高能激光武器资料

高能激光武器姓名: 周子坤

班级: 光电1班

学号：1120110406

题目：高能激光武器

摘要：高能激光武器经过近半个世纪的发展即将走入战场并在未来发挥极其重要的作用，其与传统的常规武器相比有很大差别，各个子系统在精度、稳定性和体积等方面的要求都很高。在今后发展中需要解决问题也有很多，主要有提高跟踪、瞄准系统的性能，利用自适应光学技术解决激光大气传输畸变等关键问题。

关键词： 激光器 光束控制 大气传输 自适应光学

正文：

1.导语

激光武器是一种沿一定方向发射激光束攻击目标，直接毁伤或使之失效的定向能武器，其要求到达目标上的激光能量密度和功率密度都要足够高。这类武器具有能量集中、光速杀伤、作用距离远、高命中精度、单发成本低、抗电磁干扰能力强等优点，因此高能激光武器在未来战争中具有巨大的应用前景。下面本文将简要介绍高能激光武器的研究现状和未来发展中需要解决的关键技术。

2.高能激光武器的组成结构

高能激光武器通常由高能激光器及光束控制和发射系统组成。

2.1高能激光器

激光器的种类有很多种，可以按照输出激光波长、工作介质、激励方式和运行方式等几个方面对激光器进行分类。本文只介绍几种已经发展较为成熟和正在发展的高能激光器。

2.1.1二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是一种气体分子激光器，工作气体是CO 2，辅助气体有N 2、He 或Xe 等，辅助气体可以提高激光器的输出功率。二氧化碳激光器有多重激励方式，如电激励、光激励和气动热激励等。电激励二氧化碳激光器效率最高，能量转换效率达20%~30%，此外这种激光器结构简单，工艺成熟。不过二氧化碳激光器发射的最主要波长是10.6μm ，虽位于8μm~12μm 的大气窗口（电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段称为大气窗口），但在湿度大的地区由于水蒸气吸收严重而不适合使用。

2.1.2 HF/DF 化学激光器

化学激光器是一种以工作物质发生化学反应释放的能量为激发能的激光器，优点在于除辅助系统用电外不需要电源，可获得高能量、高功率输出。现在研究较多的高能化学激光器有氟化氢化学激光器、氟化氘化学激光器等。

氟化氢激光器的工作物质是HF ，其链式反应为：

F+H 2→HF*(?≤3)+H ；?H ：-1.33?105 J/mol

H+F 2→HF*(?≤10)+F ；?H ：-4.10?105 J/mol

化学泵浦反应所释放的能量产生激发态HF*，形成粒子反转，产生HF 激光

[1]。HF*分子的振动能级差1=?υ的振动—转动跃迁激光波长为2.6μm~3.0μm ，位于大气强吸收带，在大气中传输困难，适合在大气层外应用。

与HF 激光器一样，DF 激光器的化学泵浦反应所释放的能量产生激发态DF*，形成粒子反转，产生DF 激光。其链式反应为：

F+D 2→DF*(?≤4)+D ；?H ：-1.28?105 J/mol

D+F 2→DF*(?≤10)+F ；?H ：-4.16?105 J/mol

DF 激光振动—转动跃迁激光波长为3.6μm~4.0μm ，位于3μm~5μm 的大气窗口。

2.1.3二极管泵浦固体激光器

传统的固体激光器是由宽带弧光灯泵浦的，这些灯发出的辐射光谱很宽导致

了大部分辐射并没有利用上。二极管激光器经调定可在特定的波长下发射激光，因此二极管泵浦激光器对泵浦光的利用率很高。此外，泵浦效率的提高还改善了光束质量。

二极管泵浦激光器的优点有：

（1）具有较高的光—光效率和电—光效率；

（2）可靠性高、寿命长；

（3）结构紧凑、体积小、刚性好、易于搭载在不同的作战平台上。

2.1.4自由电子激光器

自由电子激光器利用电子束与电磁波通过泵浦电磁场的相互作用，经受激发射放大短波长辐射。这里所说的电磁场可以是一个电磁波，也可以是空间上周期性变化的静磁场或静电场，最常用的是叫做摇摆器（波荡器）的周期性静电场。当电子束通过摇摆器时，受到空间周期性变化横向磁场的作用，产生周期性震荡，被捕获和群聚在由辐射场和摇摆场产生的有质动力势阱中的电子产生相干辐射。自由电子激光器的原理如图1所示：

图1 自由电子激光器原理示意图

自由电子激光器的优点有：

（1）波长可以连续调节，覆盖从X—激光到微波波段，具有高质量光束；

（2）具有高功率、高能量输出的潜力；

（3）激射介质是自由电子，几乎无热管理问题。

2.2光束控制和发射系统

光束控制的目的是使高能激光精确、稳定地照射在目标的瞄准点上。要击中目标，就要捕获、跟踪、瞄准目标然后发射激光并使激光束稳定地照射在瞄准点上。

光束控制系统和发射系统的主要功能应该包括：

（1）捕获、跟踪、瞄准目标并精确锁定目标；

（2）经导光光路、光束变换完成各种激光束（主激光、信标激光、照明激光）的扩束、对准、调焦和发射；

（3）实现高能激光器输出的主激光的光束稳定和净化；

（4）实现对光路中光学器件和大气传输引起的激光束波前畸变的自适应光学校正。[2]

