大气对舰载激光武器的影响及对策_王晓宾

第9卷第2期装备环境工程

EQUIPMENTENVIRONMENTALENGINEERING

大气对舰载激光武器的影响及对策

王晓宾，马征征

（中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室，山东青岛266107）

摘要：强激光的大气传输效应是影响和制约舰载激光武器性能的重要因素，包括大气折射、吸收、散射、湍流、热晕和击穿，使激光发生路径弯曲、功率衰减、光强起伏、光束扩展和畸变等。从舰载激光武器的作战环境和作战特点出发，结合目前舰载激光武器的最新进展和发展趋势，综合分析了海上大气对舰载激光武器作战效能的影响，并提出了减小大气传输影响的应对措施，有助于舰载激光武器系统的合理设计和性能的最大发挥。

关键词：激光武器；大气传输；衰减；湍流；热晕中图分类号：TN241

文献标识码：A

文章编号：1672－9242（2012）02－0033-05

EffectsofAtmosphereonShipborneLaserWeaponSystemandCountermeasures

WANGXiao-bin，MAZheng-zheng

（NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment，ChinaResearchInstituteofRadioWavePropagation，

Qingdao266107，China）

Abstract：Theatmospherictransmissionofstronglaserisakeyfactorinfluencingandlimitingtheperformanceofshipbornelaserweapon,includingatmosphererefraction,absorption,scattering,turbulence,thermalbloomingandbreakdown,whichcauselaserpathbend,powerattenuation,intensityfluctuation,beamexpansionandaberration.Theeffectsofmaritimeatmosphereonshipbornelaserweaponsystemwereanalyzed,basedonitscampaignenvironmentsandspecialties,withcurrentprogressanddevelopingtrends.Thecountermeasuresformitigatingtheatmosphericeffectswereputforward.Thepurposewastoprovidereferencefordesignofshipbornelaserweaponsystemtoimproveperformance.

Keywords：laserweapon；atmospherictransmission；attenuation；turbulence；thermalblooming

在现代海战中，随着军事技术的发展和新一代隐形、高速、智能化反舰导弹的出现，常规反导武器受到极大挑战，舰艇防御对舰载激光武器的需求更加紧迫。海洋大气环境对激光传输的影响很大，成

收稿日期：2011-10-08

为制约舰载激光武器发挥作战效能的重要因素。因此，必须研究海洋大气对舰载激光武器的影响，以选择合适的激光波长和发射模式，并采取相应的应对措施。

作者简介：王晓宾（1981—），男，河南辉县人，工程师，主要从事激光探测和激光大气传输研究。

装备环境工程2012年04月

选择功能，可调至大气衰减最小的波长，是未来舰载

1舰载激光武器

舰载激光武器利用高能激光束在目标表面上产生极高的功率密度，使目标受热、燃烧、熔融或汽化，并产生爆震波，达到摧毁敌方的目的，主要用于拦截和击毁入侵的低空飞机、反舰导弹、超低空掠海飞行的巡航导弹和海面舰艇。主要特点有：1）光速出击，不必计算发射的提前量，适合于攻击低空或超低空快速运动的目标；2）反应灵敏，能迅速改变光束方向，频繁发射，对付多目标；3）杀伤力可调，可对目标进行不同程度的杀伤，适用于不同的海面作战要求；4）边际成本低，发射成本相对于导弹很低。激光武器的缺点是受天气（特别是浓雾、大雨、大雪等恶劣天气）影响较大，无法全天候作战。海洋大气中密集的水分子和盐粒会严重衰减激光能量，减小舰载激光武器的有效射程和破坏威力。

舰载激光武器主要由高能激光器、光束控制与发射系统、高精度跟踪瞄准系统组成。高能激光器是舰载激光武器的核心，用于产生高能激光束。光束控制与发射系统将激光器产生的高能激光束定向发射出去，并通过自适应补偿技术消除湍流大气对激光束的影响，以保证将高质量的激光束聚焦到目标上，达到最佳的作战性能。高精度跟踪瞄准系统用来捕获、跟踪目标，引导光束瞄准发射，并判定毁伤效果。

