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发信人: yidday (龙溪), 信区: Green
标  题: 国外舰载激光武器火控特点的分析与研究 
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月14日16:19:49 星期三), 站内信件

1 激光的特点及其在火控系统、武器系统中的应用 世界上第一台激光武器刚刚问世，各
国军事领域的研究人员便迫不及待地开始探索这一重要发明可能给现代战争乃至人类社
会带来的影响。虽然最初还很少有人意识到这将会很快拥有一种新武器，但不久就发现
，激光的确可以成功地用于军事测距，目标指示与跟踪，激光制导，激光雷达等武器辅
助系统或火控系统，使常规武器如虎添翼，性能明显改善，威力大大增强。下面以激光
测距机，激光制导武器，激光雷达为例简要介绍一下激光在武器系统中的应用。
1.1激光测距机
不难理解，实时而准确地知道目标和武器系统之间的距离，是有效地、高概率地击中目
标的前提条件之一。因此，激光测距机成为军用激光设备家庭中的第一个成员，早在60
年代中期就开始在部队中效力。从那时起，成千上万的，形形色色的测距机散布在世界
上很多国家的武装力量中。现在，它已是现代火控系统不可缺少的组成部分。与早期用
于测距机的红宝石激光器相比，Nd：YAG激光器的主要优点是具有较高的能量转换效率和
能以高重复频率运转，后一特性对防空应用以及主战坦克和步兵战车的火控系统等来说
是至关重要的，因而很快地取代了前者，在测距机系统中占据了主导地位。但是，普通
的Nd：YAG激光器存在一些严重的缺点。首先，一般器件体积和重量都比较大，而更重要
的是1.06微米的辐射极易伤害人眼。事实上，单脉冲激光不会对眼睛造成明显伤害的最
大允许曝光能量只有几个微焦，而典型激光测距机的输出能量一般都在10毫焦以上。这
意味着，只要有千分之一的输出能量进入人眼，就会引起伤害，因而它对眼睛的潜在危
险是相当严重的。由于上述原因，激光测距机的发展与改进，一方面是将主战坦克、各
种战车、飞机及战船上工作波长为1.06微米的原有激光测距机用人眼安全激光测距机代
替，另一方面则是研制小型化手持式装置。以使其成为步兵手中的“火控系统”，而这
两方面结合的产物，则是“小型人眼安全激光测距机”。另外，现代火控系统还趋于模
块化，将测距与其它功能组合为一体。
1.2激光制导武器
制导武器在现代战争中起着极为重要的作用，到目前为止，采用激光技术的制导方式主
要为激光半主动寻的制导和激光架束式制导。这两种制导方式都离不开目标指示器。几
种典型的激光制导武器，包括制导导弹、制导炸弹和制导炮弹。
德国于第二次世界大战期间研制并装备部队的V1导弹和V2导弹是世界上最早出现的远程
制导武器，而在战争快要结束时问世的XH7型反坦克导弹则是最早出现的近程制导武器。
从那时起，制导武器经历了几乎比任何其他武器系统更高的发展速度。英国皇家军事科
学院的研究人员甚至认为，制导武器在相当大的程度上影响着当前国防政治、国际战略
与战术，并有可能预示着载人攻击机和现代主战坦克概念行将结束。且不说这一论断是
否正确，但可以肯定的是，现代制导武器的确是决定战争胜负的重要因素之一，1990-1
991年的海湾战争就是很好的明证。当今没有任何一个国家或任何一名武器系统开发人员
可以忽略对制导武器的研究。
目前已发展的制导系统种类繁多，相应地出现了不同的分类方法。以制导导弹为例，有
的根据导弹发射点和目标的位置分类（如导弹发射点在地面而目标在空中的地对空导弹
）；有的根据打击目标进行分类（如以坦克为主要目标的反坦克导弹）；也有的根据飞
行模式分类（如一次加速然后进入滑行状态的发射——滑行式导弹）；还有的则根据制
导武器系统分类（如依靠弹上导引头自动跟踪目标的寻的式导弹）。
在上述分类方法中，尤以第一种和最后一种用得较为普遍。按照第一种分类方法，制导
导弹以往被分为地对地导弹，地对空导弹，空对地导弹和空对空导弹，其中“地”包括
陆地和海面，而“空”过去主要指普通飞机。
随着制导技术的发展，上述概念需要加以拓宽。例如，潜艇既可从水下发射导弹，也可
以成为导弹的攻击目标。而“空”，除普通飞机外，还可能是遥控导航系统，绳系平台
，直升机，滑翔机，反导导弹乃至卫星和宇宙飞船。
按制导系统分类，制导导弹主要可分为寻的式和视线式两种，寻的式制导导弹结构包括
寻的头或导引头、导弹战斗部、动力装置以及控制装置。寻的头实际上是一种目标自动
跟踪装置，引导战斗部寻向目标，制导导弹的工作依赖于目标辐射或反射信号，根据信
号源的不同，寻的式制导又有被动寻的、主动寻的和半主动寻的之分。如果寻的头所探
测的是目标本身的辐射，或对自然界存在的某种辐射的反射，则称之为被动寻的式制导
导弹，很显然，雷达站和通信站就是被动寻的式制导武器的理想目标，有一种称为“百
舌鸟”的雷达制导空对地导弹就是采用这类制导方式的一个典型例子。除此之外，喷气
