激光在军事武器中的应用研究

文献综述激光在军事武器中的应用研究2016年6月2日目录摘要 11.绪论 21.1引言 21.2激光技术发展历程 21.3激光技术在军事领域的应用的研究现状 32.激光的基本特性 42.1激光的概念 42.2激光的特点 42.3激光的产生 53.激光技术在军事领域的应用 63.1激光武器的分类 63.2已装备的激光技术军事运用 83.3激光武器的特点及局限 12展望 13参考文献 14黄河科技学院毕业设计（文献综述）第1页组研制成功了世界上第一台利用受激辐射原理工作的新型微波振荡器——氨分子微波激射器(英文名MASER)，1960年7月7日,当时在美国休斯飞机公司实验室工作的T·梅曼博士,研制成了红宝石激光器[2]，1961年夏,在王之江主持下,我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内,激光技术迅速发展,产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面,一系列新概念、新方法和新技术(如谐振腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、镧系离子的利用、自由电子振荡辐射等)纷纷提出并获得实施,其中不少具有独创性。[3]1.3激光技术在军事领域的应用的研究现状军事激光技术属于尖端技术，各国都在大力发展。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。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。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。激光技术在军事上的应用主要是实施常规打击、侦察与反侦察、精确制导、保密通信、姿态定位分析以及航空航天中的点火推进控制燃烧等。在攻防方面，占主动权的进攻更具优势，因此，激光在军事上最吸引人的应用莫过于激光武器。激光武器是指利用激光束直接摧毁目标或使之失效的定向武器，主要由激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统等部分组成。激光武器以其攻击速度快，转向灵活，可实现精确打击，不受电磁干扰等优点倍受青睐。激光武器能够像常规武器那样直接杀伤敌方人员，使某些光电测量仪器的光敏元件损坏甚至失效，击毁坦克、飞机等，其打击距离可达20km，主要代表有激光枪和激光炮。激光武器还有洲际导弹、太空中的侦察卫星和通信卫星等的高能激光武器，高能激光武器有望成为未来高科技战争中夺取空间优势的杀手锏武器。但是目前高能激光武器技术尚未成熟，按照现有的水平，今后五到十年可望在地面和空中甚至太空平台上部署，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。目前，美、俄、英、以色列等国已研制出车载和机载激光武器。2.激光的基本特性2.1激光的概念激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光，即当原子处于某一激发态时，由于受入射光子的作用，会向低能级跃迁，跃迁过程中发出的光子在频率、发射方向、相位和偏振方向等特性上都跟入射光子完全一样。这样，由于引起受激辐射，一个入射光子就产生出两个光子，这两个光子又会产生四个光子，以此类推，就产生了越来越多的性能相同的光子，使光得到加速，这就是激光[4]。2.2激光的特点1)亮度高由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点产生几千到几万度的高温。2)方向性好激光是定向辐射的,在空间传播光束发散很微小,接近平行光。一般光源(基于自发辐射)都是向四面八方发射的,发散度为4球面度(sr)，激光光束的发散角很小,所以激光在空间上能量是高度集中的,可以射得很远。激光到达接收端的光斑直径很小,在此光斑外,收不到信号,保密性好,抗干扰性强。激光射出20km，光斑直径只有20～30cm，激光照射到380000km远的月球上，其光斑直径还不到2km。