艦載激光武器的研制進展

易亨瑜，齊 予，黃吉金

(中國工程物理研究院應用電子學研究所，綿陽621900)

引 言

自二戰伊始，航母戰斗群、大型戰艦已成為世界強國爭奪海洋利益的主要利器，具有強大的攻擊能力，但其自身也容易遭受敵方飛機、反艦導彈的攻擊。1967年第3次中東戰爭，以色列的“埃拉特”號驅逐艦被小型快艇發射的“冥河”導彈擊沉;1982年馬島海戰，英方“謝菲爾德”號驅逐艦和“大西洋運輸者”運輸艦被阿根廷飛魚導彈擊沉……。20世紀90年代以來，隨著新一代超音速、高機動反艦導彈的問世，艦船面臨的威脅越來越大。為應對威脅、提高艦艇的生命力和作戰力，需要裝備新型反導武器。激光武器就是其重要的選擇之一。

2013年4 月有報道稱美海軍將于2014年在“龐塞”號軍艦上部署固體激光武器樣機，加入中東巡邏的第五艦隊序列中［1-2］。五角大樓計劃是用此樣機來打擊伊朗部署在波斯灣的小型偵察機和裝甲快艇，起到保護艦隊的作用。對報道照片進行分析，判斷該激光器極有可能就是美國海軍的艦載激光武器系統(laser weapons system，LaWS)樣機。

［3］～參考文獻［5］中分別報道了LaWS系統2009年、2010年的兩次試驗情況。作者在多年跟蹤和全面收集資料的基礎上，對其進行了深入研究，剖析了LaWS的系統結構和作戰性能，評述了該系統的系列演示試驗的目標及技術進步，探討了其未來技術發展方向。

1 立項背景

高能激光武器很早就受到美軍的高度關注，近年來為了實施“空海一體戰”概念，海軍高級將領將激光武器項目作為最優先計劃，以解決“反介入/局域拒止”關鍵能力上的不足。1971年成立了海軍高能激光計劃管理辦公室，2002年1月建立了海軍定向能武器項目辦公室，2004年7月特許成立了定向能和電能武器項目辦公室［6］。LaWS系統是美國海軍第1套成功研制的艦載高能固體激光樣機。

在2007年系統研制啟動時，LaWS最初的作戰目標是火箭彈、炮彈、迫擊炮彈(rockets，artillery and mortars，RAM)及無人機(unmanned aerial vehicles，UAV);之后隨著無人機威脅的日益增大，該系統的主要作戰任務轉變為反無人機。其次在交戰中，高能激光還能有效地干擾敵方飛機、汽車或潛艇等的傳感器，并指引熱尋的導彈打擊快速運動目標。隨著激光器輸出功率向技術上可行的上限功率的定標放大，LaWS系統還可用來防御其它威脅，如小船、便攜式防空系統和浮動水雷等。另外在交戰前，也可利用其光學傳感器來提高對潛在威脅目標的識別能力和監控距離，以確定目標意圖，從而為船隊指揮官的作戰決策提供重要依據;同時還可作為非致命武器，警告對方。

2 系統結構及特性

LaWS樣機可以獨立運行或作為現役密集陣武器的附件。不過到目前為止，LaWS樣機都是獨立運行的。

2．1 系統總體結構

LaWS系統主要由發射平臺(機動跟蹤平臺、發射望遠鏡)、作戰光源、測距儀、目標跟蹤傳感器和控制系統五部分組成。在LaWS系統的主要研制單位中，海軍定向能武器辦公室是系統集成的行政領導和技術負責人;雷聲公司是系統集成的合同承包商和密集陣裝置的生產商;IPG公司提供成熟的工業光纖激光器模塊;賓夕法尼亞州光電中心負責研制發射望遠鏡裝置，其底座采用L-3通訊公司生產的機動跟蹤平臺;海軍水面作戰中心達爾格倫分部提供系統硬件研制場地;另外還有多家單位給予技術支持。

如圖1所示，6束IPG光纖激光器輸出的高能激光通過光纖導入望遠鏡再進行光束發射;在望遠鏡左臂上，安裝了一臺商用的激光照明器和雪崩光電二極管測距儀;在望遠鏡右臂上，安裝了一個寬視場的中波紅外粗跟蹤傳感器。它們的視場軸與激光光束一致。