决定舰载激光武器防御能力的是到达目标的激光功率密度，与激光发射功率和波长密切相关，因此舰载激光武器在选取高能激光器时，考虑的主要因素有：1）发射功率高；2）能量转换效率高；3）激光波长位于大气窗口；4）光束发散小。根据作战对象和射程的不同，舰载激光武器要求的发射功率为数十千瓦到数兆瓦，在舰载激光武器研制过程中，选用的高能激光器主要有化学激光器、光纤激光器、板条激光器和自由电子激光器。化学激光器具有兆瓦级能量输出，但由于严重的“热晕”效应而逐渐被放弃[1]。光纤激光器和板条激光器技术成熟、结构简单、体积较小，输出功率为数十千瓦至数百千瓦，可以用于近距离舰船或飞机的攻击，成为中短期内舰载激光武器发展的重点。自由电子激光器，是目前最复杂、具有兆瓦级潜在输出功率的高能激光器，且具有波长

激光武器的理想选择[2]。

2大气传输效应

强激光在大气中传输时，会受到大气的各种影响，大气传输效应可分为线性效应和非线性效应。前者包括大气折射、大气吸收与散射和大气湍流等，大气吸收和散射引起激光功率衰减，大气湍流造成激光光束质量下降；后者主要有受激拉曼散射、热晕和击穿等。

2.1大气折射

大气折射使得激光通过大气传播时光程增加，激光束偏离预定的目标位置。对激光武器系统而言，既要考虑探测光束的折射，又要考虑攻击强激光光束的折射效应修正以及强激光作用后大气密度改变的折射补偿。大气折射对于战略激光武器很重要，对于舰艇近距离防御的战术激光武器则影响较小。

标准大气条件下（15℃，101325Pa）的大气折射指数ns为[3]：

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! " "#$ $%&' (&'

"%#

（1）

式中：σ=1/λvac，λvac为真空中波长，μm。温度为t，压强为p时的大气折射指数nt，p为: " !

（2）

2.2大气衰减

大气对舰载激光武器的功率衰减主要为大气分子和气溶胶的吸收和散射。大气分子的吸收由分子吸收光谱特性决定，可见光波段在0.4～0.76μm，透射率较高，红外波段在1μm，3～5μm，8～12μm吸收较弱，成为激光大气传输的大气窗口。当散射光的频率与入射光的频率相同时为弹性散射，大气分子的散射用瑞利散射理论解释，分子散射截面与激光波长的四次方成反比，与散射体数密度的平方成反比。气溶胶的散射用Mie散射理论处理。对近

第9卷第2期王晓宾等：大气对舰载激光武器的影响及对策

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海面大气环境中作战的舰载激光武器而言，气溶胶的衰减效应比分子的衰减效应更重要。

大气造成的激光功率衰减可由布尔定律描述：（IR）=I0exp［-（α+β）R］

（3）

式中：I0是激光武器的发射光强；R是激光传输距离；α是吸收系数，包括分子和气溶胶的吸收；β是散射系数，包括分子和气溶胶的散射。

受激拉曼散射是一种非弹性散射，其散射频率不同于入射频率，同瑞利散射一样会从激光束中带走部分能量。

强湍流条件下，平面波闪烁指数[5]为：

（6）

2.4热晕

强激光在大气中传输时，大气吸收部分激光能量，导致局部气体温度升高，密度降低，高斯分布的激光束能量中心高、边缘低，使得气体密度在光束中心处低、边缘处高，产生类似负透镜的散焦作用，使激光束弯曲、扩展和畸变，称为热晕效应。热晕效应是一个非线性过程，最早由Leite等人于1964年发现，需要用气体动力学方程组、驰豫方程和非线性麦克斯韦方程联立求解[6]。热晕分为稳态热晕和瞬态热晕，稳态热晕是连续波或高重复频率强激光通过大气传输时产生的，而瞬态热晕是由脉冲强激光产生的。

