激光塑造大气透镜技术分析

易亨瑜，齐 予，易欣仪，刘宝林

（1.中物院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900；2.复旦大学 化学系，上海 200438；3.军事科学院 国防科技创新研究院，北京 100142）

引言

2017年1月16 日英国BAE系统公司提出了一项“激光塑造大气透镜（laser developed atmospheric lens，LDAL）”的武器概念[1-5]，即利用高能激光在大气层形成类似于透镜的结构，实现对敌方目标的有效监视。此类武器一旦取得突破，可以利用广袤的电离层发挥巨大的军事作用。目前，该系统虽然在实际工程化方面仍然存在着很多现实问题，但BAE系统公司相信未来50年内可研制出该系统，而且其独特的创新方式，将会牵引一系列的科学基础技术和军事技术的革新。该公司未来技术专家尼克·科洛西莫兴奋地宣称其为颠覆性新兴技术。

激光塑造大气透镜技术目前还处于概念研究阶段，在实现中将面临若干技术挑战，例如大气透镜采用何种效应、何种方式进行塑造，需要多大功率的激光光源，其电力需求如何，能否实现小型化等等。虽然一些重要网络媒体报道了该事件，不过仅限于模糊的概念层面，迄今为止，在技术细节层面，我们尚未得知BAE公司发表的相关文献。本文将系统介绍LDAL技术的应用需求，详细分析其产生机制及可能采用的系统构成，最后分析其面临的技术挑战。

1 研究背景

获取情报信息是军事作战的关键环节，具有举足轻重的作用，它涵盖了战前的情报侦察监视、中间的战场态势情报获取和战后的作战效果评估，贯穿了整个作战过程。目前情报获取方式一般采用侦察卫星和侦察机，其中战场态势的长期监视，主要利用侦察卫星，但是光学成像侦察卫星存在许多不足。首先如何进一步提升空间分辨率，是光学成像侦察卫星当下和长期的追求目标；其次光学成像侦察卫星图像信息的获取，受到时间、空间、轨道特性、载荷能力、气象、光照等诸多因素的影响，导致卫星过境时间段内可侦察的区域远远小于其覆盖的区域；另外各国常用卫星过境预报方式，进行军事伪装来躲避敌方侦察卫星的侦察，导致卫星侦察存在误警率或虚警率；最后还可对军事侦察卫星进行干扰、欺骗和打击。

相比之下，采用LDAL技术进行军事侦察，能够灵活应对目标的反侦察活动。BAE公司的视频显示，它可利用口径巨大的大气透镜，将目标信息的分辨率提高几个数量级，从而大大提高情报侦察和监视能力，为后续的情报分析、目标锁定、精确打击、毁伤评估等活动奠定基础。其次，LDAL平台机动性强，不受轨道等因素限制，侦察距离更远，侦察范围更大；另外侦察监视的方式较侦察卫星更加灵活，可灵活应对敌方的反侦察措施。利用LDAL系统侦查敌方阵地构想如图1所示。

图1 利用LDAL系统侦察敌方阵地Fig.1 Surveillance by LDAL system

一旦LDAL系统侦察到敌方重要目标后，可迅速并持续锁定目标，为导弹提供持续的制导信息，能有效应对敌方诱饵欺骗、电子干扰等措施，极大地提高命中概率。尤其在应对敌方雷达关机等措施上，还可为反辐射导弹提供反雷达制导信息。火力攻击距离可大大提高，甚至一些作战将从传统的超视距作战变为间隔几千km的非接触式作战。

空间平台或临近空间多种平台配装的LDAL系统，可利用多个大气透镜的组合，形成空天大气光学器件网络，对地球进行分时分域侦察监视覆盖。在此基础上，用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，利用地球大气光学器件网络进行跟踪和辅助通信，对地面或空中任何位置发射的导弹进行目标指引，可有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。因此BAE提出的LDAL概念，将在未来太空作战中发挥重要作用。

