激光塑造大氣透鏡技術(shù)分析

易亨瑜，齊 予，易欣儀，劉寶林

（1.中物院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900；2.復(fù)旦大學(xué) 化學(xué)系，上海 200438；3.軍事科學(xué)院 國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100142）

引言

2017年1月16 日英國BAE系統(tǒng)公司提出了一項“激光塑造大氣透鏡（laser developed atmospheric lens，LDAL）”的武器概念[1-5]，即利用高能激光在大氣層形成類似于透鏡的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對敵方目標(biāo)的有效監(jiān)視。此類武器一旦取得突破，可以利用廣袤的電離層發(fā)揮巨大的軍事作用。目前，該系統(tǒng)雖然在實際工程化方面仍然存在著很多現(xiàn)實問題，但BAE系統(tǒng)公司相信未來50年內(nèi)可研制出該系統(tǒng)，而且其獨特的創(chuàng)新方式，將會牽引一系列的科學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)和軍事技術(shù)的革新。該公司未來技術(shù)專家尼克·科洛西莫興奮地宣稱其為顛覆性新興技術(shù)。

激光塑造大氣透鏡技術(shù)目前還處于概念研究階段，在實現(xiàn)中將面臨若干技術(shù)挑戰(zhàn)，例如大氣透鏡采用何種效應(yīng)、何種方式進行塑造，需要多大功率的激光光源，其電力需求如何，能否實現(xiàn)小型化等等。雖然一些重要網(wǎng)絡(luò)媒體報道了該事件，不過僅限于模糊的概念層面，迄今為止，在技術(shù)細節(jié)層面，我們尚未得知BAE公司發(fā)表的相關(guān)文獻。本文將系統(tǒng)介紹LDAL技術(shù)的應(yīng)用需求，詳細分析其產(chǎn)生機制及可能采用的系統(tǒng)構(gòu)成，最后分析其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 研究背景

獲取情報信息是軍事作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有舉足輕重的作用，它涵蓋了戰(zhàn)前的情報偵察監(jiān)視、中間的戰(zhàn)場態(tài)勢情報獲取和戰(zhàn)后的作戰(zhàn)效果評估，貫穿了整個作戰(zhàn)過程。目前情報獲取方式一般采用偵察衛(wèi)星和偵察機，其中戰(zhàn)場態(tài)勢的長期監(jiān)視，主要利用偵察衛(wèi)星，但是光學(xué)成像偵察衛(wèi)星存在許多不足。首先如何進一步提升空間分辨率，是光學(xué)成像偵察衛(wèi)星當(dāng)下和長期的追求目標(biāo)；其次光學(xué)成像偵察衛(wèi)星圖像信息的獲取，受到時間、空間、軌道特性、載荷能力、氣象、光照等諸多因素的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星過境時間段內(nèi)可偵察的區(qū)域遠遠小于其覆蓋的區(qū)域；另外各國常用衛(wèi)星過境預(yù)報方式，進行軍事偽裝來躲避敵方偵察衛(wèi)星的偵察，導(dǎo)致衛(wèi)星偵察存在誤警率或虛警率；最后還可對軍事偵察衛(wèi)星進行干擾、欺騙和打擊。

相比之下，采用LDAL技術(shù)進行軍事偵察，能夠靈活應(yīng)對目標(biāo)的反偵察活動。BAE公司的視頻顯示，它可利用口徑巨大的大氣透鏡，將目標(biāo)信息的分辨率提高幾個數(shù)量級，從而大大提高情報偵察和監(jiān)視能力，為后續(xù)的情報分析、目標(biāo)鎖定、精確打擊、毀傷評估等活動奠定基礎(chǔ)。其次，LDAL平臺機動性強，不受軌道等因素限制，偵察距離更遠，偵察范圍更大；另外偵察監(jiān)視的方式較偵察衛(wèi)星更加靈活，可靈活應(yīng)對敵方的反偵察措施。利用LDAL系統(tǒng)偵查敵方陣地構(gòu)想如圖1所示。