热晕效应与激光输出功率、光束几何参数以及与空气热力学性质有关的多种参量有关。热晕主要由大气吸收引起，某些波长的激光热晕现象严重，有些波长的热晕现象则比较轻微，研究表明1.06μm波长的激光受热晕影响较小。当存在侧向风时，下风处空气密度降低，折射率减小，形成特有的弯向上风的新月型光束分布。在近海面大气环境中湿度较大，大气的吸收、散射和湍流作用都较强，会增强热晕效应。

热晕效应可用广义Bradley-Hermann畸变参数N[7]表示为：

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(% "*+ )

2.3大气湍流

湍流是大气的一种不规则的随机运动。由于大气中局部温度、压强、密度的随机变化，引起大气折射率的随机变化，导致光束截面内的强度闪烁、光斑漂移、光束扩展以及空间相干性退化等，称为大气湍流效应。大气湍流造成激光武器光束质量大大降低，且光斑抖动使系统难以精确瞄准目标。湍流强度随高度增加而减弱，在夜间和清晨较弱，在白天迅速增大。

描述大气湍流强度的一个重要参数为折射率结

构常数 近地面湍流强度分为强、中、弱3种：强湍 ， -12-2/3-14-2/3流 ，中湍流 ，弱湍流 =10m =10m =

10-16m-2/3。Fried相干长度r0是描述大气波前畸变范围的物理量，其表达式为：

（4）

式中：λ为激光波长；C为常数，对于平面波参数来说，C=0.185。r0越大，大气湍流对激光束影响越小。

强激光通过湍流之后的光束辐照面积A[4]将从

222

（λR/D）增大到（λR/D）［1+（D/r0）］，其中，D为发

射系统光学口径直径。可以看出，湍流越强，即

()

越大，相干长度r0越短，光束面积越大，到达目标的激光功率密度就越小。

闪烁指数用来表征大气湍流引起的光强起伏的强弱。弱湍流条件下，对于平面波水平传输，对数光强起伏方差[5]为：

（7）

式中：nt为折射率随温度的变化率；α为吸收系数；P0为激光发射功率；n0为折射率；ρ为空气密度；Cp为定压比热容；v为风速；α为1/e功率点光斑半径；k为光波的波数；NE为大气衰减参量；βext为消光。系数；Nω为光束旋转参数； （5）

式中：k为光波的波数，k=2π/λ； 为Rytov指

数。

高斯光束热晕光斑峰值功率下降的经验公式为：

2-1

I=I（01+0.0625N）

装备环境工程2012年04月

（8）晕等效应的影响，在发射系统中加入变形镜，根据波前畸变的测量结果，利用自适应光学技术对光学系统的有关发射镜进行控制，使光束在系统出口处产生初步的波前畸变，在经过大气通道上的畸变后，得到相应的补偿。自适应光学对于湍流影响的补偿效果达到80%以上，对热晕效应也有一定的补偿效果。

热晕效应是一种非线性效应，当激光功率增加到一定值时，到达目标的功率密度达到最大值，进一步增加激光功率，目标上的功率密度不仅不会增加，反而会减小。

2.5击穿

当激光的功率密度大于某一阈值时，气体会吸收光子发生电离，形成高密度的等离子体，称为击穿。大气击穿的阈值功率密度通常在108W/cm2以上，与激光波长、脉冲宽度、光斑直径和气体状态（成分、压力与粒子大小）有关。波长越长，脉冲宽度越大，光斑直径越大，气体压力越大，击穿阈值越低；当气体中存在气溶胶粒子，击穿阈值将显著降低，且粒子半径越大，击穿阈值越低。大气被击穿后，等离子体的电子能够很容易地从有离子存在的激光场吸收更多的能量，迅速加热的等离子体产生一个膨胀的冲击波，使入射激光束受到阻断。光束受阻程度与等离子体区域电子密度的大小有关，电子密度越大，电子同其他粒子发生非弹性碰撞的几率也就越大，光束受阻情况也越严重。受阻情况还与气体压力有关，气体压力越大，等离子体对光束的吸收率也就越大，受阻情况也越严重。舰载激光武器发射的激光在大气传输过程中，其功率密度必须低于击穿阈值，才能不被屏蔽而到达目标。

