激光技术在海军的运用研究

激光技术在海军的运用研究摘要：激光实为二十世纪一项重大发明，由于其具有集束性、强度强、频宽窄及同调性，使激光成为一项深具发展潜力之技术。

本文针对激光的特性，配合其它国家在激光科技上之发展，以本军现阶段的需求考虑，分成：攻击武器上之运用、惯性导引之应用、船模的流力实验之应用三方面，提供其可行性之参考。

一、前言在本刊第32卷第8期中个人所撰写之「激光及其国防上之用途」一文曾对于激光作一广泛性之介绍，并对于国防用途上曾经使用激光之相关设备与成效作一说明，个人进一步考虑激光的特性及其相关的应用技术，在本军之战备整备上可能之用途，提出下列建议以供参考。

二、攻击武器上之运用就其攻击能力及用途而言依激光功率可分为低能激光武器及高能激光武器。

低能激光武器已应用于杀伤人员、破坏侦察装备及光学器材，虽然它的激光功率不高，但已足以使人员失明、受伤、死亡或衣物起火而丧失战斗能力，同时亦可使夜视仪等光学器材失效。

而应用于人员致盲的用途上，亦有多项实战成果。

英国海军于1981年开始在舰艇上装载激光眩目武器，并于1982年的英阿福克兰群岛战役中发挥功效，使阿国空军的4B、A-4、MB339A飞机于接近英舰执行轰炸时，被激光眩目武器照射后造成飞机墬海，或因闪避而被己方炮火误中。

而前苏联海军舰艇也装载不少类似仪器，1987年于太平洋上曾对跟踪其舰队之美军飞机照射，使飞行员眩目而逃。

就高能激光武器而言，由于其功率较高，杀伤力更大，可用于攻击飞机、飞弹、坦克，甚至于可击落人造卫星。

1976年，美国陆军利用车载激光武器击落一架飞行高度约914米的飞行靶机，同年10月又击落了两架飞行高度约900米之无人架驶的直升机靶机。

又如美国空军于1983年曾利用激光二氧化碳击落响尾蛇飞弹，同年9月于模拟战机低空攻击军舰时，利用激光武器击落三架飞行靶机。

而利用激光武器攻击导弹及人造卫星的实验也达到相当的成效。

1978年美国陆军利用激光武器在1-2公里的距离内，击中飞行中的反坦克飞弹，使其裂成碎片。

美国海军所研发的「海光」激光武器系统，可用于近程防空的用途。

该系统的激光功率为2.2兆瓦，有效距离为4.7公里，光斑的大小为直径1厘米。

而前苏联海军的「基洛夫」核子动力巡洋舰亦装载中红外光化学激光武器试验，其有效距离可达10公里。

而1975年，美国两颗卫星在飞抵前苏联西伯利亚的导弹发射场上空侦察时，被前苏联反卫星激光武器击毁。

激光武器的优点可分述如下：（一）、反应时间短、照射速度快、命中率高一般使用火炮、飞弹来拦截、攻击来袭的飞机或飞弹等高速的空中运动目标时，必须有数分钟到十数分钟的预警时间及数十秒的反应时间，通常由于发现敌目标物出现时，已无充足的反应时间，而无法有效拦截。