圖1 利用LDAL系統(tǒng)偵察敵方陣地Fig.1 Surveillance by LDAL system

一旦LDAL系統(tǒng)偵察到敵方重要目標(biāo)后，可迅速并持續(xù)鎖定目標(biāo)，為導(dǎo)彈提供持續(xù)的制導(dǎo)信息，能有效應(yīng)對敵方誘餌欺騙、電子干擾等措施，極大地提高命中概率。尤其在應(yīng)對敵方雷達關(guān)機等措施上，還可為反輻射導(dǎo)彈提供反雷達制導(dǎo)信息。火力攻擊距離可大大提高，甚至一些作戰(zhàn)將從傳統(tǒng)的超視距作戰(zhàn)變?yōu)殚g隔幾千km的非接觸式作戰(zhàn)。

空間平臺或臨近空間多種平臺配裝的LDAL系統(tǒng)，可利用多個大氣透鏡的組合，形成空天大氣光學(xué)器件網(wǎng)絡(luò)，對地球進行分時分域偵察監(jiān)視覆蓋。在此基礎(chǔ)上，用地面或空中遠程導(dǎo)彈構(gòu)建空中地面聯(lián)合火力網(wǎng)，利用地球大氣光學(xué)器件網(wǎng)絡(luò)進行跟蹤和輔助通信，對地面或空中任何位置發(fā)射的導(dǎo)彈進行目標(biāo)指引，可有效攻擊全球目標(biāo)，實現(xiàn)“全球感知，全球打擊”。因此BAE提出的LDAL概念，將在未來太空作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

2 產(chǎn)生機制

高功率激光在大氣中傳輸時大氣吸收激光能量，引起光束傳輸路徑中氣體溫度升高，折射率發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)[6-7]。另外，高功率激光通過介質(zhì)時也將產(chǎn)生克爾效應(yīng)，使介質(zhì)折射率不均勻，從而引起非線性位相延遲并疊加在傳輸光束的波前上，導(dǎo)致激光束產(chǎn)生自聚焦和自散焦等現(xiàn)象[8]。根據(jù)BAE公司發(fā)布的視頻演示，LDAL系統(tǒng)通過空間軌道上的特種空天飛機發(fā)射高功率脈沖激光，對大氣層的小部分區(qū)域進行短時電離或加熱，暫時將地球大氣轉(zhuǎn)化為類似反射鏡、玻璃透鏡和類似菲涅爾波帶片等光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電磁波的折射、反射和衍射等。

單透鏡成像公式如下：式中：a為物距；b為像距；f為透鏡焦距。根據(jù)成像公式，當(dāng)大氣透鏡物距a小于f時，人眼將從空中觀察到地面目標(biāo)放大的虛像；當(dāng)a大于f時，透鏡將展現(xiàn)地面目標(biāo)的實像。鑒于LDAL系統(tǒng)采用CCD相機作為成像器件，可能需要觀察目標(biāo)的實像。

激光塑造大氣透鏡需要利用高功率脈沖激光，在一個大氣平面上產(chǎn)生不均勻的N×N二維陣列，如圖2所示。陣列中各單元的大氣具有特定的折射率或相位差，能夠?qū)饩€產(chǎn)生不同角度折射，該陣列形成一個綜合的相位屏，從而實現(xiàn)透鏡功能。

圖2 BAE系統(tǒng)公司LDAL構(gòu)想Fig.2 LDAL conception of BAE system corporation

在改變陣列單元的折射率或波像差方面有加熱和電場作用兩種方式。

2.1 熱效應(yīng)

在聚焦束作用下大氣受熱后的變形為自由膨脹，因徑向尺寸無限大，可簡化為一個均勻薄板。陣列i單元中的大氣受熱后溫度分布T使其產(chǎn)生波像差，近似到二階。折射率n（T）可以表示為

同樣近似到二階，該處大氣厚度的改變可以表示為

式中dL/LdT是大氣的熱膨脹系數(shù)。i單元大氣由于溫度變化產(chǎn)生的相位差為

對于短脈沖高峰值功率（MW級）激光器，其脈沖重復(fù)頻率一般較低（如數(shù)十Hz），光束尺寸較小，其熱透鏡效應(yīng)持續(xù)時間大約為幾個ms[9]。

2.2 克爾效應(yīng)

在高功率激光領(lǐng)域中，克爾效應(yīng)是常見的非線性效應(yīng)之一。假定大氣中某陣列單元的激光電場形式為

式中：E表示規(guī)范化電場強度；A代表場振幅，與光強度的關(guān)系為I= |A2|；k為波矢量，其方向與傳播方向Z相同。為簡化起見，橫向僅考慮x方向上的一維情況，則非線性介質(zhì)的折射率滿足[10]：