3)单色性好光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，单色光的谱线宽度越窄,单色性越好,颜色越纯。激光的谱线宽度小到10-8nm,比普通光源的谱宽小上万倍。因此,激光是人类目前得到的最好的单色光源。激光单色性好,可以提高接收机信噪比和灵敏度；另外对在同一背景光干扰下进行特征识别也很有利。4)相干性好由于光由相同的光子组成，所以相干性好，能像无线电波那样进行调制，用来传递信息。时间相干性与光单色性密切相关,而空间相干性与光的方向性密切相关。2.3激光的产生激光是在光学谐振腔中产生的。它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。光学谐振腔都是由相隔一定距离的两块反射镜组成的。无论是平面镜还是球面镜，无论是凸面镜还是凹面镜，都可以用“共轴球面”的模型来表示。因为只要把两个反射镜的球心连线作为光轴，整个系统总是轴对称的，两个反射面可以看成是“共轴球面”。平面镜是半径为无穷大的球面镜。如果其中一块是平面镜，可以用通过另一块球面镜球心与平面镜垂直的直线作为光轴。平行平面腔的光轴则可以是与平面镜垂直的任一直线。共轴球面腔结构示意图共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L。如果规定凹面镜的曲率半径为正，凸面镜的曲率半径为负，可以证明共轴球面腔的稳定性条件是：激光器产生激光的前提条件是介质必须实现能级间的粒子数密度反转分布，即，或者说增益系数。但是，由于光波在实现了粒子数密度反转分布的介质中传播时还有各种损耗，只有当因增益放大而增加的光能量除了能够补偿因损耗而失去的部分外还能有剩余时，光波才能被放大。所以要求增益系数要大于一个下限值，此下限值即为激光器的阈值，它由各种损耗的大小所决定。激光器的损耗指的是在激光谐振腔内的光损耗，这种损耗可以分为两类，第一类是谐振腔内增益介质内部的损耗，它与增益介质的长度有关，叫做内部损耗，第二类损耗是可以折合到谐振腔镜面上的损耗,叫做镜面损耗。3.激光技术在军事领域的应用3.1激光武器的分类根据对目标作用效果的不同，激光武器可以分为软杀伤和硬杀伤两种方式；从作战目标角度，激光武器可以分为战略激光武器和战术激光武器两类。1）软杀伤型激光武器软杀伤（softkill）主要利用高峰值功率激光破坏对方导弹、探测器等设备上的光电传感器、光电系统，损伤红外热像仪和红外制导导弹导引头，对敌方人员致盲或致眩，软杀伤型激光武器对激光器功率要求不高，但已经成为压制光电精确制导武器、光电侦察系统等威胁的有效对抗方式，很多国家已经装备军队，并有多次实战经历。在1982年英阿马岛海战中，英军就在其战舰上安装了DEC激光眩目瞄准镜，照射阿根廷飞机，用来致眩阿方飞行员，使之观测不到目标，丧失作战能力。美国目前已装备或正在研制多种软杀伤型激光武器，主要有AN/PLQ-5、Stingray激光武器系统、Outrider车载激光致盲武器系统、CoronetPrince机载激光系统等，基本均具备能够探测和破坏光电传感器、致盲或致眩人眼的功能。2）硬杀伤激光武器硬杀伤（hardkill）是利用强激光对目标本体的瞬间烧蚀、加热和冲击作用，破坏目标的组织结构或摧毁进攻武器使其失去作战功能，作战目标包括各种类型的导弹、无人机、地面车辆等。从20世纪60年代起，美军就开展了一系列硬杀伤激光武器项目研究，从早期的气体激光器、化学激光器、自由电子激光器到固体激光器，目前，美国军方已经开展了数个与固体激光器相关的项目。1994年，美国空军开始ABL项目。指标作战距离大于460km，武器系统总重45t，载机波音747-400F运输机。2010年2月在试验中成功摧毁了一枚处于助推段的探空火箭，一枚液体燃料弹道导弹，整个过程为时不到2min。由于系统复杂、庞大笨重，化学燃料费用高、污染大、成本高昂等原因，2011年底，ABL项目下马，但通过该项目的实施，充分验证了机载激光武器打击空中和地面目标的潜力，美国在机载高能激光武器的目标搜索与跟踪、激光大气传输补偿、抖动控制和高能激光束管理等技术领域取得了一系列重大进展，为研制技术更加先进的新型机载激光武器奠定了坚实的基础。