2 产生机制

高功率激光在大气中传输时大气吸收激光能量，引起光束传输路径中气体温度升高，折射率发生变化，从而产生热透镜效应[6-7]。另外，高功率激光通过介质时也将产生克尔效应，使介质折射率不均匀，从而引起非线性位相延迟并叠加在传输光束的波前上，导致激光束产生自聚焦和自散焦等现象[8]。根据BAE公司发布的视频演示，LDAL系统通过空间轨道上的特种空天飞机发射高功率脉冲激光，对大气层的小部分区域进行短时电离或加热，暂时将地球大气转化为类似反射镜、玻璃透镜和类似菲涅尔波带片等光学器件的结构，实现电磁波的折射、反射和衍射等。

单透镜成像公式如下：式中：a为物距；b为像距；f为透镜焦距。根据成像公式，当大气透镜物距a小于f时，人眼将从空中观察到地面目标放大的虚像；当a大于f时，透镜将展现地面目标的实像。鉴于LDAL系统采用CCD相机作为成像器件，可能需要观察目标的实像。

激光塑造大气透镜需要利用高功率脉冲激光，在一个大气平面上产生不均匀的N×N二维阵列，如图2所示。阵列中各单元的大气具有特定的折射率或相位差，能够对光线产生不同角度折射，该阵列形成一个综合的相位屏，从而实现透镜功能。

图2 BAE系统公司LDAL构想Fig.2 LDAL conception of BAE system corporation

在改变阵列单元的折射率或波像差方面有加热和电场作用两种方式。

2.1 热效应

在聚焦束作用下大气受热后的变形为自由膨胀，因径向尺寸无限大，可简化为一个均匀薄板。阵列i单元中的大气受热后温度分布T使其产生波像差，近似到二阶。折射率n（T）可以表示为

同样近似到二阶，该处大气厚度的改变可以表示为

式中dL/LdT是大气的热膨胀系数。i单元大气由于温度变化产生的相位差为

对于短脉冲高峰值功率（MW级）激光器，其脉冲重复频率一般较低（如数十Hz），光束尺寸较小，其热透镜效应持续时间大约为几个ms[9]。

2.2 克尔效应

在高功率激光领域中，克尔效应是常见的非线性效应之一。假定大气中某阵列单元的激光电场形式为

式中：E表示规范化电场强度；A代表场振幅，与光强度的关系为I= |A2|；k为波矢量，其方向与传播方向Z相同。为简化起见，横向仅考虑x方向上的一维情况，则非线性介质的折射率满足[10]：

式中：n0表示介质的线性折射率；n2表示介质的克尔系数。

热效应和克尔效应都是可逆的，一旦停止发射激光脉冲，大气就会恢复正常状态，不会对环境造成危害。

根据文献[11]描述的大气结构，大气密度随高度增加而迅速下降。采用美国标准大气模式，地面上大气密度为1.225×103g/m3，在120 km高度上大气密度为2.46×10−5g/m3，下降约5×10−7倍。因此激光塑造的大气透镜若高度超过100 km，则大气的热效应可忽略，此时克尔效应将成为主要的产生机制。

3 系统结构

BAE系统公司的“激光塑造大气透镜”概念，来源于民用太阳能采集方法的美国设想专利[12-13]，并在此基础上进行了改进[14]。下面借用专利[12]中图示（如图3所示），阐述LDAL的系统结构。

LDAL系统包括1个火控子系统和自适应光学子系统（图3中4所示），1套高功率激光器及其电源（图3中1和2所示），1套光束发射器（图3中3所示），1个CCD相机及其电源（图3中5和6所示）。对于给定聚焦长度的大气透镜，可根据成像公式演算出LDAL系统的高度。

图3 LDAL系统结构示意图Fig.3 Structure diagram of LDAL system

3.1 工作步骤

系统工作时激光器和光束发射器首先进行预备，当火控子系统发出信号后，激光器经过光束发射器发射出一路高功率激光束（图3中7所示），作用在预定距离处大气平面上（图3中8所示）的一个单元上（图3中9所示），改变其相位φi；再通过光束发射器的精确指向，快速扫描其他单元，从而将8变成一个大气透镜；然后地面目标信息通过光束10聚焦到CCD相机6上；最后根据CCD成像质量，反馈到控制单元4中，采用“强度爬山法”对大气湍流进行实时补偿，提高目标成像的清晰度。其中大气透镜的口径由目标分辨的瑞利判据决定。