圖1 LaWS系統結構示意圖

作戰中，激光武器需要輸出一個高亮度光斑，并使其能持續打擊在目標上的固定部位。在海洋環境中，不僅需要高分辨率的精密跟蹤傳感器，提高跟蹤和指向部件的系統性能指標，而且需要一個穩定的集成平臺，以及合適的光學和慣性傳感部件來減輕集成平臺的振動。這些部件及控制系統在集成后位于軍艦甲板下方。

圖2為LaWS控制系統的功能連接框圖，其核心部件是L-3公司定制的數字化控制器軟件，軟件固化在一個嵌入式的單片英特爾電腦中。作戰時，外部雷達獲取目標信息，進入LaWS系統的預測逆控制部件，轉化為武器系統的本地坐標系;然后經過數字化控制器軟件，發送目標在望遠鏡俯仰和水平上的位置信號，指導萬向節對準目標;其次根據寬視場粗跟蹤相機采集的目標數據，切換到跟蹤模式，通過粗跟蹤視頻跟蹤器執行跟蹤任務。

圖2 LaWS控制系統功能框圖

在模式轉換后，通過粗追蹤器和慣性測量單元得到的慣性率測量值，用于目標視線誤差的計算，來引導系統控制萬向節和快速傾斜鏡。在這個運行過程中視差得到了校正，之后系統能夠指向目標，并通過可見光傳感器過渡到精跟蹤模式。在精跟蹤模式中，啟動精跟蹤視頻跟蹤器計算得到視線誤差，并由雪崩二極管測距儀器測量目標距離，指導望遠鏡對目標進行聚焦，最后發出激光開火指令。

2．2 系統性能分析

LaWS概念是通過商用光纖激光器簡單的非相干途徑來實現軍用激光器。2004年由賓夕法尼亞州光電中心提出，2006年通過了海軍研究實驗室的詳細論證。LaWS的核心部件廣泛使用了激光器、傳感器、控制技術等商業現貨供應產品，來構建激光武器系統，一定程度上減少技術風險和系統成本。大量采用商品化的工業產品，有助于提高系統的穩定性及器件的可維護性。另外，由于現有的艦船甲板上缺乏激光系統的安裝空間，因此激光系統的小型化因素是至關重要的。采用光纖激光器作為作戰光源，由于其輸出光纖可以彎曲，可以節省昂貴的折軸光學系統，從而大大降低了系統體積和集成成本，并最終實現在現有武器系統上的集成和系統改造。

LaWS光學發射器提供了光束穩定裝置，通過對多路激光器輸出光束的準直和遠場聚焦，來實現光束發散度的降低、精密的高功率光束指向精度、多個傳感器的精確指向和穩定跟蹤，以及目標照明。直徑為幾米、高光學質量的反射式望遠鏡，主要應用于天文學;而用作高能激光的光束發射器，望遠鏡的直徑不應大于1m，這樣才能控制系統尺寸、并保持敏捷性。光束發射器的角加速度和速度的最大值必須在1rad/s2和1rad/s左右，以便實現激光束的快速轉向。因此LaWS系統的發射口徑選擇為 66cm［7］或 50cm［8］。

作戰光源是激光武器的核心部件。IPG公司的光纖激光器在2009年6月才達到單模10kW的連續波輸出30%［9］。LaWS系統研制啟動于2007年，為了使光纖激光達到戰術級數十千瓦級的殺傷力，必須采用光束合成裝置。

圖3 LaWS系統的光束合成a—第1級 b—第2級

在LaWS高功率激光器上，為減少研制和采購成本，海軍采用現貨供應的、商用焊接激光器進行兩級合成，如圖3所示。先由7臺800W的Nd∶YAG光纖激光器［10］組束為5.5kW、光束質量M2=6的激光器模塊(等效于光束參量積(beam parameter product，BPP)是1.95mm×mrad，優于IPG公司目前的產品參量2.2mm×mrad);再由6路激光器模塊通過非相干合成，合成一束總功率為33kW、光束質量BQ值為17、波長為1.064μm、電光效率為25%的高功率激光［11］。