联合高能固体激光器（JHPSSL）项目由高能激光联合技术办公室、美陆海空三军联合投资，诺·格公司全程参与了研制竞标工作。2009年底，该公司的基于ZigZag板条结构的多放大链相干合成激光器达到了100kW，连续运行时间超6h，但由于一系列工程化问题，该激光器尚未进行靶场试验。但诺·格公司以ZigZag单放大链结构为原型，开发出一系列10kW级激光器模块，2011年4月，安装在水面舰艇上的诺·格公司的固态激光器击毁了一艘小型目标船只，验证了激光武器应用到海上舰艇自卫的可行性。2012年，公开Gamma军用激光器，输出功率为13.3kW，光束质量为1.4，近衍射极限；重量为500磅，体积为23英寸×40英寸×12英寸，大约为2个微波炉的体积。3)战术激光武器战术激光武器是利用激光作为能量，直接毁伤对方目标的武器，打击距离一般可达20公里。1978年3月，世界上的第一支激光枪在美国诞生。激光枪的样式与普通步枪没有太大区别，主要由四大部分组成：激光器、激励器、击发器和枪托。目前，国外已有一种红宝石袖珍式激光枪，外形和大小与美国的派克钢笔相当，它能在距人几米之外烧毁衣服、烧穿皮肉，且无声响，在不知不觉中致人死命，并可在一定的距离内，便火药爆炸，使夜视仪、红外或激光测距仪等光电设备失效。还有7种稍大、重量与常用机枪相仿的小巧激光枪，能击穿铜盔，在1500米的距离上烧伤皮肉、致瞎眼睛等。战术激光武器的“挖眼术”不但能造成飞机失控、机毁人亡，或使炮手丧失战斗能力，而且由于参战士兵不知对方激光武器会在何时何地出现，常常受到沉重的心理压力。因此，激光武器又具有常规武器所不具备的威慑作用。4）战略激光武器战略激光武器可攻击数千公里之外的洲际导弹；可攻击大空中的侦察卫星和通信卫星等。例如，1975年11月，美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时，被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中，并变成“瞎子”。因此，高基高能激光武器是夺取宇宙空间优势的理想武器之一，也是军事大国不惜耗费巨资进行激烈争夺的根本原因。据外刊透露，自70年代以来，美俄两国都分别以多种名义进行了数十次反卫星激光武器的试验。目前，反战略导弹激光武器的研制中，或是化学激光器、准分子激光器、自由电子激光器和调射线激光器。例如：自由电子激光器具有输出功率大、光束质量好、转换效率高、可调范围宽等优点。但是，自由电子激光器体积庞大，只适宜安装在地面上，供陆基激光武器使用。作战时，强激光束首先射到处于空间高轨道上的中断反射镜。中断反射镜将激光束反射到处于低轨道的作战反射镜，作战反射镜再使激光束瞄准目标，实施攻击。通过这样的两次反射，设置在地面的自由电子激光武器，就可攻击从世界上任何地方发射的战略导弹。高基高能激光武器是高能激光武器与航天器相结合的产物。当这种激光器沿着空间轨道游戈时，一旦发现对方目标，即可投入战斗。由于它部署在宇宙空间，居高临下，视野广阔，更是如虎添翼。在实际战斗中，可用它对对方的空中目标实施闪电般的攻击，以摧毁对方的侦察卫星、预警卫星、通信卫星、气象卫星，甚至能将对方的洲际导弹摧毁在助推的上升阶段。3.2已装备的激光技术军事运用激光技术用于军事，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，其主要应用有以下几个方面。1）激光制导[5]所谓制导，是指控制和导引飞行器，使其按照选择的基准飞行路线进行运动的过程，激光制导是指以激光作为传递信息的工作物质的制导。目前激光制导武器包括激光制导导弹，激光制导炮弹和激光制导鱼雷等，其原理相同，都是在原来武器系统的基础上装上一个激光寻的头和特殊的尾翼。激光制导武器的主要作用是可以大大提高武器命中率，从而降低成本，提高效费比，而且，激光制导可同时攻击多个来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标。激光制导已在实际应用中取得了很好的效果，如海湾战争中美军A-6型攻击机发射的两枚“斯拉姆”导弹，一枚洞穿了伊发电厂的防护门，另一枚从前者打开的洞进入电厂摧毁了发电机，无独有偶，在1999年“联盟行动”中，北约空军利用激光制导技术将一枚JDMA导弹从南斯拉夫领导人的卧室穿过，其精确度令世人震撼。