然而激光光的速度为每秒30万公里，约比普通炮弹的初速快数十万倍，约比飞弹快十万倍，就两者的反应时间考虑，优劣立判，且系统作动无需整体随之转向。

且由于激光光本身之集束性，命中率相当高。

（二）、辐射强度高，摧毁威力大一般飞弹的攻击原理，乃是利用直接命中目标物或以高速飞行的弹头破片或高速、高温、高压的金属射流来击毁目标物。

激光武器则不然，它是直接利用激光光强度高，瞬间以高能量将目标物摧毁。

激光光对目标物的主要杀伤因素是高温作用，也有一定的冲击效应。

在强激光光的照射之下，飞机、飞弹的金属外壳会立即烧熔、气化，机体和弹体穿透后造成人员伤亡和电路故障，进而使之失去战斗力。

由于激光武器发射的是光弹，无须备弹和装填，每秒可轻而易举的发射上千发光弹，只要有电源就能连续发射，而且没有后座力，方便装置在任何的载体上。

适合中近程防御，进而可以对抗多目标的攻击。

另外激光武器尚具有无污染，不受电子干扰等特性。

而调整激光功率，即能控制其有效射程，故在未来研发激光武器做为反制来袭之飞弹是相当可行的作法。

惟现阶段仍有一些技术上之瓶颈亟待克服〔注一〕、〔注二〕：由于激光光是以光束形态前进，并非如一般雷达波是以球面波的形态扩散出去，如何有效地锁定目标是一大课题。

由于激光光照射于目标物表面会产生电浆，此电浆将会造成隔离作用，阻碍雷射光的破坏作用，其隔离作用与激光的脉冲宽度及光波长有关，因此必须详加研究。

激光功率的选择亦须考虑，大功率的激光装备体积相对较大，且亦耗损较多的能量。

光学材料上的问题。

激光武器运用于太空及高空中最理想，在大气环境中易受雨雾、尘烟、云层等环境因素影响，特别在海洋环境下。

激光光的破坏、杀伤力与光束的集束性有很大的关连，随着射程的增长，光束的散射角会增大，照射到目标物表面的能量密度也就相对降低，因此杀伤力也相对地减弱。

三、飞航器的惯性导引所谓惯性导引，是一种自给式导引系统，飞弹发射后，可按预先规划的路径飞向目标物。

该系统可分为两种：一种为硬线（Hard Wired）系统，当飞弹偏离航道时予以修正，目前已很少使用；另一种为以计算器为基础的系统，飞弹的位置、速度、航向等数据输入计算机，随时修正飞弹航向目标。

后者仅需将发射位置及目标数据输入计算机，操作方便，适用于远程攻击。

最早使用惯性导引系统的是二次大战德国的V2飞弹，其采用两个自由陀螺仪、三个加速仪和相关电子及计算装置，可沿固定弹道飞行。

惯性导引系统保密性好、不受外力干扰，过去大都使用在长程飞弹或巡弋飞弹的中途导引系统上。

若全程使用，会造成累积误差甚大，因此必须配合其它导引系统使用。

而惯性导引系统的成本较高，后来由于各种陀螺仪及加速仪不断研发出来，尤其是「激光陀螺仪」的问世，和微处理机的快速发展，使惯性导引系统造价降低，已可大量应用于各式飞弹。

使用惯性导引系统的飞弹很多，美国有义勇兵（Minuteman）、MX、长矛（Lance）、潘兴（Pershing）、三叉戟（Trident）D-5、和平守望者（Peace-keeper）以及侏儒（Midgetman）飞弹等；前苏联有SS-12薄板（Scaleboard）和SS-21蜣螂（Scarab）飞弹，以及法国的火成岩（Pluton）飞弹等。

而激光陀螺仪之特点如下，其体积小，而使多具或复用（Redundant）的传感器得以隔离而又能集装在航具的某些位置，其复装（Redundant Management）和重组软件（Reconfiguration Software）使激光陀螺仪和惯用加速仪（Accelero Meters）结合而将其输出直接传至导航与飞控系统，因此免除了惯性传感器（Inertial Sensors），精密飞轮、轴承、伺服等传动设备，不仅简化了维护的程序，而且免除了以往暖机和飞轮启动的时间，激光陀螺仪仅仅一秒钟的时间，就可进入备用状态。

这种迅速的反应时间，对于飞弹和拦截战斗机而言相当重要。

激光陀螺仪工作原理（如图一），乃是量测两束同时发射的激光光依相反环型光路前进的时间差，在其交汇处有棱镜和平面镜，结合两束光线于同一个数字型输出感应器（Detector）中，而这种传感器其实是一种干涉仪（Interferometer），它能计数频差（Beat Frequency）与分辨交轴之转向，在陀螺仪未动时，激光光束之频率相同，但当它随着弹体同时转动时，光束环绕的方向与弹体转向相同者，其光径（Beam Path）变长而光频率变低，相反的另一束光则光径变短，光频率变高。