第1級合成裝置圖如圖4所示，多個光纖激光器模塊作為抽屜，插入一個機柜中，合成為一束大功率激光輸出。運行中通過IPG公司的LaserNet軟件，選擇性地使用其中一個或幾個，而其它預留為備用模塊。當其中的某個模塊損壞，備用模塊會自動開啟。它有內控模式、模擬量控制、外控模式和強制控制等4種運行模式。

圖4 IPG光纖激光模塊組束裝置圖

在第2級合成中，為了減少研制風險，未采用相干合成的自適應光學相控陣(adaptive photonic phase locked elements，APPLE)結構，而是直接將6路光纖激光器的輸出端捆綁在一起，進行非相干光束合成。這種方式設計簡單、無需精密的相位控制技術，增強了作戰光源的可靠性;其次這種合成方式對子束帶寬沒有限制，可以利用目前成熟的工業激光器模塊;另外節省了折軸光學系統和甲板空間，這樣在武器性能尚未明確前，海軍更容易接受;缺點是合成光束質量變差，大約與通道束的平方根成正比，而且需要較大的發射孔徑。

作戰中，高能激光對目標的破壞，主要是激光束產生的熱使目標加熱、燒蝕、熔化、誘導爆炸、燃燒或致盲。目標材料的破壞閾值常用功率密度作為判定指標。對于激光器輸出功率為P、發射口徑為D、射程為L、激光波長為λ、光束質量為β的平面聚焦束和高斯聚焦束，激光在目標上的遠場功率密度W為:

式中，r表示光斑半徑。不同大氣環境的大氣透過率η取值不同。可以看到，激光器輸出功率越大，沉淀在目標上的功率密度也大;另外激光波長越短、光束質量越好，則激光的打擊能力越強。

2010年試驗中，LaWS的毀傷目標為無人機，而無人機的蒙皮材料大都為復合材料。參考文獻［12］～參考文獻［13］中的研究結論是:靜止狀態下復合材料的損傷功率密度閾值是14W/cm2～18.7W/cm2，其質量燒蝕率隨著激光輻射功率的提高而增大。針對2010年公布的 LaWS試驗參量，取發射口徑 D=66cm，射程L=3.2km，光束質量BQ值為17。根據參考文獻［14］和實驗經驗，光束質量等效于β=28.3。當忽略大氣影響時，目標上的激光功率密度為33.2W/cm2。其差值可能是高速運動導致的風洞效應所致。

3 技術進展

政府/工業研制團隊開發LaWS系統時采用螺旋式上升的改進方式。在LaWS系統開發過程中，大量開創性的研制工作應用于激光器和光束發射器的設計中。后續改進工作主要針對光束控制和預測逆控制單元(predictive avoidance and safety system，PASS)單元領域。

3．1 2008年系統集成

2007年，LaWS系統研制啟動，進行任務分析:在理論上預計了威脅目標所需的殺傷力;執行關鍵零部件和子系統的工業調查;進行廣泛的商業權衡分析;設計了一套系統樣機;構建了艦載激光系統的定向發射器和裝配底座。2008年完成了系統集成，在實驗室環境下對子系統和整體樣機進行了多次測試。

3．2 2009年陸基試驗

2009年，在加州中國湖海軍空戰中心飛機分部開展了陸基試驗，試驗目的是驗證LaWS概念的可行性。根據原定的反RAM和反無人機任務，系統被集成在一個靜止不動的平臺上、而非動態平臺上運行。

在一系列重要的打擊試驗中，該系統成功地實現了5次反無人機試驗。每個子系統實現了預定的功能，并為后續技術升級工作提供了重要的試驗數據。這些試驗成功地驗證了交互式工作模式、商業現貨想法、非相干組束及共孔徑設計方式、武器運行概念。2009年美國的艦載激光武器LaWS系統如圖5所示。

圖5 a—獨立平臺上的LaWS b—IPG激光模塊

3．3 2010年海岸試驗

2010年的試驗目的是:證明在海洋環境中系統是有效的;驗證“從目標捕獲到擊落”整個作戰概念的可行性。

海洋環境中的鹽霧對鍍膜光學元件十分有害，因此在光束發射器上集成一個窗口和空氣干燥系統。中國湖試驗的一個重要發現是，通過伺服控制的光學元件的調節，可以提高系統遠場光束質量。該系統由賓夕法尼亞州立大學光電所研制，納入本次試驗。本次試驗的另一個改進是，添加三孔徑閃爍計數器系統來定量描述海洋環境，它是聯合技術辦公室資助的一項工作。