激光制导方式有半主动寻的式、全主动寻的式和波束式(驾束式)三种，目前激光制导武器中大都采用半主动激光制导方式，即导引头(它安装在弹上,被用来自动跟踪目标并测量弹的飞行误差)与激光照射装置分开配置于两地,前者随弹飞行,后者置于弹外。但由于目前激光半主动寻制导作用距离一般在10km左右，在现代化武器作战的今天，这一距离是比较靠近敌人的，对激光发射的安全性很不利，因此，增大激光制导作用距离，并发展“打了不管”能力的全主动寻的式制导是十分必要。2）激光雷达[6]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。激光雷达在高精度和成像方面占有优势，其分辨率可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近100倍；测角速精度，理论上比微波雷达高一亿倍以上，现在已做到高1000～10000倍。军用激光雷达最成功的应用是辅助导航，特别是速度计，激光速度计可给机载导航计算机提供超精度测量，其测速误差0.5mm/s。所以，激光雷达最适用于远距离高分辨率成像。比如，生化战高手——陆用激光雷达；飞行防撞高手——空用激光雷达；捕获水下目标高手——海用激光雷达；激光雷达还可以广泛用于对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防、导弹与炮弹制导以及陆地扫雷等。3）激光测距[7]激光因其亮度高、单色性好和方向性强而成为人们渴望得到的理想测距光源，在原理上，激光测距虽然只是雷达测距在光频段的自然延伸，但激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点，它表征了测距技术的又一次重大进展，正是因为它的出现才使人类实现了以厘米级精度测定地球到月球这样遥远的距离为38400km。激光在军事上最成熟的应用是各类激光测距仪，激光测距在常规兵器中已广泛应用，有取代普通光学测距的趋势，第一代红宝石激光测距，隐蔽性差(发红光)，对人眼有损伤，且效率低，已淘汰。第二代YAG激光测距已广泛使用，但对人眼也有一定损伤。目前正在研发第三代CO2气体或固体激光测距，对人眼无伤害，将逐步取代第二代激光测距。发达国家已将激光测距技术用在潜艇的潜望镜中，与红外热像仪和电视摄像机等组合使用。4）激光通信[7]通讯设施是人类社会生活，尤其是现代社会生活必不可少的。激光的发明使通讯进入一个新天地，像雷达领域一样，通信领域也能从微波范围转向激光技术，把激光作为信息载体，实现通讯，包括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式，在不同的领域，各有千秋，如对海军来说，水下激光通信尤为重要。激光通讯与无线电通讯相比，具有信息容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离较远、设备轻便、费用经济等优点，在军事通讯中应用十分广泛。另外，在空间通讯领域，选取不被大气吸收的波长的激光可以克服无线电通讯的一些局限。可是由于激光光束在大气层里传播时会受到大气中微粒的吸收或散射，从而使激光通讯的距离受到限制。这使得目前的激光通讯只能作为无线电通讯的一个有效补充，但还不能够取而代之。目前，各国都在发展各种军用激光光纤通信系统。美国海军先后研制了“小石城”和A-7ALFOT激光光纤系统，以及美国陆军的MXC3计划。除美国外，英国、法国、日本以及加拿大等国也在大力发展军用激光通信，如英国的“松鸡”激光通信干线，法国的DFO和R-NAN光通信系统，日本陆上自卫队的光缆传输系统和加拿大的DDH-280护航舰、驱逐舰上光纤指控制系统等，由此可见激光在军事通信中的重要地位。5）激光陀螺激光陀螺利用光的多普勒效应来精确测量飞行器、舰船的转速，从而实现导航，是激光雷达，激光测距仪的重要部件，与普通机械陀螺相比，激光陀螺精度提高了上百倍，而且体积更小，激光陀螺广泛应用于导航、定位及航空航天中。我国正在建造激光陀螺生产线。