式中：n0表示介質(zhì)的線性折射率；n2表示介質(zhì)的克爾系數(shù)。

熱效應(yīng)和克爾效應(yīng)都是可逆的，一旦停止發(fā)射激光脈沖，大氣就會恢復(fù)正常狀態(tài)，不會對環(huán)境造成危害。

根據(jù)文獻[11]描述的大氣結(jié)構(gòu)，大氣密度隨高度增加而迅速下降。采用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，地面上大氣密度為1.225×103g/m3，在120 km高度上大氣密度為2.46×10?5g/m3，下降約5×10?7倍。因此激光塑造的大氣透鏡若高度超過100 km，則大氣的熱效應(yīng)可忽略，此時克爾效應(yīng)將成為主要的產(chǎn)生機制。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

BAE系統(tǒng)公司的“激光塑造大氣透鏡”概念，來源于民用太陽能采集方法的美國設(shè)想專利[12-13]，并在此基礎(chǔ)上進行了改進[14]。下面借用專利[12]中圖示（如圖3所示），闡述LDAL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

LDAL系統(tǒng)包括1個火控子系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)子系統(tǒng)（圖3中4所示），1套高功率激光器及其電源（圖3中1和2所示），1套光束發(fā)射器（圖3中3所示），1個CCD相機及其電源（圖3中5和6所示）。對于給定聚焦長度的大氣透鏡，可根據(jù)成像公式演算出LDAL系統(tǒng)的高度。

圖3 LDAL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of LDAL system

3.1 工作步驟

系統(tǒng)工作時激光器和光束發(fā)射器首先進行預(yù)備，當(dāng)火控子系統(tǒng)發(fā)出信號后，激光器經(jīng)過光束發(fā)射器發(fā)射出一路高功率激光束（圖3中7所示），作用在預(yù)定距離處大氣平面上（圖3中8所示）的一個單元上（圖3中9所示），改變其相位φi；再通過光束發(fā)射器的精確指向，快速掃描其他單元，從而將8變成一個大氣透鏡；然后地面目標(biāo)信息通過光束10聚焦到CCD相機6上；最后根據(jù)CCD成像質(zhì)量，反饋到控制單元4中，采用“強度爬山法”對大氣湍流進行實時補償，提高目標(biāo)成像的清晰度。其中大氣透鏡的口徑由目標(biāo)分辨的瑞利判據(jù)決定。

在激光塑造大氣透鏡中，不同單元都由相同的激光源產(chǎn)生，因此激光束的空間光強分布形態(tài)對整個大氣透鏡的質(zhì)量影響不大，再加上自適應(yīng)光學(xué)的校正，該影響可忽略。

3.2 透鏡塑造方式

BAE公司視頻顯示，在激光塑造大氣透鏡過程中采用的透鏡塑造方式是，利用高功率脈沖激光在一個大氣平面上產(chǎn)生二維矩形陣列，見圖2所示。鑒于透鏡一般是徑向?qū)ΨQ，故軸對稱的矩形陣列方式提高了單元相位的控制難度。另外，塑造一個完整的大氣透鏡需要對單元相位的改變大于2π，也增大了電力消耗。相比之下，將大氣塑造成為一個菲涅爾波帶片，只需要將單元相位改變?yōu)?和π，使用2個激光參數(shù)進行快速的圓形掃描，這樣不僅降低了相位控制難度，而且減少了電力消耗。菲涅爾波帶片成像公式如下：

從（7）式得出菲涅爾波帶片是多焦距系統(tǒng)，在視軸上將依次出現(xiàn)第3、第5、……級焦距。在圖像監(jiān)測中，尤其是采用高速攝影方式時將分散目標(biāo)獲取的光強信號，減少所成圖像的對比度指標(biāo)。

除文獻報道的上述兩種方式外，還可采用二元光學(xué)方式來降低相位控制難度，減少電力消耗，同時保留成像對比度。在二元光學(xué)中，透鏡可等效于一個主能級和帶有幾個次能級的連續(xù)界面，其最大相位差在2π之內(nèi)。二元光學(xué)器件的次能級數(shù)可設(shè)置為2、4、8等層數(shù)，透鏡的二元光學(xué)器件也呈徑向?qū)ΨQ陣列分布，如圖4所示。從圖4可以看出，二元光學(xué)透鏡呈徑向?qū)ΨQ，便于使用激光中少數(shù)幾個參數(shù)進行快速的圓形掃描，這樣就降低了相位控制難度。另外，次能級層數(shù)越多，成像效果越好。