发动机的尾管及轮船的烟囱等也是易受被动寻的式制导武器攻击的目标。
不难理解，探测器性能对于被动寻的制导来说极为重要，近年来，随着焦平面阵列，电
荷耦合装置（CCD）等红外探测与记录器件的发展及图像传感技术走向实用化，被动寻的
式制导已成为当前制导领域重要课题之一。
如果信号源不是目标本身，而是装在导弹上的目标照射器或目标指示器，则属于主动寻
的式制导。由目标反射的能量被导弹寻的头探测，不断发射，不断探测，从而实现导弹
对目标的跟踪，直到击中目标为止。这种制导系统一般来说，结构比较复杂，价格昂贵
，通常用于复合制导的最后阶段，即当其他方式的制导已将导弹引导到和目标距离较近
时，再改用主动寻的制导。
如果辐射源既不是目标本身，也不是安装在导弹上的目标照射器，而是另外的可见光，
红外或无线电波源，导弹上的纯被动传感器接收由目标反射的信号，从而实现对目标的
跟踪，则系统称为半主动寻的式制导。半主动寻的制导的最大优点是不需要增加导弹本
身的体积，重量和复杂性，便可大大提高照射到目标上的能量，从而实现小型化，远距
离精密制导。半主动寻的式制导早期曾使用雷达作为目标照射器，近几年来则广泛采用
工作在红外波段的激光器，它是激光制导的一种主要方式。
视线式制导则主要分为视线驾束制导和指令视线制导，后者又包括人控指令视线制导，
半自动指令视线制导及自动指令视线制导三种方式。至于驾束制导，顾名思义，是指导
弹处在某种辐射束中飞向目标。早期的辐射束为雷达波，而现代驾束制导系统中的辐射
束则主要采用激光束。因而，视线架束式制导方式是激光制导的另一种主要方式。
目标指示器用于对目标进行精确定位，这在军事上无疑是十分重要的，如果无法在一定
距离以外对要打击的目标进行精确定位，那么就只能有两种替代方法：要么与目标足够
靠近，以确保能够准确击中它；要么就采取某种地毯式的饱和轰炸，或在大范围内盲目
炮击。当目标本身也具有攻击能力时，过于接近目标显然是非常危险的，并会导致高的
伤亡率；盲目轰炸或炮击则需要消耗大量的武器弹药，而对摧毁预定目标却未必有效，
因而要求发展智能化武器，以便对特定目标精确定位，激光目标指示器就是这类装置中
的重要组成部分。
在智能化导弹系统中，来自目标指示器的已编码激光指向靶标，由目标反射的激光脉冲
向各个方向上散射，并被安装在导弹头部的目标搜索器探测，引导导弹准确地击中并摧
毁目标。这里，激光束的编码是非常关键的，只有目标搜索器才能识码。光束编码的另
一个优点是可以同时识别或指示同一区域的几个不同目标，它们各自具有不同的编码，
以防相互干扰。
激光目标指示器的核心部件是激光器。目前，在激光半自动寻的式制导系统中，使用最
多的是工作在近红外波段的Nd：YAG激光器。脉冲宽度在10纳秒左右，脉冲频率10-20赫
兹，脉冲能量取决于目标与指示器和导弹发射平台的相对位置，指示器光学系统，导引
头光学系统以及现场大气对光束的透过率等因素。
1.3激光雷达
激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的
激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、
GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2
微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。
根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测
型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用
外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率
调制（FM）或混合调制。
按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切
探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。
激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，
经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目
标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计
算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，
直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近，其原理框图（略）。
相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在
所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔
离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进
入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入
光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，
并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最
后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含
两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。
美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获
、跟踪、毁伤评估（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导
航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精
度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。
较早出现的一种激光雷达称为“火池”，它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资，
于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒
影像的能力。80年代进行的实验证明，这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾，识破伪装，
远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展到80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳
定CO2激光振荡器作为信号源，经一台窄带CO2激光放大器放大，其频率则由单边带调制
器调制。另有工作于蓝-绿波段的中功率氩离子激光与上述雷达波束复合，用于对目标进
行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离——多普勒影像，实时处理并加以显示。
两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。据报道，美国战略防御局和麻省理工
学院的研究人员于1990年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进
行了跟踪实验。在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，即爬升阶段，并抛出其有效负载
，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。该气球有气体推进器
以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学特性。目标最初由L波段跟踪雷达
和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的数据交给火池激光雷达，后者成
功地获得了距离约800千米处目标的像。
据1991年5月的《防卫电子学》报导，美国空军和海军当时正在研制“先进技术激光雷达
系统（ATLAS）”。该系统拟装在巡航导弹上，用CO2激光和新型红外雷达将巡航导弹引
向目标。此项计划由设在佛罗里达州伊格林空军基地的莱特研究所先进制导部主管，主
承包商麦道公司和通用动力公司康威尔分部各自按照1500万美元的合同研制AGM-130或巡
航导弹型武器。海军发言人雷上尉当时称计划在1992年财政年度对ATLAS以吊舱结构进行
飞行试验；1992年，位于加利福尼亚州的休斯公司光电与数据系统研究组已研制成功一
种先进的CO2激光雷达，并将其作为ATLAS计划的一部分，交付主承包商通用动力公司康
威尔分部。1992年6月的《光子学》和7月的《防卫电子学》对此相继作了报导。为了演
示激光雷达的功能，康威尔分部将其与有关的信号处理电子设备以及制导系统的其他部
件。即处理机，导航传感器和测试仪器等一起装入吊舱，吊挂在康威尔分部的试验喷气
飞机上，在伊格林试验场针对目标进行飞行，激光雷达提供了目标区域的高分辨率三维
图像。此后，又进行了多种空对地武器的导航，末端瞄准和精密寻的导引试验，充分显
示出该激光雷达用于导弹制导的很多独特的优点。
军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物
能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁
塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。
现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和
恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这
些障碍物有效的影像，提供适当的预警。据1993年5月出版的《军事技术》报导，在法国
政府和英国政府的倡议下，由法国达索电子公司和英国GEC-马可尼航空电子学公司雷达
系统分部组成的联合体研制出一种紧凑的激光雷达（CLARA）。其主要功能即是发现飞机
航线上有危险的障碍物。并显示给驾驶员，且不论白天、黑夜及天气的好坏，均能对前
面所提到的各种障碍物进行实时探测、分类和显示。选用的工作波长不受阳光的影响，
有良好的穿透烟、雾的特性。为了保证飞机转弯时始终提供适当的警戒，传感器采用了
大视场。紧凑激光雷达的另一功能是进行地形跟踪和目标确定，这要求系统能实现处理
飞机前方地形的回波，以产生飞行控制指令。紧凑激光雷达由三部分组成，即传感器头
，扫描器及信号与数据处理器。传感器头的核心是激光器组件与探测器组件，前者包括
两台CO2激光器，一台提供脉冲或连续波发射光束；另一台是小功率本机振荡器，用于与
回波进行外差相干。而探测器组件则为宽波段红外探测器上光学元件的组合，并采用超
低温冷却，以减小量子噪声，提高探测灵敏度。探测器将光信号转换为电信号，送往信
号处理器进行处理，扫描器的核心是陀螺稳定的双反射镜及其他可旋转光学部件，要求
能适应不同的工作模式。在障碍物告警模式下，首先要找到目标的大致方位，因而无需
很多的分辨率，但必须有较大的扫描视场；与此相反，在瞄准模式下，目标的大致位置
已知，因此无需很大的扫描视场，但要求有很高的距离和视角分辨率，并能以高精度跟
踪所选目标。
信号与数据处理的核心是数字信号处理器和微处理器。其功能是执行复杂的目标探测及
识别运算，并存储每个重要的信息。此外，处理器必须与CLARA的其他分系统接口，以实
现工作模式的控制与机内检测。所用软件采用高级语言编程。该系统在英国是安装在固
定翼飞机上飞行，而在法国还要在旋转翼飞机上试验。为便于在固定翼飞机或直升机上
吊挂。整个CLARA系统安装在一个吊舱内，吊舱的前部包括光具座和处理器，后部装有自
主式环境调节装置，其余大部分部件则安装在吊舱中部，据最新文献报导，达索公司，
GEC-马可尼公司，马可尼意大利公司和蔡司公司又联合研制了一种用于直升机障碍物报
警的Eloise激光雷达，可提前10秒钟对直径为5mm的缆线报警，并具有地形导航功能。
以上介绍的几种激光雷达有一个共同的特点，即都是以CO2激光器为波束源，这些激光器
采用高功率射频泵浦，需要高电压和强致冷，其结果是雷达系统体积庞大，价格昂贵，
而且可靠性也比较差。相比之下，半导体激光器泵浦的固体激光系统，尺寸和价格均可
低达相同功率CO2激光束系统的十分之一，且具有更高的可靠性。近10年左右的时间里，
半导体激光技术本身及二极管泵浦固体激光技术均有了飞速发展，使固体激光作为激光
雷达的辐射源成为可能。于是很多有影响的公司都将相当大的注意力投向固体激光雷达
。洛拉尔-沃特公司多年来一直从事激光雷达的研究。1992年4月，该公司在“锡斯纳”
412飞机上试验固体激光雷达样机，据称，这是这种系统首次进行飞行试验。稳定的装置
将光学发射接收机，相关的电子系统组合成一个组件，长度和直径均为203mm，重量仅5
.5kg。系统采用近红外波长运转的固体激光器，由GaAs二极管激光泵浦，不需要进行冷
却。带有实时自动目标识别的样机，1992年也进行了飞行试验。洛拉尔-沃特公司经多年
努力，开发了自动目标识别算法。据称，这种算法可以区分坦克和卡车，识别单个坦克
的类型。另一方面，休斯公司丹伯利分部还在努力制造能在室温工作的二极管固体激光
阵列。据称，这将进一步减少甚至取消对致冷的需要。曾经开发了以CO2激光器为辐射源
的相干光雷达机载切变传感器的洛克希德公司，在美国国家航空航天管理局的提议下，
也用更可靠和性能更好的2微米波长固体激光器代替了CO2激光器。洛克希德公司新的CL
ASS系统于1993年秋季在美国国家航航天管理局位于哈卜顿的朗雷研究中心进行了飞行试
验，装载飞机为波音-737。该公司的高级科学家塔戈说：“2微米固体激光器尺寸更小，
价格更廉，质量更小，性能更优，它是未来之波”。总之，激光雷达已经历了约30年的
发展过程，迄今种类繁多。
2 国外激光武器发展概况
激光武器是利用激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器之一，它具有功能集中，
传输速度快，作用距离远，命中精度高，转移火力快，抗电磁干扰，能多次重复使用和
效费比高等优点。从60年代开始，世界各军事强国都在大力开发军用激光技术。
在激光武器的研制上，美国一直处于领先地位，已进行过多次设计试验的循环过程。美
