“光束控制”--激光武器的核心技术

发布时间:2020-11-18 阅读次数:2644

激光武器

为什么需要“光束控制”?

               

激光武器具有光速攻击的特性,打击目标所需的提前量几乎可忽略不计,瞄准远距离目标后,可立即打击、即刻交战。然而,激光武器难以“秒杀”目标,要想达到预期的杀伤效果,需要一定的持续辐照时间。通常情况下,对光电系统的毁伤仅需要毫秒至1秒量级的持续辐照时间,但是毁伤导弹、无人机等作战目标,需要1-10秒甚至更长的持续辐照时间。正是由于持续辐照的需要,激光武器打击目标要想达到预期破坏效果,除应具备高光束质量、高功率激光光源外,还必须借助一个功能完善、结构精密的光束控制系统,用于识别和确定目标打击点,并持续在指定打击点上维持较小的聚焦光斑。


光束控制的目的是将高能激光发射到目标打击点,并将光束稳定在打击点上直到毁伤效果实现。以战术激光武器拦截火箭弹为例,激光武器的作战过程如图1所示[1]。雷达捕获目标后,激光武器的光学跟踪器转向雷达指引方向,开始精确跟踪并选择目标瞄准点,待目标进入射程之后开始发射激光,持续照射一段时间直至摧毁目标。从光学跟踪开始一直到摧毁目标,光束控制系统始终发挥重要作用。


图1 战术激光武器拦截火箭弹作战过程



什么样的光束控制?


               

激光武器的光束控制是一项极其复杂的技术。假设激光武器具有近衍射极限的光束质量,其工作波长为1微米,有效发射口径为1米,用以打击100千米以外的,飞行速度为1千米/秒的导弹,目标点处光斑直径仅为25厘米左右,将如此小的光斑稳定保持在100千米外高速运动目标上,其难度可想而知。而且在整个交战过程中,还有许多可降低激光到靶功率密度的因素需要克服,比如光斑抖动、光束漂移、大气湍流和热晕造成的光束畸变等,这些都需要通过有效的光束控制来降低影响。这就要求激光武器具有极高的目标识别能力,极高的指向精度。


为此,光束控制系统必须做到:


(1)高精度跟踪作战目标,将特定瞄准点成像;

(2)控制抖动和漂移,将光束稳定在目标打击点上;

(3)实时校正大气扰动引起的光学畸变,尽量在目标打击点上保持最小光斑。



如何实现?

            

在激光武器中,光束控制是通过光束定向器来实现的。光束定向器其实是一架特殊的望远镜,它不仅能够接受来自目标的弱光,实现对目标的跟踪瞄准,而且还能发射来自激光器的强光,对目标实施精确打击。光束定向器的外形如图2所示[1]

图2 美国战术激光武器(THEL)光束定向器


望远镜可以对目标清晰成像,这是实现跟踪瞄准的基础。望远镜通常被放置在一个包含水平轴和俯仰轴的两轴(也有三轴)转台上,使其能够观测运动目标并向目标发射激光。以跟踪导弹为例,当望远镜捕获到在空中飞行的导弹目标时,为了跟踪打击目标使其始终位于望远镜的视场中心,需要根据望远镜视轴与目标视线的偏差角大小来实时控制水平轴和俯仰轴的转动,同时通过调节望远镜的焦距,实现目标的清晰成像,此时若从望远镜发射激光,就能聚焦到目标上。至此,初步的光束控制就实现了。


对于实际系统,由于两轴转台体积重量偏大,发射望远镜系统惯性大,响应慢,要控制激光光束在导弹特定位置上,持续照射一段时间还是很困难的,还需要增加一个精度更高的光束控制结构——快速倾斜反射镜,它能够控制光束在小范围内快速偏转,能够快速修正两轴转台的粗跟踪偏差,从而实现对激光束的高精度控制,主动修正光束在目标点上的抖动和漂移。两轴跟踪机架与快速倾斜反射镜的有机结合就构成了复合轴跟踪结构,能够实现对目标的稳定跟踪和激光束的高精度指向。



图3 复合轴跟踪望远镜结构示意图


激光在大气中传输时,湍流、热晕等大气效应将引起激光波前畸变,造成目标处光斑扩散,使到靶激光功率密度降低。这就需要在光束控制器中增加自适应光学系统,实时校正传输路径上大气扰动引起的畸变,提高激光武器系统的光束质量和跟瞄精度,减小目标处光斑的抖动和扩散,从而提高激光到靶功率密度。这部分内容将在后续文章中详细介绍。