2010年，在美國海軍水面作戰中心達爾格倫分部的支持下，美國海軍海上系統司令部于2010-05-24在加州圣尼古拉斯島的一處海岸陸地上進行的LaWS演示試驗中，在距離3.2km處摧毀了2架時速482km的無人機。這是在海洋環境下艦載激光武器系統首次對無人機的摧毀演示［15］，如圖6所示。

圖6 無人機摧毀試驗結果

本次試驗的亮點是擊落4架無人機、擊毀1條小船目標和高能激光武器獨有的反偵察能力的可行性驗證。幾次作戰都實現了對來自密集陣武器系統(closein weapon system，CIWS)雷達的目標捕獲數據的使用，驗證了系統運行的整體概念。LaWS系統克服了試驗環境中大風、吸收、散射、湍流等困難，這次試驗是一個非常重要的發展里程碑，表明以光纖激光器為作戰光源的艦載激光武器關鍵技術取得重要突破。

3．4 2011年弱光跟蹤試驗

本次試驗目的是驗證海洋移動平臺上系統對目標的跟蹤性能。

在移動平臺上進行射擊，需要添加一個慣性測量裝置，用來輔助實現系統的戰斗識別和監視;此外，慣性測量裝置提供了平臺運動的高帶寬傳感信號，來驅動快速傾斜鏡，能有效地解決風力載荷的影響問題上。后者是加州圣尼克拉斯島試驗暴露的LaWS系統升級系統的需求，即望遠鏡的風力荷載可能激發窗口鏡的共振。另外從一個移動平臺進行射擊，還需要增加一個慣性導航單元并入PASS系統，用來實現其它船載傳感器到高能激光器的精確對接，以及滿足艦船上6個自由度運動所需的預測逆控制功能。

2011年在波托馬克河試驗場的海洋環境中，美國海軍水面作戰中心達爾格倫分部主持了動態平臺上的跟蹤試驗。由于上面功能演示不需要高能激光的參與，因此此次試驗系統只進行了目標的弱光跟蹤試驗。采集了能夠讓PASS單元在移動平臺上運行的實驗數據，成功地實現了小船目標的捕獲和信號數據的交接。

3．5 2012 年試驗

2012年試驗目的是在動態平臺上進行戰斗識別和反無人機。

2011年的試驗暴露了商用跟蹤器對抖動抑制的不足。這個新發現了導致“高帶寬瞄準-保持處理器成熟化”。這項工作由聯合技術辦公室資助、Equinox公司研制，并將納入LaWS系統中。該處理器具有更高的跟蹤環路帶寬，從而減少相應的目標視線的抖動誤差。其次為了進行戰斗識別，在系統中增加輔助傳感器，提供了比共孔徑可見光相機的更高分辨率。另外一種改進的準直器裝配工藝也被加入到系統，減少了艦載系統的準直需求，并能解決系統在戰場上部署后可維護性的重要問題。

系統的其它部分也得到了升級改造，其中部分與系統安全相關。后者與圖紙、測試流程等大量的文檔工作一樣，已成為系統上艦工作的一個重要部分。

3．6 2013年及此后的艦上實戰測試

2012年起，系統安裝在杜威號驅逐艦前方甲板上，并進行了一年多的海試，在2012年7月～9月的試驗中，LaWS系統成功擊落3架典型威脅的無人機目標。杜威號艦上測試結果給予了美國海軍加快部署激光武器計劃的信心，2013年4月集成在龐塞號兩棲戰艦上正式服役，編號為 AN/SEQ-3［16］。LaWS系統安裝在龐塞號艦橋的甲板頂部，位于艦載雷達前方，如圖7所示。光束發射器安裝在一間關閉的甲板室內，該甲板室在作戰前打開房門，并整體后縮。目前在海軍研究辦公室“快速響應能力計劃”的支持下，LaWS系統正在升級，以驗證接受密集陣武器的目標信號的可行性，從而實現激光武器的單人操作。據最新報道，LaWS系統已在波斯灣進行了多輪實戰射擊試驗［17］。