国之所以在激光武器的研制方面处于世界领先地位，是因为它采取了一系列行之有效的
措施。为了确保激光武器的型号研制的顺利进行。美国国防部制定了极限操作法计划。
它的目的是使美国保持激光武器制造技术方面的优势；避免研制工作中出现重复现象以
提高经济效益；吸引民间经济部门来解决国防问题。1985年美国国防部提出对五个学术
研究领域，11项关键技术开展研究，其中包括了制造新概念武器的研究。
目前，美国在已有的研究工作基础上，确定了下一步的研究方向，选定了研制激光武器
的主承包商和科研机构，并且组织它们进行了科技情报交流工作。
对于作为战术武器使用的激光武器，美国将它分为五种类型。
A.与战术武器配用的不具备杀伤能力的激光侦察器材，如激光测距机，激光指示器等；

B.用来侦察敌方光电仪器工作状况及其配用的有效杀伤系统，甚至还能使这些仪器及其
操作手致盲的激光武器；
C.用来损伤无激光防护的敌方人员视觉的激光武器；
D.用来摧毁敌方光电仪器的敏感元件和结构部件及其载体的高能激光武器；
E.光谱波段上的非相干辐射源，如探照灯及高亮度的闪光灯等。虽然它们不是激光武器
但是美国专家认为它们能够用来进行光电压制。
美国把C、D两类激光武器确定为未来的重点发展项目。
前苏联的激光武器研究始于60年代初期，七十年代初前苏联的激光武器研究已经有了很
大进展。1980年，美国的情报部门搜集到的情报分析显示，前苏联高能激光武器的发展
计划庞大，高能激光武器的研制能力已接近美国同类的激光武器。在舰艇上安装激光武
器主要用于近程防御，据介绍，前苏联的万吨级“基洛夫”巡洋舰已装备了DF化学激光
武器，该武器可击毁10微米处的掠海制导导弹，并可向水下发射，击穿潜艇的艇体。
1987年，美国五角楼的一份题为“苏联军事实力”的报告称，苏联舰艇用激光武器攻击
了在夏威夷北部太平洋上空执行任务的两架美国军用飞机。一架是海军P-3C反潜艇飞机
，另一架则是空军WC-135天气监测飞机，事情发生时它们正在预定地区观察前苏联洲际
导弹的试验发射。据报告，前苏联的舰载激光使美制WC-135飞机的副驾驶员暂时丧失视
觉，但对两架飞机均未造成任何破坏。
西欧国家已组织制定了蓝宝石军事技术大纲。其目的是保证欧洲武器在世界市场上有强
大的竞争力，并减少在该领域由对美国的依赖性。同时西欧国家准备在11项激光武器技
术领域内进行合作研究。
英国在1982年马岛冲突中，在军舰上使用小功率激光器对付来袭的阿根廷的低空飞机，
由于这种激光武器会使飞机驾驶舱的玻璃蒙上一层强光，降低了飞行员观察周围情况的
能力而不能作低空飞行，从而使英国海军防御区域免遭袭击。据报道，这种激光武器只
能作为防御使用，有效作用距离仅为1.5公里。
法国的测试仪器制造公司目前正在研究“瞄准”点激光束引导系统，军方对该系统的要
求是：要在10微弧度范围内，准确地用激光束摧毁导弹上的红外导引头，而不受导弹运
动速度的限制。另外，预计法国DRET公司将与德国公司一起在气体激光器的基础上共同
研制“螺旋”激光武器系统；并正在研究连续波激光器和脉冲激光器合为一体的系统，
前者用于制导，后者用于击毁目标。
在日本的民族大学正在进行一些科学试验。他们使用电磁波纹机的作为主控振荡器的二
氧化碳激光器以及0.5兆电子伏特的加速器在0.5-0.8微米的波段上产生激光束。此外，
日本还建立了相应的科学试验基地，供东京大学和大阪大学，激光技术研究所，国家高
能实验室和其它科研机构制造激光武器。
高能激光武器又叫强激光武器或激光炮，它是利用高能激光束携带的巨大的能量摧毁飞
机、导弹、卫星等目标，或使之失效的一种定向能武器。高能激光武器的关键部位是高
能激光器，精确瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统。作战要求高能激光器的平均功率
应达到十万瓦级以上。精确瞄准跟踪系统用来捕获，跟踪高速飞行的目标，引导光束瞄
准射击。高能激光武器是靠激光束直接照射目标并停留一定时间而造成破坏的，所以对
瞄准跟踪的速度和精度要求很高。光束控制与发射系统的作用是将激光器产生的激光束
定向发射出去，并通过自适应对激光束的影响，以保证将高质量的激光束聚焦到目标上
，达到最佳的破坏效果。
2.1高能激光武器主要是依靠以下三种效应来实施对目标的杀伤破坏的：
2.1.1烧蚀效应
激光照射目标时，其巨大的能量被目标吸收，转化为热能，使目标表面汽化，蒸汽高速
向外膨胀，同时将一部分液滴甚至固态颗粒带出，从而使目标因表面形成凹坑或穿孔而
遭破坏。
2.1.2激波效应
在目标被激光照射表面蒸汽向外喷射的极短时间内会给目标以反冲作用，这就相当于一
个脉冲载荷作用于目标表面，在其内部的固态材料中形成激波，激波传到目标后表面再
产生反射，能使目标发生层裂破坏。
2.1.3辐射效应
目标表面因激光照射汽化而形成等离子体云，等离子体一方面对激光起屏蔽作用，另一
方面又能够辐射紫外线甚至X射线，使内部电子元件损伤。实验发现，这种紫外线或X射
