傷效果評估等。

圖1　艦載激光武器系統組成及工作示意圖Fig.1　Shipboard laser weapon system components　　　and working diagram

2.2系統關鍵技術

2.2.1高精度跟瞄(捕獲、跟蹤、瞄準，ATP——acquisition,tracking,pointing)技術

跟蹤最初要有寬的視場才容易使目標進入跟蹤視場，但其跟蹤分辨力有限，探測精度不高。為解決視場與探測精度之間的矛盾，在實際的捕獲跟蹤瞄準系統中往往有幾個不同視場的跟蹤器，進行視場交接[9-10]，如圖2所示[5]。高精度跟瞄一般工作過程：

(1) 捕獲：用寬視場光電探測器搜索捕獲目標，做好跟蹤準備。

(2) 跟蹤：粗跟蹤采用中等視場望遠鏡。在目標捕獲信息引導下，轉動望遠鏡使目標進入視場。利用目標對視場中心的偏差量控制主機架繞方位和

俯仰軸運動，實現主孔徑視軸的閉環跟蹤控制，使目標落在粗跟蹤視場的中心。

(3) 瞄準：精跟蹤是用望遠鏡主孔徑接收目標光，具有窄視場，僅為粗跟蹤殘差的4～5倍。利用目標偏差量控制快速反射(或傾斜)鏡，執行精跟蹤閉環控制，使精跟蹤視軸與目標光軸一致。

2.2.2基于復合軸結構的高精度跟瞄體系技術

跟蹤瞄準機架有很多種形式，但從旋轉特點來看，基本可分為2類：旋轉機架和旋轉反射鏡。

(1) 旋轉機架：將望遠鏡安裝在萬向支架上。采用這種結構形式跟蹤、瞄準目標，都需要轉動整個機架。由于系統轉動慣量大，頻帶窄，響應慢，要達到高的動態精度是非常困難的，僅應用于中等精度的跟蹤或低速目標的跟蹤。

(2) 旋轉反射鏡系統：采用望遠鏡固定不動，控制反射鏡跟蹤目標。由于反射鏡較輕，頻帶寬，響應速度快，可應用于高精度跟蹤。但由于望遠鏡不能轉動，其跟蹤視場和范圍極其有限。

為克服二者的缺點，激光武器跟瞄系統可采用旋轉機架和反射鏡相結合的復合軸體系結構[11]。它是在主跟蹤架上安裝一個高低方位均可快速微調的反射鏡，用于控制發射和接收光軸的方向，常稱為快速傾斜鏡(fast steering mirror,FSM)。

艦載高精度跟瞄系統設計的出發點是目標運動、載體及跟瞄系統頻譜分析，并分別進行處理：

——主跟蹤架系統抑制目標的低頻運動，消除載體低頻運動(如艦艇搖擺運動等)；

——快速反射鏡系統抑制主跟蹤(粗跟蹤)系統的殘差及載體的中頻運動；

——隔震平臺抑制載體平臺造成的高頻運動(抖動或震動)。

圖2　激光武器系統多級跟蹤交接分解示意圖Fig.2　Functional decomposition of ATP & FC

2.2.3高幀頻、大目標圖像處理技術[9]

從圖像跟蹤處理角度看，激光武器高精度跟瞄與傳統光電跟蹤系統最大的不同之處在于，必須高精度、穩定地鎖定大目標(可能會充滿整個傳感器視場)上選定的瞄準點。傳統的相關跟蹤算法無法適應這種需求，原因在于：根據經驗，跟蹤點漂移無法完全抑制，而漂移并不是隨機的抖動，往往沿同一個方向，以至于短時間內會丟失瞄準點。為實現高精度的瞄準，需要深入研究基于特征點的瞄準點鎖定算法:

——紅外目標硬體分析與估計；

——跟蹤點漂移抑制；

——目標識別、姿態辨識與瞄準點選擇；

——基于特征的目標瞄準點鎖定。

3艦載激光武器攔截無人機技術分析

鑒于激光武器攔截無人機的眾多優勢，著重分析研究艦載激光武器以不同方式攔截戰術無人機所涉及的技術指標。指標分析從激光武器系統對典型目標毀傷能力著手，論證系統功率、跟瞄精度及作用距離等關系[12]。