3.3激光清除气溶胶

由于舰载激光武器工作的沿海大气环境中吸湿性气溶胶较多，对激光能量的吸收很大，且吸收加热引起的热晕效应很严重，一个可行的办法是在强激光脉冲之前发射一束先行的连续波或高重复频率激光束，使激光传输路径上的气溶胶粒子汽化，达到减小气溶胶半径和密度的目的。研究表明，0.248，1.06，10.6μm波长激光均可以清除光路上各种吸湿性气溶胶粒子[10—11]。

4结语

沿海大气环境会对舰载激光武器的性能产生严重影响。近海面低空大气中存在的高浓度水汽和气溶胶粒子会对传输在其中的激光光束产生明显的吸收和衰减，使到达目标的激光功率降低。强烈的大气湍流和热晕效应则使激光发生弯曲、扩展和畸变，造成光束质量下降，功率密度减小，指向性变差。为有效应对大气环境对舰载激光武器的不利影响，应选择合适的工作波长减少大气的吸收和衰减，采用自适应光学技术补偿大气湍流的畸变，对于影响最大的热晕效应，则可以利用先行光束清除气溶胶。

随着激光技术的发展和现代海战的迫切需求，舰载激光武器在近几年迅猛发展，已经有了成型的样机，并进行了实际环境下的作战试验，取得了令人满意的效果。但是，由于其独特的作战环境，舰载激光武器不同于陆基和空基激光武器，大气环境成为制约其发展的重要因素之一。根据激光武器最新的研究进展，特别是激光武器技术的发展趋势，分析大气对舰载激光武器的影响，有助于在今后的发展过程中，采取更好的措施减轻大气环境效应的制约，发挥舰载激光武器的最佳作战效能。

3大气传输应对措施

3.1选择合适的波长

工作于沿海大气环境中的舰载激光武器，需最大程度减小大气对激光传输的影响，因此应该选择位于大气窗口内且湍流和热晕效应又比较小的激光波长。对1.06，1.315，1.6，2.2，3.8μm波长的激光在沿海条件下的大气传输特性进行比较，结果表明1.06μm和1.6μm波长比较适合舰载激光武器使用。由于1.6μm处于人眼安全波长范围并具有在不同大气条件下性能稳定等特点，因此1.6μm波长为舰载激光武器的最佳波长[8—9]。

3.2自适应光学补偿

为了减小激光在大气传输中受到的湍流和热

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（上接第24页）

2）氮化镓功率密度非常高，在10GHz频率下可达10W/mm，砷化镓在这一频率下尚不足1W/mm。

3）效率大幅提升，相比传统仅10%左右的转换效率，氮化镓有着极高的转换效率。RFMicroDevicesInc.已开发出效率高达65%的75W氮化镓功率晶体管，这种晶体管工作时几乎不需要散热。

4）氮化镓耐压能力更高（击穿场强约3MV/cm）、频率特性更好。

在电子设备可靠性技术领域，热一直是制约着电子设备发挥其效能的瓶颈，而伴随着新材料、新技术、新工艺的发展，这一问题已逐步获得解答。如能将氮化镓材料应用在T/R组件的集成化设计中，相信对有源相控阵的可靠性水平又将带来一次变革，而相控阵技术的应用也会更加广泛。

杂度及费用的不必要增加；没有余量则只能按可靠性串联模型考虑，故障率会大幅增加。分析提出20%～30%的设计余量较为合理。

2）基于阵元基础的T/R组件高可靠性设计。对于T/R组件的高可靠性设计来讲，提高效率、提高耐受工作温度极限以及降低热耗是设计关键，第三代半导体的低功耗、低热耗、高耐受特性正适应了这一特点。因此新一代T/R组件的可靠性设计应伴随着第三代半导体材料氮化镓技术发展和微波集成化技术应用而深入开展。参考文献：

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4结论

通过对有源相控阵的原理及可靠性分析表明，有源相控阵可靠性设计须从以下两个方面入手。

1）基于构架层次可靠性表决模型的可靠性设计。系统构架必须基于产品功能考虑设计裕度，裕度不能过高也不能没有，过高会导致体积、质量、复

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