线有可能比激光直接照射引起的破坏更为有效。
2.2与火力杀伤类武器相比，激光武器具有以下六大特点
2.2.1速度快，射击时无需提前量
激光束以光速射向目标，目前一切军事目标，包括几百上千千米高空的卫星，相对于光
速来说都是静止目标，所以射击时不需要提前量。
2.2.2机动灵活
拦击目标多，发射激光束时没有后坐力，易于迅速地变换射击方向，并且射击频度高，
能够在短时间内拦击多个来袭目标。
2.2.3精度高
可击中要害部位，可将聚焦的狭窄光束精确地对准某一方向，选择攻击目标群中的某一
目标，甚至击中目标上某一脆弱的要害部位。
2.2.4无污染
激光武器属于非核杀伤，不像核武器那样，除有冲击波，热辐射等严重破坏外，还存在
着长期的放射性污染，造成大规模的污染区域。
2.2.5效费比高
虽然激光武器研制、生产成本高，但由于可长期使用，且每次发射的费用很低，仍具有
相当高的效费比。
2.2.6不受电磁干扰
激光传输不受外界电磁波的干扰，因而目标难以利用电磁干扰手段避开激光武器的攻击
。
3 舰载近程激光武器系统机理分析
3.1概述
60年代末，各国海军竞相研制并普遍装备反舰导弹，对水面舰艇构成了前所未有的威胁
，如法国的“飞鱼”，美国的“鱼叉”等，这类导弹可由飞机、水面舰艇和潜艇运载和
发射，能从各个方向实施快速攻击。导弹体积小，翼展短、隐蔽性好、飞行高度低、速
度快、威力大、命中率高。反舰导弹已成为当今海战的主要攻击武器，并在多次海战中
显示了威力。
为了有效地对付反舰导弹的威胁，防御体系必须及早发现目标，加大目标传感器的探测
距离，以便有足够的系统反应时间；采用多层防御体系，大力发展近程武器系统，提高
毁伤精度。
3.2近程武器系统的发展
3.2.1国外近程武器系统的主要特点及技术
a、反应时间短。由于低空雷达的作用距离短，国外近程武器系统的反应时间一般为6S左
右，对超高速径向飞行目标，取消自动询问识别而直接跟踪、射击，从而缩短了反应时
间。
b、具有全天候工作能力。有的近程武器系统在配置微波搜索雷达与跟踪雷达的同时，还
配置毫米波（Ka波段）跟踪雷达，并应用红外热成像技术。
c、抗干扰性能好。对复杂电子环境主要采用了以下抗干扰技术：脉冲多卜勒技术，数字
动目标显示，动目标检测，距离门速度滤波器组信号处理，有效区分不同速度的目标，
可抑制多种消极干扰；展宽频带，快速变频，抗阻塞式干扰，频率捷变可抗瞄准式干扰
及快速扫频干扰等；采用毫米波跟踪雷达，解决多路径引起的低角跟踪抖动问题，抗有
源干扰性能好；雷达受到干扰时，利用光学角跟踪（电视红外热成像与技术）激光测距
。
3.2.2发展近程武器系统的难题
作为反导防御最后一道屏障的近程武器系统受到了各国海军的高度重视，国外已发展了
多种先进的近程武器系统，如“海狼”，“密集阵”，“海上卫士”等。近程武器系统
中都采用了先进的全自动武器控制系统，但系统的研制具有很高的技术难度，主要体现
在：
a、高速数据传输链的发展及快速反应。
b、低空探测及低角跟踪问题。
c、高精度滤波预测，高精度高发射率火炮及闭环校射，以保证较高的毁伤精度。
3.2.3近程武器系统面临的主要威胁
纵观世界各国武器的发展，下世纪近程武器系统面临的主要威胁有：
a、反辐射武器的威胁。
b、电子侦察、干扰的威胁。
c、隐身技术。隐形导弹和隐型飞机，使雷达更难于发现和跟踪。
d、饱和攻击。在同一时间里，不同方向，不同攻击形式的各个目标突袭同一目标。
3.3以激光武器为主的近程武器系统的构想
随着国外反舰导弹的发展，隐身、低空飞行、垂直发射，饱和攻击是21世纪舰艇所面临
的最大威胁，国外已着手研究战术激光炮在近程反导武器系统中的运用。
3.3.1系统组成的主要设备
高数据率、低空搜索雷达一部；热红外探测器一部；高精度、毫米波跟踪雷达一部；光
电指向器、激光测距仪一部；战术激光炮一部。
3.3.2系统工作原理
微波波段搜索雷达及时发现掠海飞行的反舰导弹及其它水面目标，给出目标指示，然后
转入毫米波雷达精确跟踪，最后由射击控制程序控制激光炮进行自动、适时射击，并可
补射。工作原理框图（略）
系统中搜索雷达的主要技术是高转速天线、频率捷变、对低空目标的可靠检测等；跟踪
雷达采用双频跟踪体制，即微波波段和毫米波相结合，对目标搜索和高仰角跟踪以微波
波段为主，遇到干扰和低角跟踪时，切换到毫米波波段。同时用计算机把毫米波雷达，
电视跟踪器、红外摄像机及激光测距仪有机结合在一起，采用多垂直基准捷联平台，解
决船体变形对系统精度的影响，用闭环校射提高射击精度；激光炮与跟踪雷达二位一体
同步精度跟踪目标，并实时射击、补射、转火等，关键技术是提高激光功率，减小激光
束的散射以提高激光功率密度等。
3.3.3系统反应时间
系统反应时间包括：t1——搜索雷达对目标的发现，录取送出目标指示的时间；t2——
跟踪雷达接收目标指示调舷与捕获、锁定时间；t3——激光炮射击时间。
a、搜索雷达对目标发现录取指示
在有效作用距离上，搜索雷达以90%的概率发现目标，为保证目标指示精度，需连续获得