針對精度指標分析包括3個方面的內容：

(2) 修正計算參數：大氣傳輸衰減效應對激光功率P的影響，大氣湍流效應對激光相干性能和光束質量因子β的影響，光束控制系統跟瞄誤差對激光光斑半徑的影響。

(3) 作戰需求：目標速度，跟瞄誤差等。

3.1系統指標論證參數

根據上述需求，確定指標分析論證參數為：

(1) 選用激光器波長：λ=1.06 μm;

(2) 激光器功率：P=50 kW左右;

(3) 設定發射孔徑：D=600 mm;

(4) 發射光束質量：β≤ 5;

(5) 跟瞄系統誤差[9，12]：σ≤ 10 μrad;

(6) 單次連續出光時間：0～5 s可調;

(7) 根據相關試驗，大氣傳輸衰減大約為0.1 km-1，大氣湍流折射率結構常數Cn2=10～15 m-2/3，暫不考慮熱暈影響[13-14]，可計算得出目標在10 km區域內功率密度曲線，如圖3所示。

圖3　功率密度隨目標距離的變化曲線Fig.3　Power density curve with the target distance

一般根據激光能量的強弱及對敵方目標的毀傷情況力將高能激光武器殺傷分為2種：硬殺傷指的是利用強激光直接摧毀敵方目標，達到永久性摧毀敵方目標的目的；軟殺傷則是利用相對較弱的激光照射敵方目標的制導或探測系統，致使其飽和而暫時性失效或使目標的脫靶量(偏航量)過大至失去武器殺傷力。

高能激光器要能實現對目標損傷，除需要足夠能量密度的同時還需要有一定的功率密度。容易看出，落在目標上功率密度隨距離迅速下降，當投射到目標上的功率密度低于1 kW/cm2時，很難造成對目標的有效硬殺傷，較為可行的選擇是采取如下“軟硬兼施”的作戰方式。

通常認為硬摧毀目標的必要條件是，在高能激光武器有效射程內，聚焦在目標上的功率密度需大于1 kW/cm2，在目標上累積的能量密度超過損傷閾值(對常規目標來說能量密度應大于5 kJ/cm2)[15-16]。

3.2系統作用距離計算分析

不失一般性，假設對目標硬殺傷能量密度門限為5 kJ/cm2，功率密度門限為1 kW/cm2；軟殺傷能量密度門限為0.5 kJ/cm2，功率密度門限為0.1 kW/cm2。根據美海軍列裝的無人機(如表1)參數，由于微小型無人機飛行速度慢、高度低，艦載激光武器可采用硬殺傷為主的作戰模式，而對高空高速的戰術無人機則采用軟殺傷為主的作戰模式。以上述假設的殺傷門限作為計算條件，類似圖3，可得到激光器不同功率情況下軟硬殺傷的有效作用距離，如表2、圖4所示。

表2　激光器功率與軟硬殺傷有效作用距離表

圖4　軟硬殺傷有效作用距離與激光器功率變化曲線Fig.4　Hard and soft kill effective distance　　　curves with laser power

3.3激光器功率指標計算

依據軟硬殺傷能量密度門限，計算不同激光器功率對應的能量密度與目標速度軟硬殺傷曲線，如圖5所示，可歸納為：

(1) 對目標高度小于3 000 m，飛行Ma數小于1.0的戰術無人機，激光器功率不低于40 kW可實施軟殺傷。

(2) 對目標高度小于500 m，飛行Ma數小于1.0的微小型無人機，激光器功率不低于50 kW可實施硬殺傷。

圖5　能量密度與目標速度的軟硬殺傷關系曲線Fig.5　Hard and soft kill energy density　　　curves with target velocity

4結束語

隨著各國戰術無人機的快速發展，我國周邊海域及海軍艦艇將面臨日益嚴峻的威脅。本文介紹了美海軍無人機發展現狀及美德等國激光武器開發情況，以及艦載激光武器系統的主要組成和關鍵技術。根據激光武器攔截無人機的典型指標參數，分析了使用激光武器對無人機軟硬殺傷的激光能量和作用距離范圍。這些研究可為未來攔截無人機的艦載激光武器系統設計及使用提供技術支撐。

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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)

中圖分類號：TJ95；E925；V279

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0012-06

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

通信地址：222061江蘇連云港市102信箱4分箱E-mail：xugl716@163.com

作者簡介：徐國亮(1971-)，男，江西豐城人。研究員，碩士，研究方向為艦載武器系統、火控系統。

基金項目：“十二五”國防預研基金課題

*收稿日期：2014-04-23；修回日期：2014-09-02