在激光塑造大气透镜中，不同单元都由相同的激光源产生，因此激光束的空间光强分布形态对整个大气透镜的质量影响不大，再加上自适应光学的校正，该影响可忽略。

3.2 透镜塑造方式

BAE公司视频显示，在激光塑造大气透镜过程中采用的透镜塑造方式是，利用高功率脉冲激光在一个大气平面上产生二维矩形阵列，见图2所示。鉴于透镜一般是径向对称，故轴对称的矩形阵列方式提高了单元相位的控制难度。另外，塑造一个完整的大气透镜需要对单元相位的改变大于2π，也增大了电力消耗。相比之下，将大气塑造成为一个菲涅尔波带片，只需要将单元相位改变为0和π，使用2个激光参数进行快速的圆形扫描，这样不仅降低了相位控制难度，而且减少了电力消耗。菲涅尔波带片成像公式如下：

从（7）式得出菲涅尔波带片是多焦距系统，在视轴上将依次出现第3、第5、……级焦距。在图像监测中，尤其是采用高速摄影方式时将分散目标获取的光强信号，减少所成图像的对比度指标。

除文献报道的上述两种方式外，还可采用二元光学方式来降低相位控制难度，减少电力消耗，同时保留成像对比度。在二元光学中，透镜可等效于一个主能级和带有几个次能级的连续界面，其最大相位差在2π之内。二元光学器件的次能级数可设置为2、4、8等层数，透镜的二元光学器件也呈径向对称阵列分布，如图4所示。从图4可以看出，二元光学透镜呈径向对称，便于使用激光中少数几个参数进行快速的圆形扫描，这样就降低了相位控制难度。另外，次能级层数越多，成像效果越好。

图4 具有正透镜功能的二元光学器件Fig.4 Binary optical device with positive lens function

4 技术挑战

目前，LDAL系统在应用中存在以下必须解决的技术问题：

4.1 激光器小型化

克尔效应与介质原子及分子对强光场的非线性响应有关，分为克尔电子效应和克尔定向效应。前者是光场导致的电子密度分布的变形，随光场的改变几乎瞬时产生；后者是由于电子-核部分非线性极化所引起的，在正常条件下大气的这种效应的驰豫时间约为10−13s。前苏联已进行了大气克尔效应的实验报道，大气非线性极化的测量实验表明，电子机制对大气非线性极化的贡献小到可以忽略。相关分析表明，半径为r0的高斯光束自聚焦长度为[15]

式中大气克尔效应的介电常数ε2=5×10−16cgsE单位。对于λ=1.06 μm的激光，当自聚焦长度LN=105m时，所需功率为P=πr02I=1.7×109W[15]，根据成像公式，此时LDAL系统的高度将超过4×105m。若需要更短的自聚焦长度，则所需激光功率更高。采用脉冲体制的激光技术能有效降低激光器的实现难度，并减少其体积。根据神光Ⅱ激光装置的相关文献[16]可知，激光脉冲的脉宽可采用ns级，甚至ps、fs级，以尽量减少技术实现难度。尽管这样，如此高功率的激光器，包括必要的冷却装置体积还是十分庞大，目前技术水平还无法使其小型化，使其集成到一架大型飞机上。因此，高功率激光器的小型化问题是LDAL技术发展的首要目标。

根据BAE公司发布的视频演示，LDAL系统发射的高功率激光为发散束，根据上述分析，为尽快达到克尔效应或热效应的阈值，LDAL系统发射的高功率激光应为聚焦束。由于大气效应的驰豫时间较短，而目标的详细细节又需要大口径的大气透镜，因此在有限时间内无法实现透镜单元内大气的全部激励，这样将引入激光扫描中的采样问题。

4.2 机载电力

随着高能固体激光器的小型化，机载激光武器的作战光源逐渐由化学激光器转变为电力驱动的固体激光器。随着激光输出功率的提高，固体激光器将需要越来越多的电力，并产生更多的废热。因此高能固体激光器的运行将加剧飞机电力的消耗，会带来用电量和热载荷的大幅增加且波动剧烈，所以飞机电力的提高和高效管理成为一项越来越大的技术挑战。