四个回波点迹，天线至少要转三圈，设定天线转速为90r/min，则所需时间为：t1=60×
3/90=2S
b、跟踪雷达接收目标指示至精确跟踪目标输出
系统跟踪雷达与激光炮二位一体安装，重量减轻，调舷速度及加速度得以相应提高。设
方位角，仰角最大加速度为α，最大速度为ν，则把天线调整到最大调舷速度时间的角
度θ上，所需时间满足下列公式：θ=ν0t+αt2/2
按先进的“海上卫士”系统中的跟踪雷达α=570°/S2,ν=143°/S,计算设定调舷速度ν
0=0，最大方位调舷θmax=180°，则方位调舷时间为：t21=[θmax－α(ν/α)2/2]/ν
+（ν/α）=1.384S
同样得仰角调整到90°时的时间t22=0.755S，锁定时间t23一般较短，取0.6S，则跟踪雷
达所需总时间为：t2=t21+t22+t23=2.74S
c、激光炮射击时间
由于激光炮是光传播，即使是对30Km处的目标，激光照射到目标上也仅需0.1ms，远小于
火炮炮弹飞行的时间，在本系统中完全可以忽略，即激光炮射击时间t3可忽略。
d、系统反应时间T为：T=t1+t2+t3=4.74S
3.3.4系统抗饱和攻击能力
设激光炮功率密度为P，垂直照射在厚度为L的目标表面金属板上，金属板的反射率为Re
，比热为Cs，密度为ρ，则热传导系数K0=ρCsR(R的扩散系数)，入射光光斑直径为d0，
若全部能量用于加热和熔化金属，熔融金属不是立即排除，则穿透时间为：t4=PL[Cs(T
ν-T0)+LmLν]/[（1-Re）.P]
式中：Tν为金属汽化温度，T0为空气温度，Lν为冷化点时的汽化潜能，Lm为熔点熔化
潜能。对常温15°，一个大气压下的5mm厚的铅板来说，ρ=2.7g/cm3, L=0.5cm, Tν=2
453℃，T0=15℃，Lm=396.6J/g, Lν=1052J/g, Cs=0.9J/度.g，
设Re=0.8（激光波长λ=0.4~1.0微米时，Re=0.72~0.8）, P=100KW/cm2,
则t4=0.885S。
由此可知，一个激光脉冲持续时间不能小于t4，如果P增大，则t4将进一步缩小，按t4=
0.885计算，摧毁一批目标所需时间为：T1=T+t4=5.63S
这就为系统转火，再次射击其它饱和攻击目标提供了可能性，但要求激光脉冲重复频率
f≥1/t2才能满足再射击要求。激光的有效毁伤越远，抗饱和攻击能力也将愈强。
3.3.5系统对精度的要求
照射在导弹表面的激光束要停留一段时间后，积累的能量才能达到毁伤目的，控制系统
必须解决精确跟踪问题，以使得激光落在目标上的光斑相对目标不动，或目标不会躲出
激光束。设m为系统误差，δ为随机误差，Ω为激光束散射角，φ为目标直径，R为目标
所处的斜距（图略），则系统精度满足如下关系：当m/2+δ≤φ/2R时，激光束的散射角
很小也能击中目标，实际系统精度不能达到此水平。当m/2+δ>φ/2R时，系统要求精度
为 m/2+δ<Ω/2+φ/2R。
从上式可以看出，激光束越窄，目标距离越远，对系统的精度要求越高，而激光束散射
角越大，对提高激光炮功率密度又十分不利，所以应从激光能达到的发射角和跟踪雷达
所能达到的精度折中考虑，以使两者都能实现，美国SDI计划中要求的系统精度已达到0
.1rad。
4 美国舰载高能激光武器系统
美国海军于1971年成立了海军高能激光（HEL）计划管理办公室（PMS-405），意欲作为
海军管理硬杀伤高能激光武器系统研制和采购的机构。最初的计划集中于建造一个基于
当时最成熟的CO2气动激光技术的实验性高能激光器系统。但到70年代中期，发展重点转
移到了连续波氟化氘（DF）化学激光器，因为其在3.8微米附近的几个波长的辐射在海平
面海洋性大气中的传输远好于CO2激光器产生的10.6微米辐射。海军曾授予TRW公司一项
合同，设计并建造海军高级研究计划局的化学激光器（NACL），其功率比作为其前身的
实验室样机高一个数量级。与此同时，采用休斯公司为海军制造的瞄准/跟踪器（NPT）
作为光束控制装置。NACL/NPT组合大大优于以前任何一种激光武器系统，并为激光器与
光束控制装置的集成提供了宝贵的工程经验。1978年3月，海军在加州的卡皮斯特拉诺用
集成在一起的NACL/NPT系统成功地拦截并击毁了以高亚音速低空横向飞行的“陶式”反
坦克导弹。这一成就被认为是当时战术高能激光武器可能达到的水平的最可信的证据，
并奠定了进入“海石”（Sealite）计划的基础。
1977年美国海军开始实施“海石”计划。1980年9月，对海石计划中研制的中红外先进化
学激光器进行了首次发射。NIRACL是由TRW公司为海军建造的，用于“海石”计划的激光
器。其兆瓦级的输出功率使之成为迄今为止世界上功率最大的连续波激光器。“海石”
的光束定向器也是由休斯公司为海军建造的，其孔径直径是NPT的两倍多，用于控制MIR
ACL的光束。而SLBD也是迄今为止世界上最庞大和最复杂的战术跟踪与瞄准系统。经3年
时间组装起来的MIRACL高级激光武器于1987-1989年间，在白沙激光武器试验场进行了一