6）激光模拟在激光实战演习的战场上，酷似实际战争场面，那里，炮声隆隆，硝烟弥漫，演习的双方互相射击，不时有伤员退出战场，为什么会这样？原因并不复杂，像一支激光步枪，每发射一次就射出一束激光，而演习双方战士的身上都有光电接收器和发声装置，如果某束光射中一名士兵，则通过其随身的计算机分析可以得出“死亡”，“受伤”，“丧失战斗能力”等结论，并同时发出声音和烟雾。激光模拟实战演习大大节约了演习费用，而又逼真地表现了战争气氛，确保人员生命安全，因此广为各国军队欢迎。7）激光武器激光最吸引人的军事应用当属于激光武器，该武器是一种定向能武器，是利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标的高技术新概念武器。强激光武器有着其他武器无可比拟的优点，具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰、持续战斗力强等优点，是真正意义上的“杀手锏”，科幻电影中的激光武器反映了激光武器的远大前程。激光武器主要包括激光致盲武器、高能激光武器、战术激光武器和战略激光武器等多种类型。激光武器的研制已历时30多年，美、俄、英、德、法、以色列等国在激光武器研制方面均已取得长足发展。其中尤以美国的发展最为突出和全面，目前已经具备激光武器的全面发展与部署能力，并可望于近期至未来15年中陆续部署使用天基、机载和地基等各类激光武器。同时，在现代战争中，卫星的作用越来越大，为了争夺制空权，在积极发展卫星技术的同时，都利用激光技术在发展反卫星武器，即利用激光武器摧毁敌方各种侦察卫星、预警卫星或使其失效。如1975年，前苏联就曾用陆基激光武器，顷刻之间使两颗飞临西伯利亚上空监视它的导弹发射情况的美国卫星变成了瞎子。2007年3月7日，美国激光武器的军事演习使俄罗斯一颗卫星的光电器件瞬时全部失灵。到目前为止，虽然一个激光武器的能量还无法将高轨卫星摧毁，但能用几个激光武器同时对准1颗卫星进行攻击将其摧毁，可见激光武器在军事领域的战术和战略意义。8）激光告警激光告警是对大气中的激光辐射和散射进行探测接收，对激光源的特性进行识别、定位。主要是对激光目标指示器、激光驾束制导导弹、激光测距、激光雷达、激光引信等敌激光设备和武器进行声光报警并通知相配合的武器系统进行对抗的一种基本光电武器，同时，告警系统可以对交通要道、机场和仓库等重要军事设施进行秘密监视。激光告警是激光对抗的重要环节，又分为主动告警和被动告警两类。9）激光侦察激光侦察是实施激光对抗的先决条件，激光侦察包括激光被动侦察和激光主动侦察两种形式。激光被动侦察是利用激光告警接收机截获、侦察来袭的激光威胁信号，具有波长识别、编码识别和方位识别功能，可截获激光目标指示器和激光测距机发出的激光信号，为实施激光干扰提供决策依据。激光主动侦察是利用激光源向来袭光电威胁目标发射激光探测信号，通过接收目标反射的回波信号，对来袭威胁目标种类进行分析和识别，并探测威胁目标的一些技术参数，激光主动侦察一般与激光战术致盲武器配合使用。10）激光对抗[8]激光对抗是侵略与反侵略的交战双方所采取的一种专门对抗方式，目的是保护自己，干扰对方，也就是说，尽量不让对方接收到和自己有关的激光信号，并想方去干扰其能接收到的激光信号或回波信号，甚至设法去破坏对方的激光制导系统。同样分为主动式和被动式两大类，被动式激光对抗主要采取以防为主的原则，事先对一些目标进行伪装防护，做到防患于未然，如激光隐身、烟幕干扰。主动式激光对抗是利用一定的设备，采取一定的方式，以主动还击、干扰、破坏敌方军事装置，使其不能发挥作用，如激光“致僵”武器、激光欺骗干扰、激光噪声干扰、激光致盲干扰、激光摧毁式干扰，是现代复杂电磁环境中进行光电对抗的非常有优势的对抗方式。3.3激光武器的特点及局限激光武器具有如下特点:1)速度快，命中精度高:激光束以每秒三十万公里的速度传播，是速度最快的武器，其弹道是一条直线，飞行时间可忽略，不需提前，瞬发即中，因而命中率高。2)不产生后坐力:因光子的静质量为零，故激光武器不会产生普通枪炮发射时所产生的后坐力。激光武器易于迅速变换射击方向，能在短时间内射击多个目标。3)威力大，不易受电磁干扰:由于激光能量高度集中，可毁任何材料做