当然这里的光径变化是相当小，通常都小于1nm〔注四〕。

而在导航的用途上，光纤陀螺仪也是新一代飞航器惯性导航系统的新秀。

而光纤陀螺仪的工作原理基本上也是以量测两束光随转动而造成的相位变化，原理与雷射陀螺仪类似。

由于光纤陀螺仪同样以激光光相位的变化来做为量测的讯号，可免除传统机械陀螺仪的机械装置，故和激光陀螺仪一样，具有寿命长、低功率损耗、启动时间短、重量轻、高可靠度等优点。

且近年来中科院致力于光纤陀螺仪精度的提升，已获致了相当的进展，因应未来高速运动飞航器的精确导航，相信未来飞航器的惯性导航系统将由上述两种陀螺仪取代传统陀螺仪。

四、全像干涉术可应用于船模的流力实验全像干涉术是利用激光光的干涉和绕射原理所形成的，可用来量测三度空间的物理量的一种光学量测技术。

这项技术在温度场、高速气流场，以及振动量测上，已有广泛的应用。

而全像干涉术是全像术的一种应用，要了解全像干涉术的原理，就必须了解全像术的原理。

全像术最早在1948年由英国人Dennis Gabor所提出，1962年由Leith及Upatnieks以激光光实现了Gabor的概念，并证实了任意形状物体的三度空间立体影像，均可被记录。

Gabor于1972年获得诺贝尔物理奖。

全相片的拍摄过程，如图二所示，同一光源的激光光，经分光镜（Beam Spliter）分为主体光（Object Beam）和参考光（Reference Beam），参考光经反射镜和空间滤波器（Spatial Filter）后射至底片上。

主体光经反射镜和空间滤波器，并经过测试区，再射至底片。

两光束相互干涉，在底片上形成绕射光栅（DiffractionGrating）。

底片经显影、停影、定影后即形成全像片。

此种拍摄方式不仅能记录光的强度讯息，还能记录光的相位讯息，因此冲洗好的底片可用来重建被拍摄物体。

重建时（如图三）仅须将拍摄时的参考光投射至全像片，观察者即可从全像片后方看到被拍摄物的虚像。

全像干涉术拍摄过程和全像片完全相同，只是拍摄时曝光次数由一次增为两次，在两次曝光间，被测试物体若有微小变形，便会在重建的物体虚像上产生干涉条纹。

干涉条纹所代表的物理量依被测物产生微小变形的原因而定。

分析计算这些干涉条纹，可定性及定量的得到所要的物理量。

全像干涉术的拍摄技术可分为两种，第一种为二次曝光法，它的工作原理如前面所描述，在拍摄过程中，被拍摄物体必须严格固定。

第二种为单次曝光法，它的工作原理是利用拍摄被测物之全像片，在全像片不移动下，将全像相片冲洗完成，此时被测物若有微小变形，即可从全像片后方实时观看到物体的变化情形，所以又称为实时全像干涉术。

全像干涉术（Holographic Interferometry）已成为流体力学实验和热传燃烧实验上的一个重要量测技术。

举凡有微小变形的物体或有折射率（Index of Refraction）变化的流场，均可使用此项技术。

主要的应用范围包含：（一）、在温度场量测方面，由于温度变化会改变密度，进而影响折射率，全像干涉术便能记录此种变化，在计算出温度分布。

典型的例子包括火焰、电子冷却传导和电弧等。

（二）、在高速气流场方面，全像干涉术可应用在速度超过0.5马赫的高速气流场上，可同时得到流场的压力、温度和速度（马赫数）分布。

对于飞行体的外流场或推进系统的内流场，可得到相当完整的数据。

（三）、在振动量测方面，应用全像干涉术可得到振幅（Amplitude）、频率（Frequen-cy）和振动模态（Mode）。