根据上述分析，考虑到激光器的电光转换效率、脉冲调Q效率，以及激光器的散热需求和系统其他部件电力需求等，LDAL系统瞬间电力需求将达到1010W左右，如此庞大的电力需求，目前水平无法满足。例如，搭载4台劳斯莱斯T56-A-15引擎的AC-130运输机，每台产生3.9 MW电力，总电力也不足16 MW。为满足LDAL系统的工作电力，必须实现飞机电力的高效管理。在该领域，美国空军从20世纪90年代起，陆续启动了MW级机载电力相关的多个研究计划，发展自适应电力优化管理技术是解决该问题的途径之一。

BAE公司坚信，LDAL系统将在未来50年内提供给战场指挥官。尽管LDAL技术电力消耗巨大，但BAE公司表示，该系统依靠少于1 s的许多激光发射，可大大降低电力需求，这也是解决方法途径之一，缺点是涉及到目标监测中高速摄影技术的相关问题。

4.3 目标监视时间

根据上文所述，短脉冲高峰值功率（兆瓦级）激光器，光束尺寸较小，其热透镜效应的持续时间大约为几个ms[10]，而大气克尔效应的驰豫时间更短，约为10−13s[14]，因此大气透镜的驰豫时间非常短。另外为了节省机载电力需求，如上节所述，BAE公司提议将激光发射时间限定在1 s以内。因此，高功率激光将进行快速扫描，形成大气透镜，之后至少在几个ms内必须完成目标的图像采集。此时常规CCD相机已无法适用，只能采用ns量级曝光时间的高速摄影相机（ICCD）进行图像采集[17]。这样LDAL技术就无法实现BAE公司设想的实时监视，只能通过回放完成目标类型的判别。另外，高速摄影技术对目标的成像光强要求较高，如上节所述，就不能采用菲涅尔波带片方式，只能采用二元光学方式。大气透镜形成前后的侦察图像对比如图5所示。

图5 大气透镜形成前后的侦察图像对比Fig.5 Comparison of reconnaissance images before and after formation of atmospheric lens

除上述挑战外，激光塑造大气透镜在实现中还将面临焦距的精确控制、大气湍流的实时校正，以及激光扫描采样带来的阵列占空比优化等技术问题。

5 结论

针对英国BAE公司提出的“激光塑造大气透镜”概念，本文系统介绍LDAL技术的需求背景，详细分析它的产生机制、可能采用的系统构成和工作过程。可以看到LDAL技术是一项颠覆性的太空监视新兴技术，通过折射作用改变电磁波的传播路径，在目标上空形成了一个“超级放大镜”，这样可以获得比现有侦察卫星更为清晰的图像，轻易地识别出各种地面目标。因此LDAL可作为侦察卫星的有效补充。

通过一系列分析可知，LDAL技术面临的重大技术挑战有：激光器小型化和庞大的机载电力需求。在实现方式上，它可采用高功率激光的聚焦束，而非视频显示的发散光束；在大气透镜的塑造方式上，它可采用二元光学方式，而非网络报道中的透镜或菲涅尔波带片；在目标监视上，可通过高速摄影相机进行采集，再通过回放判别目标特征，而非视频显示的实时监视目标。基于目前的激光技术水平，LDAL系统仍处于概念研究阶段，相关技术还远不成熟，面临着若干重大的技术挑战。在实现途径上需要高功率激光器的小型化、机载电力、高速摄影、大气湍流校正以及高精度成像等技术的综合支持。

BAE公司宣称，有望在2067年前完成实用化的系统。这项技术如果最终研制成功并应用，将会牵引一系列的科学基础技术和军事技术的革新。此外大气透镜在国土资源调查、森林火灾防范、太阳能利用等领域中也大有前途。鉴于大气透镜技术在军事、民用上具有很好的应用前景，我国也应启动相关研究，比如使用相对较小的激光功率产生较弱的克尔效应，得到较大的大气自聚焦波长，并利用透镜的虚像放大原理（在a小于f条件下），开展大气透镜成像的初步研究。