圖4 具有正透鏡功能的二元光學(xué)器件Fig.4 Binary optical device with positive lens function

4 技術(shù)挑戰(zhàn)

目前，LDAL系統(tǒng)在應(yīng)用中存在以下必須解決的技術(shù)問題：

4.1 激光器小型化

克爾效應(yīng)與介質(zhì)原子及分子對強光場的非線性響應(yīng)有關(guān)，分為克爾電子效應(yīng)和克爾定向效應(yīng)。前者是光場導(dǎo)致的電子密度分布的變形，隨光場的改變幾乎瞬時產(chǎn)生；后者是由于電子-核部分非線性極化所引起的，在正常條件下大氣的這種效應(yīng)的馳豫時間約為10?13s。前蘇聯(lián)已進行了大氣克爾效應(yīng)的實驗報道，大氣非線性極化的測量實驗表明，電子機制對大氣非線性極化的貢獻小到可以忽略。相關(guān)分析表明，半徑為r0的高斯光束自聚焦長度為[15]

式中大氣克爾效應(yīng)的介電常數(shù)ε2=5×10?16cgsE單位。對于λ=1.06 μm的激光，當(dāng)自聚焦長度LN=105m時，所需功率為P=πr02I=1.7×109W[15]，根據(jù)成像公式，此時LDAL系統(tǒng)的高度將超過4×105m。若需要更短的自聚焦長度，則所需激光功率更高。采用脈沖體制的激光技術(shù)能有效降低激光器的實現(xiàn)難度，并減少其體積。根據(jù)神光Ⅱ激光裝置的相關(guān)文獻[16]可知，激光脈沖的脈寬可采用ns級，甚至ps、fs級，以盡量減少技術(shù)實現(xiàn)難度。盡管這樣，如此高功率的激光器，包括必要的冷卻裝置體積還是十分龐大，目前技術(shù)水平還無法使其小型化，使其集成到一架大型飛機上。因此，高功率激光器的小型化問題是LDAL技術(shù)發(fā)展的首要目標(biāo)。

根據(jù)BAE公司發(fā)布的視頻演示，LDAL系統(tǒng)發(fā)射的高功率激光為發(fā)散束，根據(jù)上述分析，為盡快達到克爾效應(yīng)或熱效應(yīng)的閾值，LDAL系統(tǒng)發(fā)射的高功率激光應(yīng)為聚焦束。由于大氣效應(yīng)的馳豫時間較短，而目標(biāo)的詳細細節(jié)又需要大口徑的大氣透鏡，因此在有限時間內(nèi)無法實現(xiàn)透鏡單元內(nèi)大氣的全部激勵，這樣將引入激光掃描中的采樣問題。

4.2 機載電力

隨著高能固體激光器的小型化，機載激光武器的作戰(zhàn)光源逐漸由化學(xué)激光器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏︱?qū)動的固體激光器。隨著激光輸出功率的提高，固體激光器將需要越來越多的電力，并產(chǎn)生更多的廢熱。因此高能固體激光器的運行將加劇飛機電力的消耗，會帶來用電量和熱載荷的大幅增加且波動劇烈，所以飛機電力的提高和高效管理成為一項越來越大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

根據(jù)上述分析，考慮到激光器的電光轉(zhuǎn)換效率、脈沖調(diào)Q效率，以及激光器的散熱需求和系統(tǒng)其他部件電力需求等，LDAL系統(tǒng)瞬間電力需求將達到1010W左右，如此龐大的電力需求，目前水平無法滿足。例如，搭載4臺勞斯萊斯T56-A-15引擎的AC-130運輸機，每臺產(chǎn)生3.9 MW電力，總電力也不足16 MW。為滿足LDAL系統(tǒng)的工作電力，必須實現(xiàn)飛機電力的高效管理。在該領(lǐng)域，美國空軍從20世紀(jì)90年代起，陸續(xù)啟動了MW級機載電力相關(guān)的多個研究計劃，發(fā)展自適應(yīng)電力優(yōu)化管理技術(shù)是解決該問題的途徑之一。