系列打靶试验，其中包括摧毁了一枚飞行中的2.2马赫的“旺达尔人”导弹的试验。表1
列出了有关MIRACL激光武器的一些性能数据。用MIRACL评价了激光对多种潜在威胁系统
，包括各种巡航导弹，TMD威胁目标和空间目标的杀伤力。建立并验证了一个高能激光传
输的综合波动光学模型。还曾用SLBD跟踪过超音速导弹，并为其在空中拦截其它飞行中
的导弹产生了高分辨率红外和可见光图像。还演示验证了其作为高分辨率复杂光学监视
装置的能力和价值。在过去13年中，MIRACL/SLBD还成功地进行了风险降低试验。该系统
几年前就做好了进行海上作战试验和小批量生产的准备。系统已满足或超出了研制之初
确定的性能要求。它演示验证的适于舰船防御的，对大多数预计的横向交战的空中威胁
目标的杀伤效果。然而，最具深远意义的成就还是简化了兆瓦级激光器和光束控制系统
技术，使之应用到工程实践中。
二战结束后，战场环境已发生了深刻的变化。因而已对威胁进行了重新定义，对防御能
力也进行了重新的审定。以前美国首要的防御发展目标是保障和维持强大而有效的攻击
能力。发展和保持纯粹的防御能力在这个国家曾经不是构成国防基本构架的组成部分。
分层防御结构包含对单独平台的防御，而且它非常依赖于主要攻击武器系统的双重功能
。美国正在进行国防防御方针的转移——从通过强有力的打击能力来实现防御转变为采
用综合的多层防御结构。随着冷战的结束，美国海军的作战重点从远洋转移到沿海区域
，作战环境发生了巨大的变化。为适应这种变化，美国海军要求调整高能激光器的计划
。
研究表明，在沿海环境中，热晕是大气吸收激光能量的主要因素，而且热晕与风速风向
有关。在沿海环境下，军舰的航行速度较低，因此总的侧向风力是由当地气候条件决定
的。这种侧风往往很小，以致于热晕效应远比在远洋环境下产生的热晕效果更为严重。
美国海军认为，MIRACL高能激光器的3.8微米波长激光在沿海环境下热晕效应较严重，应
该找到一种热晕效应较小的波长代替它。这就是美国海军放弃MIRACL激光器的主要原因
。
美国海军放弃MIRACL计划后，立刻提出进一步研制舰载高能激光武器的新计划。这项新
计划的重要一步是重新选定适合于在沿海环境下使用的最佳波长。经过研究，美国海军
得出结论：在1-13微米红外波长范围内，只有1-2.5微米波长激光的大气传输性能优于M
IRACL的3.8微米波长激光的大气传输性能。
为了进一步从1-2.5微米的波长范围内选出适于沿海作战的最佳波长，美国海军又对1.0
42微米、1.064微米（YAG激光器）、1.315微米（化学氧碘激光器）、1.6微米、2.2微米
和3.8微米几种波长激光，在沿海条件下的大气吸收特性，消光特性和总的大气传输特性
进行了计算比较，得出如下重要结果：
4.1关于吸收特性，1.05微米（包括1.042微米和1.064微米）的相对大气吸收率比1.6微
米低一个数量级，而1.6微米的相对大气吸收率又比2.2微米和3.8微米的低一个数量级。

4.2关于消光特性，1.6微米和2.2微米、3.8微米的相对消光率均比短波长的低。
4.3关于大气传输特性，1.6微米和1.04微米波长的相对海上传输系数远远优于1.315微米
和3.8微米的传输系数。
综合上面三个因素考虑，认为1.6微米和1.05微米波长激光比较适合于在沿海环境下使用
。但是，由于1.6微米处于人眼安全波长范围内并具有在不同大气条件下性能稳定等特点
，因此最终倾向于选择1.6微米波长为适于沿海环境下的最佳波长。
新研制计划的最重要工作是研制工作波长为1.6微米的兆瓦级高级激光器。美国海军认为
自由电子激光器有望满足这些要求。
自由电子激光器是一种新型强相干辐射源，目前在军事上应用较少，因此人们往往对它
缺乏了解。
自由电子激光器通常由高能电子加速器，摆动器和谐振腔三部分组成。高能电子加速器
的作用是将由电子枪产生的电子加速到接近光速，使之能量达到80兆电子伏特以上。电
子加速器种类很多，例如，超导射频直线加速器等。摆动器由一排极性交替变化的永磁
体或电磁体组成，作用是使速度接近光速的电子，在垂直于磁场方向上呈周期性摆动。
根据物理学定律，这种摆动的电子会产生某种频率的辐射。谐振腔由两块反射镜组成，
作用是对磁场内相互作用区提供反馈，形成受激辐射，从而产生激光输出。
与其他各类激光器相比，自由电子激光器同时具有输出功率强、波长可调和功率高这三
大特点，这正是美国海军选中自由电子激光器的原因。
美国海军从1996年开始，与能源部托马斯·杰裴逊国家加速器研究所、海军研究生院、
诺斯罗普·格鲁曼公司以及纽波特·纽斯造船厂联合开发研制高能自由电子激光器。美
国海军目前正在考察环形和直线形两种自由电子激光器构型，但较倾向于使用直线形构
型。直线型构型便于获得较高的输出功率，缺点是结构较长，而且对输入到摆动器的电
子束的质量要求较高，电子束能量必须达到80-100兆
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