同时,为了提高对目标的探测和识别能力,还需要一个独立的照明光源,对目标实施主动照明。照明光源也是一种激光光源。在传输过程中,大气会引起照明激光的光束破碎,造成目标上的不均匀照明,从而影响精确跟踪的精度,为减少这一影响,可采用多束光照明[2]。在作战目标处于不可见或自身亮度不足的情况下,主动照明可以大大提高光束控制系统的跟踪距离和成像清晰度,从而提高系统的跟踪和瞄准精度。



最新进展

           

传统的激光武器采用单孔径光束发射技术。近年来,光纤激光器和固体激光器取得了快速发展,要实现用于激光武器的高功率输出,这两类激光器都需要进行多束激光器的功率合成。这就对光束控制提出了新的要求,促进了光束控制技术的新发展,多孔径合成发射技术和激光相控阵技术是两类典型代表。


1.多孔径合成发射技术


以德国莱茵金属公司激光武器系统为例,其多孔径合成发射技术示意图如图4所示,多个单孔径高能激光系统都含有各自的光束定向器,他们共用一个照明激光,照明激光照射目标后,从目标反射的激光被各个激光武器模块的光束定向器接收,经联合控制后,将多个高能激光束发射到同一目标位置上,实现各个光束在目标上的非相干叠加,从而实现功率的提升[3]


图4多孔径合成发射技术示意图


图5 德国莱茵金属公司30千瓦地基防空高能激光武器


德国莱茵金属研制的30千瓦高能激光武器系统如图5所示[4]。武器系统采用模块化管理,将3个10千瓦光纤激光器模块整合到武器系统中,基于多孔径合成发射技术,实现功率叠加。2013年10月,德国莱茵金属公司在位于瑞士的试验中心,开展了30千瓦地基防空高能激光武器打击空中移动目标的试验,完成了目标搜索、捕获、跟踪和打击的全作战序列测试,武器系统具有快速、灵活的作战特点,可应对无人机的密集进攻以及炮弹的连续攻击。采用多孔径合成发射技术,德国莱茵金属公司还制定了100千瓦激光武器的研制计划。


2.激光相控阵技术


激光相控阵技术以多路相干激光作为光源,利用多孔径相干合成实现高功率激光输出,通过阵列激光的相位锁定和调整实现激光能量的远场高效聚焦与光束偏转控制,是一种结构模块化、重量体积轻小化、功率可灵活扩展的新型高能激光武器光束控制技术。



图6 激光相控阵系统结构图


激光相控阵的系统结构如图6所示,与传统的激光武器系统结构相比,激光相控阵利用多个小口径合成实现等效大口径发射效果,不仅可以极大的减小系统体积、重量和功耗,而且这种无须机械转动即可实现光束扫描控制的设计,具有灵活、快捷、无惯性等优点,可实现快速高精度光束控制。与此同时,激光相控阵的阵列化、多路数结构有效降低了系统的热效应,可通过扩充阵列相干光源的数量,大幅提升系统功率,而且单元光束的相位操控功能可替代传统激光武器结构中的自适应光学系统,实现大气效应的有效补偿。


自2000年以来,美国国防部先进研究项目局(DARPA)一直致力于推动激光相控阵的研究,先后推进多个与光纤激光相控阵相关的项目。光纤激光相干合成是实现激光相控阵的基础,相关研究已经取得了较好的进展。然而,实现全电控制的高精度、高速度、大角度光束扫描,仍面临着众多技术挑战,激光相控阵走向实用仍需很长时间。




参考文献

  1. J. Schwartz, G. T. Wilson, and D. Avidor, Tactical High Energy Laser [C] Proc. SPIE, 2002, 4632(1): 10-20.

  2. C. Higgs, H. T. Barclay, D. V. Murphy, and C. A. Primmerman, Atmospheric compensation and tracking using active illumination [J]. Lincoln laboratory journal, 1998,11(1): 5-26.

  3. K. Ludewigt, T. Riesbeck, B. Schünemann, A. Graf, M. Jung, T. Schreiber, R. Eberhardt, and A. Tünnermann, Overview of the laser activities at Rheinmetall Waffe Munition [C]. Proc. SPIE, 2012, 8547: 854704.

  4. K. Ludewigt, T. Riesbeck, T. Baumgärtel, J. Schmitz, A. Graf, M. Jung, Mobile and stationary laser weapon demonstrators of Rheinmetall Waffe Munition [C] Proc. SPIE, 2014, 9251: 92510N.




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