BAE公司堅信，LDAL系統(tǒng)將在未來50年內(nèi)提供給戰(zhàn)場指揮官。盡管LDAL技術(shù)電力消耗巨大，但BAE公司表示，該系統(tǒng)依靠少于1 s的許多激光發(fā)射，可大大降低電力需求，這也是解決方法途徑之一，缺點是涉及到目標(biāo)監(jiān)測中高速攝影技術(shù)的相關(guān)問題。

4.3 目標(biāo)監(jiān)視時間

根據(jù)上文所述，短脈沖高峰值功率（兆瓦級）激光器，光束尺寸較小，其熱透鏡效應(yīng)的持續(xù)時間大約為幾個ms[10]，而大氣克爾效應(yīng)的馳豫時間更短，約為10?13s[14]，因此大氣透鏡的馳豫時間非常短。另外為了節(jié)省機載電力需求，如上節(jié)所述，BAE公司提議將激光發(fā)射時間限定在1 s以內(nèi)。因此，高功率激光將進行快速掃描，形成大氣透鏡，之后至少在幾個ms內(nèi)必須完成目標(biāo)的圖像采集。此時常規(guī)CCD相機已無法適用，只能采用ns量級曝光時間的高速攝影相機（ICCD）進行圖像采集[17]。這樣LDAL技術(shù)就無法實現(xiàn)BAE公司設(shè)想的實時監(jiān)視，只能通過回放完成目標(biāo)類型的判別。另外，高速攝影技術(shù)對目標(biāo)的成像光強要求較高，如上節(jié)所述，就不能采用菲涅爾波帶片方式，只能采用二元光學(xué)方式。大氣透鏡形成前后的偵察圖像對比如圖5所示。

圖5 大氣透鏡形成前后的偵察圖像對比Fig.5 Comparison of reconnaissance images before and after formation of atmospheric lens

除上述挑戰(zhàn)外，激光塑造大氣透鏡在實現(xiàn)中還將面臨焦距的精確控制、大氣湍流的實時校正，以及激光掃描采樣帶來的陣列占空比優(yōu)化等技術(shù)問題。

5 結(jié)論

針對英國BAE公司提出的“激光塑造大氣透鏡”概念，本文系統(tǒng)介紹LDAL技術(shù)的需求背景，詳細分析它的產(chǎn)生機制、可能采用的系統(tǒng)構(gòu)成和工作過程?？梢钥吹絃DAL技術(shù)是一項顛覆性的太空監(jiān)視新興技術(shù)，通過折射作用改變電磁波的傳播路徑，在目標(biāo)上空形成了一個“超級放大鏡”，這樣可以獲得比現(xiàn)有偵察衛(wèi)星更為清晰的圖像，輕易地識別出各種地面目標(biāo)。因此LDAL可作為偵察衛(wèi)星的有效補充。

通過一系列分析可知，LDAL技術(shù)面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)有：激光器小型化和龐大的機載電力需求。在實現(xiàn)方式上，它可采用高功率激光的聚焦束，而非視頻顯示的發(fā)散光束；在大氣透鏡的塑造方式上，它可采用二元光學(xué)方式，而非網(wǎng)絡(luò)報道中的透鏡或菲涅爾波帶片；在目標(biāo)監(jiān)視上，可通過高速攝影相機進行采集，再通過回放判別目標(biāo)特征，而非視頻顯示的實時監(jiān)視目標(biāo)?；谀壳暗募す饧夹g(shù)水平，LDAL系統(tǒng)仍處于概念研究階段，相關(guān)技術(shù)還遠不成熟，面臨著若干重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在實現(xiàn)途徑上需要高功率激光器的小型化、機載電力、高速攝影、大氣湍流校正以及高精度成像等技術(shù)的綜合支持。

BAE公司宣稱，有望在2067年前完成實用化的系統(tǒng)。這項技術(shù)如果最終研制成功并應(yīng)用，將會牽引一系列的科學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)和軍事技術(shù)的革新。此外大氣透鏡在國土資源調(diào)查、森林火災(zāi)防范、太陽能利用等領(lǐng)域中也大有前途。鑒于大氣透鏡技術(shù)在軍事、民用上具有很好的應(yīng)用前景，我國也應(yīng)啟動相關(guān)研究，比如使用相對較小的激光功率產(chǎn)生較弱的克爾效應(yīng)，得到較大的大氣自聚焦波長，并利用透鏡的虛像放大原理（在a小于f條件下），開展大氣透鏡成像的初步研究。