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国外军用激光技术装备研究及应用调研报告

时间:2017-05-15  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  “激光”、“原子能”、“半导体”和“计算机”称为20世纪的“新四大发明”,对人类社会文明产生了极其深远的影响,激光技术这一高新技术,经过半个世纪的发展,从机理原理,实验手段到制造工艺都已逐步成熟,且先进的激光器不断研制成功,并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显着特点,在工业、农业、医疗、娱乐等领域的应用已经是大显神威。与此同时,其在军事领域的表现也十分优异。

 

  激光技术用于现代军事,不仅可以提高现有常规武器的命中率,而且可为军队提供新型战术武器,从而大大增强军队在现代战争中的作战能力,其应用领域涉及雷达、测距、定向能武器、导弹、航空航天、电子对抗等方面,受到各大军事强国的重视,未来有望成为军事技术最活跃的一个领域,到目前为止,其主要应用有:

 

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  激光武器

 

  激光武器是利用高能激光束的热效应、力学破坏特性、辐射破坏特性等直接杀伤目标的一种定向能武器。作为颠覆性武器,激光武器一直受到各军事强国的青睐。早在激光器发明之初,人们就设想利用“速度快无需提前量、辐射强度高、摧毁威力大、单发成本低”的“光弹”作为打击手段,尤其在里根星球大战计划期间,激光武器研究一度达到巅峰,其目的是研制具有百千瓦以上输出功率的激光武器,对百公里以外的导弹、卫星等战略目标实施毁伤。

 

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  随着军事技术的发展诸如导弹、高超声速飞行器等新型武器相继投入实战,现有武器技术基本达不到预警与拦截响应时间的要求,难以应对这些“高超声速飞行、高机动变轨与旋转、高精确打击破坏、高隐身飞行”的新威胁。而战术激光武器是应对这些威胁的有效手段、重要选项和发展方向。战术激光武器是指利用数万瓦以上的高能激光作为“光弹”,像常规武器那样安放在飞机、卫星、舰船、车辆等运动载体上,直接打击数公里以外的军事目标,如无人机、炮弹、快艇、敌方人员、车辆、光学传感器、卫星、导弹和飞机等。

 

  目前,美国、俄罗斯等军事强国的激光武器已具备战略威慑能力。然而,由于大气的衰减和远距离传输时光斑发散,随着传输距离的增加,激光武器的实际打击效果大打折扣。现有激光技术难以实现大气中远距离硬毁伤战略打击,但在较近距离内体现了战术激光武器不可替代的实战应用前景。

 

  近几十年来,激光武器的对抗目标已由洲际导弹等远距离大目标逐渐转向火箭弹、无人机等近距离小目标,激光武器耗资极为巨大,现有激光技术短期内难以实现兆瓦级激光器的小型化、机动化、实用化,这些因素使激光武器研究的重点由超大功率、大体积、基于气体(化学)激光器的战略激光武器逐渐转向较低功率、小体积、基于固体(尤其是光纤)激光器的战术激光武器。战略激光武器项目如星载战略激光武器(SBL)、机载战略激光武器(ABL)、地基战略激光武器(鹦鹉螺)等纷纷下马。联合高功率固体激光器(JPHSSL)、车载高能激光技术演示器(HELTD)、耐用电子激光器(RELI)、舰载激光武器系统(LaWS)、舰载战术激光武器系统(MK38-TLS)等战术激光武器项目按计划取得成功,并在各种载运平台上继续进行实验和应用研究。

 

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车载高能激光技术演示器(HELTD)

 

  化学激光器(主要有氧碘、氟化氘等)具有体积庞大、质量大(产生1kW激光需要55kg)、难以机动、发射次数有限、且使用中有毒气排放等弊端,尽管其输出功率可达数百千瓦以上,但难以安放在小型机动载体上,其战术应用是当前发展的瓶颈,总体发展呈现逐步终止或淘汰的趋势。而固体激光器可获得大功率、高能量、高亮度输出,且具有效率高、小型化和稳定性好等优点,是当今世界各国战术激光武器发展的方向。近年来固体激光器相关技术不断取得突破,为固体激光武器走向实战铺平了道路。

 

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Laws Laser Weapon

 

  合束或相干合束是获取高功率、高亮度激光和远距离传输的有效途径,也是战术激光武器实现以上功率量级输出的关键技术。作为目前世界上最先进的固体激光器——光纤激光器具有独特的优势,包括光束质量好、效率高、柔软细长、口径小且易于组束等,极大地促进了相干合成或光谱合成技术的发展,它已广泛应用于战术激光武器。

 

  为应对小型空基和海基目标,洛克希德·马丁公司研发了“先进测试高能武器”系统(简称ATHENA,又称“雅典娜”),该系统采用“多波长光束组合”技术,模块化设计,激光能量可以按照特定任务的需求自由选择。2015年3月,他们采用30kW功率的光纤激光器迅速烧毁了1.6km之外的汽车发动机歧管,该武器模块将成为美军60kW车载激光武器系统的核心。2015年10月,洛克希德·马丁公司宣布在Bothell开始生产该系统。

 

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被ATHENA击穿的卡车引擎盖

 

  德国莱茵金属公司和欧洲导弹集团(MBDA)公司均采用光束叠加技术,开展多载运平台,尤其是车载光纤激光武器的研制。分别研制出5,10,40,50,80kW等多型激光器,最终将达120kW目标。其中,莱茵金属公司10kW光纤激光武器已安装在“拳击手”8×8多用途装甲车的高能战术激光武器系统和瑞士厄利孔公司“天空哨兵”35mm高炮系统的炮塔武器系统中,未来也可装在空中客车公司A400M飞机内。