圖7 龐塞號上的LaWS

4 結論

LaWS系統是美國海軍的第1套演示的艦載高能固體激光樣機，它可以作為現役密集陣武器的附件或獨立運行。典型作戰目標是:無人機、迫擊炮彈、快艇、電光探測器，以及用于情報、監視和偵察的傳感器和探測器。

從本文中的分析可以看到，LaWS系統采取的是漸進式發展道路:(1)先通過商用現貨途徑，大致實現樣機的初步功能;(2)然后通過多次試驗，發現問題，逐一解決。這條道路非常靈活，不僅減少了技術風險、系統成本和研制時間，而且有助于提高系統的穩定性及器件的可維護性。LaWS系統的系列外場試驗，驗證了商業現貨供應產品集成的可行性，這對于考察增加哪些部件性能可以獲得最大的效益，以及哪些部件修改是必要的，以實現與艦船系統更好的集成，都非常有用。

在2010年6月成功擊落4架無人機后，LaWS系統的技術等級接近6級［11］，原計劃再投資15億美元發展到7級，并于2017財年裝備軍艦。目前看來，由于IPG光纖激光技術的進步和海灣形勢的發展，LaWS系統提前實現了樣機部署，并在實戰中通過士兵的實際需求完成技術升級。因此LaWS系統的下一步發展有5個主要方向:

(1)系統控制的進一步集成化。從圖2上可見，該系統需要5名操作人員。在下列每個崗位各需要一名操作人員:激光器、傳感器、預測逆控制單元、跟蹤器和萬向節/數字控制器軟件。一次作戰過程至少需要3名人員(跟蹤器、激光器、數字控制器軟件的運行員)同時參與。未來根據實戰需要，可能重新進行控制系統架構開發，來減少運行人員數量。

(2)提高作戰光源的輸出功率。在作戰光源上，目前LaWS系統采用了6臺光纖激光器進行非相干合成;下一步計劃是采用10臺功率更大的光纖激光器進行非相干合成，提高輸出激光總功率。有消息報道，美國海軍已研制了150kW的LaWS+系統，光束質量未見報道［7］。

(3)改變作戰光源的光束合成方式。目前LaWS系統作戰光源采用的是光束的非相干合成。這種方式實現的作戰光源結構簡單，在技術成熟度和可靠性上優于相干合成方式。但相干合成方式可以提高光束的遠場光束質量，從而提高武器系統的毀傷能力。因此隨著相干合成技術的成熟，有可能在作戰光源的第2級合成上，采用APPLE結構［18］來提高最終光束質量;缺點是破壞了作戰光源的全光纖結構，需要引入折軸光學系統，增大了系統體積和成本。

(4)激光器的輕量化，使之能作為現役密集陣武器的附件運行。圖7顯示，獨立運行的LaWS系統位于頂層艦橋的雷達附近。為了更好地與現有艦船系統的融合，2007年雷神公司的密集陣武器系統M15被提議作為LaWS系統的集成平臺，避免了在軍艦甲板上又出現一個萬向節裝置的重要設計問題。這種方式已在2011年英國宇航公司承包的10kW美軍艦載戰術激光系統(MK38-TLS)得到驗證。目前在激光武器戰場應用尚未明確的情況下，這種方式沒有破壞軍艦的外觀，更容易被海軍接受;同時又為在地基上解決反RAM任務提供了一條切實可行的途徑，使艦載近程戰術武器兼具火炮和激光打擊能力。這種方式得益于LaWS系統作戰激光器的全光纖設計方式，當然也存在一定挑戰:在機械特性上，MK15密集陣底座可以掛載的額外重量，必須保持在大約544kg～680kg;此外最好情況是，附加的激光武器沒有對底座在角度、峰值速度或加速度上的瞄準/上升運行中產生實質影響。目前激光器重量為4536kg［7］，未來發展的一個方向是其重量的控制。

(5)在實戰中根據士兵的反饋意見進行改進。據報道，LaWS在龐塞號軍艦上的測試數據，將用于指導海軍研究辦公室“全固態激光器技術成熟計劃”［19］的進一步研究高效費比的、可作戰的激光樣機。

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