光束控制和发射系统由跟踪发射望远镜、光束变换和导光光路组成。光束控

制系统还包括对主激光进行稳定和净化系统，以及对大气传输和光路元件引起的激光束波前畸变进行校正的自适应光学系统。自适应光学系统由进行像差补偿的的感知测量装置、感知测量信号处理器和消除像差危害的波前变更系统组成[3]。

3.激光武器技术发展所需解决的关键问题

3.1跟踪、瞄准系统性能的提高

激光武器系统需要高精度的光束稳定跟瞄技术，实现很高的目标跟踪瞄准精度、较高的跟踪角速度和角加速度。其跟踪精度若要达到微弧度量级，需要采用红外跟踪、电视跟踪、激光角跟踪等综合措施实现精密跟踪瞄准。在技术措施上，需要采用高性能的光电跟踪传感器、复合轴跟踪支架、复合控制共轴跟踪等技术来组建成像跟踪器[4]。

空中目标或空间目标辐射在到达地面之前，由于大气层中存在分子散射和气溶胶散射，导致透射光谱分布向红区移动，色温同时也会降低。如果目标辐射来源于对太阳光的反射和散射，则目标光谱特性与太阳光谱特性相似，大气散射的结果使得目标的对比度随着波长的增加而增大。因此，可以根据目标的光谱辐射特性，设计不同的滤光片抑制背景的影响，进而提高目标背景对比度[5]。

此外，在跟踪算法上也有不同的选择，例如边缘跟踪算法、质心跟踪算法、形心跟踪算法及相关跟踪算法等。各种跟踪算法都采用波门跟踪的形式。在选定目标后，使用适当大小的波门框住目标，就可以只处理波门内的图像数据，省去大部分背景的计算，只对所选跟踪点附近区域进行处理，极大程度的提高了处理速度和效率。

3.2激光大气传输

激光在大气传输中因经历多种线性效应而降低了光束质量，限制了长程的高效率传输。其线性效应主要有：大气分子与气溶胶的吸收与散射，大气折射效应，大气湍流导致激光束的扩展、闪烁、漂移和相干性损失。

（1）大气散射与波长有关，波长越长，散射越弱。

（2）大气吸收特性与分子的电子能级、振转能级有关。大气吸收表现出来的最主要的特点是热晕现象。热晕现象是非线性过程，对于高功率激光产生的结果相当严重，存在临界功率Pc，激光功率一旦大于该值，到靶功率密度将不能继续提高反而会下降。风速还将影响热晕计算的结果，当风速大时，热晕现象明显降低[6]。功率密度与发射功率、风速的关系如图2所示：

图2 功率密度与发射功率、风速的关系图

（3）大气折射率是气压和温度的函数，而气压和温度是随高度变化的物理量，因此随离地高度的变化存在折射率梯度，使得光传播的光程增加及其轨迹产生弯曲，这种效应成为大气的折射效应。这种效应将会造成待测目标的角位置和距离的测量误差。

（4）大气湍流（大气折射率在短时间和小范围内随机变化）影响激光束在大气中的传输，传输光束的波前将随机起伏，引起光束抖动、光斑漂移和光束扩展。大气湍流对激光武器的影响可以通过以下几个物理量来衡量：

①相干长度r 0 ：描述激光波前畸变范围的物理量。如果激光武器的发射口径大于r 0，在没有自适应光学系统的情况下，激光波前将发生严重畸变。

②准直平面角0θ：具有一定发散角的激光在大气中传输时，光束中各部分可

视为经历相同路径所能允许的最大激光发散角。

0θ主要应用于自适应光学信标激光。由于大气的影响，信标激光的发散角若过大，其经历的大气路径将不同，回波信号用于修正波前将无效。显然0θ是距离和大气湍流强度的函数。在一定的大气湍流条件下，距离越远0θ将越小，对信标光的发散角要求将越高。如果0/D θλ<，自适应光学系统将无法用于修正大气。

③湍流频率G f ：描述大气湍流频率的物理量。在目标较近、移动速度较慢

时，G f 较小；目标较远、移动速度较快时，G f 较大。

④闪烁指数σ：描述湍流造成的能量损失的物理量。[7]

3.3校正式自适应光学系统

校正式自适应光学系统由波前传感器、波前校正器、波前复原和控制器以及信标组成。信标是指来自目标或目标附近的点光源，带有光束传输路径上的相位畸变信息[8]。自适应光学技术是利用相位共轭原理来校正大气湍流效应和热晕效应的影响。相位共轭共轭原理如图3所示：