 

  纵观各国激光武器的发展,可以归纳出以下几个发展趋势:

 

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  激光雷达

 

  激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术,在军事部门具有广泛的用途,受到了各国军事部门的极大关注。国际导弹技术控制法明确指出:“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向,并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标,体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术”,并把激光雷达作为限制扩散的军事技术之一。

 

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  激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年,即1961年,科学家就提出了激光雷达的设想,并开展了研究工作。40年来,激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始,逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,陆续开发出不同用途的激光雷达,使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。

 

  激光雷达之所以受到关注,是因为其具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。但是,激光雷达的技术难度很高,至今尚未成熟,而且在恶劣天气时性能下降,使其应用受到一定的限制。

 

  激光雷达仍是一项发展中的技术,有的激光雷达系统已经实用,但许多激光雷达系统仍在研制或探索之中。激光雷达类别可以从不同的角度来划分。若按用途和功能划分,则有精密跟踪激光雷达、制导激光雷达、火控激光雷达、气象激光雷达、侦毒激光雷达、水下激光雷达……;若按工作体制划分,则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。

 

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美国国防部高级项目计划局采用的二维光学相控阵技术,该技术可用于先进激光雷达和其他国防用途,在2013年时进行了验证

 

  激光通信

 

  激光通信是利用激光光束作为载波,在自由空间如大气、外太空中直接传输光信息的一种通信方式。开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、传输速率及信息量大(最高可达10G/min)、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强,并且显著减少地面基站。

 

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  海基系统:现代海战的主要作战方式是舰船编队作战,其主要优势是可以发挥舰船编队作战的整体作战效果,因此作战中舰与舰之间的通信联系自然成为指挥控制的关键所在。无线电通信是目前舰船上采用的通信手段,但是它的致命缺陷是保密性差,即容易被敌方窃听和干扰,甚至己方的无线电设备之间也会产生相互干扰。相比之下,激光无线通信具有如下的优势。

 

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  陆基系统:利用地面台站的大功率激光器发出强脉冲激光,直接经卫星上的反射镜光束反射至所需照射的地域,实现与目标的通信。这种方式可通过星载反射镜扩展成宽光束。实现一个相当大范围内的通信;也可以控制成窄光束,以扫描方式通信。此方案灵活,通信距离远。可用于全球范围内光束所能照射到的地域,通信速率高,不容易被敌人截获,安全隐蔽性好,有助于提高目标的生存能力。

 

  空基系统:空基系统也称机载激光对目标通信系统,机载激光对目标通信是将大功率激光器置于飞机上,飞机飞越预定地域时。激光束以一定形状的波束(如15km长,1km宽的矩形)扫过目标地域完成对目标的广播式通讯。对于机载激光通信系统,飞机相对地面运动,最好采用矩形光斑扫过预定地区,这样可以减小发射机的单脉冲能量。为了实现通信,飞机必须知道目标所在的大概地区位置,飞机在预定地区上空做往返飞行,使光斑能够扫过整个预定地域。

 

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  天基系统:把大功率激光器置于卫星上完成通信功能,地面指挥中心用微波将报文数据发射至卫星,然后对星载激光发射机进行调制,发射光脉冲信号,对于星载统,发射光斑一般采用圆形。激光束经过云层、大气后到达地面,其光斑直径扩大到几千米至十几千米。卫星还要控制激光束方向,使光斑在预定地区上扫描,扫描轨迹用激光信号传输到目标接收装置接收。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信,让位置最佳的一颗卫星实现与指定地域的目标通信。

 

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  由于在大气层以外激光几乎没有衰减,因此在保持地面光斑直径不变的情况下,不论是低轨道卫星还是高轨道同步卫星,所需激光器的功率都是相同的。但是,由于卫星和目标间存在相对运动,因此目标接收到的激光信号将产生多普勒频移,而多普勒频移量与卫星轨道高度有关:卫星轨道越高,卫星相对地面的速度越小,多普勒频移也越小。

 

  由于实际使用的原子滤光器基本上是一种固定频率的滤光器,因此要求激光器的光频能够微调,以预先对超出原子滤光器探测频带范围的多普勒频移进行校正。当采用地球同步卫星时,卫星相对地面静止,多普勒频移最小,因此星载激光对目标通信系统应采用地球同步卫星。采用地球同步卫星也可以减少卫星数量,降低整个系统的成本以及保持卫星与地面指挥中心的连通性,发射三颗地球同步卫星即可实现全球激光对目标通信。

 

  激光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题,它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密光、机、电综合技术的研究和发展密切不可分,光电器件、激光技术和电子学技术的发展,为空间光通信奠定了物质基础。

 

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  军用激光技术的核心器件激光器将逐步实现固态化,即采用半导体激光二极管泵浦的固体激光器和半导体激光器,从而大幅度提高能量转换效率,减小体积重量,延长寿命,适应恶劣工作环境。激光工作波长将根据军事需求而扩展,激光功率和能量将进一步提高。激光武器、激光核聚变、空间激光通信、激光水下目标探测、激光超远程测距等军事应用技术将有重大发展。

 

  总的来说,军用激光的波长将根据军事需求而扩展,激光功率和能量将进一步提高。激光武器、激光雷达、激光通信等军事应用技术将进一步发展。

 

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