图3 相位共轭原理图

相位共轭自适应光学技术用于目标跟踪和激光发射系统时，信标激光和主激

光应是共口径接受和发射。通过波前传感器测量从目标处发射回来的信标光束的波前误差，并利用波前校正器重构相位波前，产生校正信号，经功率放大器放大后控制变形反射镜致动器，使镜面产生共轭形变，实现波前畸变修正。

3.3.1波形传感器

波前传感器用于探测信标激光中包含的相位畸变信息。波前传感器的类型有：剪切干涉仪、哈特曼-夏克传感器和曲率传感器等。目前得到广泛应用的波前传感器是哈特曼-夏克传感器，其属于斜率或倾斜传感器类型，结构简单灵活性好。哈特曼-夏克波前传感器包括一个子孔径阵列和阵列探测器，可用小透镜阵列将光学系统的孔径划分为多个子孔径，用阵列探测器测量每个子透镜后像点的中心偏移，通过中心偏移来得到各个子孔径的波前斜率。预先用标准平面波光束标定子孔径远场光斑质心，通过子透镜焦面（x,y面）信标焦斑中心与标定质心的偏移量得到子孔径光束倾斜率 （rad），用于重建波前相位面，产生变形镜面控制量。

3.3.2波前校正器

波前校正器可分为反射式和折射式。常见的折射式波前校正器波前校正量大，但是校正精度低，而且不能承受强激光辐射。

反射式波前校正器包括倾斜反射镜和变形反射镜。倾斜反射镜是通过转动反射镜面来校正波前畸变中的整体倾斜量；变形反射镜是由改变镜面形状来改变反射光光程，即通过预置波前相位来补偿原有的波面畸变。在目前的强激光自适应光学系统中，常用驱动方向垂直于镜面的分立驱动连续表面反射变形镜。其波前精度高，可得到连续面形[9]。

3.3.3波前复原与控制系统

波前复原与控制系统需要实现波前复原和控制波前校正器实现波前校正。复原系统首先将波前探测器得到的波前畸变的斜率分布转换为波前相位分布，即波前复原。控制系统利用波前相位分布产生控制信号驱动变形镜校正元以实现波前相位校正。

由于斜率传感器测量得到的是各子孔径的波前平均斜率，而波前校正器则是利用校正电压修正波前相位误差，因此需要建立一种波前重构算法（复原算法）将斜率值转化为波前相位误差值，也即波前校正器上的校正电压值。波前重构算法包括区域法、模式法、直接斜率法和变形爬山法等。

Zernike模式法是一种常用的波前重构算法，对于圆形区域上的波前相位畸变，通常利用在圆域上正交的圆域Zernike多项式进行重构，对于环形激光光束，则需要用环域Zernike多项式进行重构[10]。

自适应光学系统控制算法的种类有很多种，目前用的是PID等经典算法，通过调整控制器参数，尽量提高系统的控制带宽和稳定性，这种控制器结构简单、控制效果较好，但相位滞后大[11]。另一中经典控制算法是相位超前—滞后校正算法，通过在简单积分器上加入相位超前—滞后校正，提高了相位容裕量和带宽。自适应控制是在一定约束条件下的最优控制，具有主动适应外界环境变化的能力，自适应控制算法将是解决自适应光学系统最优控制问题、提升激光武器性能的一种重要途径。

就未来发展方向而言，自适应光学系统应该将发展方向侧重到以下两点：（1）高精度的波前传感器，这就要求微透镜阵列像差要尽可能小、焦距精度高，并且要尽量提高阵列探测器的动态范围。

（2）提高变形镜的动态范围和开发高精度的变形镜。目前使用的几种变形反

射镜都存在着校正单元数少，波前变形动态范围小的缺点。

4.总结

本文简要介绍了高能激光武器的组成结构。重点讨论了大气对高功率激光传输的严重影响并探讨了用于激光武器的自适应光学系统，对高能激光武器的发展具有一定参考意义。

[1]苏毅万敏.高能激光系统.国防出版社. 2004年第一版66页

[2]苏毅万敏.高能激光系统.国防出版社. 2004年第一版155页

[3]宗思光. 高能激光武器技术与应用进展. 激光与光电子学进展. 2013年

[4]宗思光. 高能激光武器技术与应用进展. 激光与光电子学进展. 2013年

[5]邹江威. 强背景弱信号目标光电检测技术研究. 2004年

[6]邵俊峰张强. 战术激光武器中的自适应技术. 光电信息. 第27卷第12期

[7]葛筱璐黄印博范承玉. 湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响. 大气与环境光学学报. 第1卷

[8]苏毅万敏.高能激光系统.国防出版社. 2004年第一版211页

[9]胡邵云钟鸣左研樊红英. 自适应光学在固体战术激光武器中的应用. 激光与光电子学进展. 2006年第43卷第2期

[10]胡邵云钟鸣左研樊红英. 自适应光学在固体战术激光武器中的应用. 激光与光电子学进展. 2006年第43卷第2期

[11]聂光戍刘敏魏瑞轩蚩军祥聂宜伟. 模糊自适应PID控制在机载激光武器跟瞄系统中的应用. 弹箭与制导学报. 第33卷第2期