DOI：10.16358/j.issn.1009-1300.20220188
1 引言
高能激光武器（High-Energy Laser Weapons，HELW）是通过定向发射强激光束在目标靶面汇聚完成软硬毁伤的一类定向能武器，作战成本低、反应时间短，可有效拦截突然发现的低空目标，完成多层次打击。由于每次发射只消耗部分电能，HELW被认为是有效对抗无人机等低慢小目标的经济手段。2016年美国国会研究服务部指出，HELW作为应对来袭导弹或飞机的舰载短程防御系统的补充和可能替代，将成为“改变作战规则”的“颠覆性武器”。将HELW集成到现有舰载作战系统中，与其他武器形成远近搭配、高低协同的战术配合，可构建更加完备的舰船防御作战能力。
然而，HELW和舰空导弹等硬武器火力决策参数不一致、毁伤概率度量方式差异大、作战时空及能量约束交互耦合，参与协同交战需要综合考虑能量使用、射向交叉、发射尾焰烟雾场影响等问题。目前舰载HELW研制应用研究仍处于初级阶段，近几年开始逐步从激光器研制、跟瞄精度保障等方面扩展到战术决策、应用控制等领域。国外初步实现了HELW与密集阵、MK38炮的集成应用，但技术仅集中在传感器信息共享，对HELW参与多武器协同作战决策研究相对不足，难以满足当前及未来舰船作战需求。
2 国内外研究现状
2.1 舰载高能激光武器系统集成进展
近30年来，世界各国积极发展高能激光武器，如美国、俄罗斯、中国、德国、印度等。海基HELW研发从相对低功率（≤10kW）逐步发展到中功率（10~100kW）和高功率（>100kW）。在10kW级上舰集成研究方面，2015年德国对安装在MLG27轻型舰炮上的光纤激光器系统进行了协同海上试验，实现辅助跟踪无人机和小型水面艇。10kW级MK38TLS战术激光系统用于辅助舰艇防御小型快艇及无人机，目前也仅实现通过MK-38舰炮的光电探测系统获取目标数据。在中高功率HELW上舰集成验证方面，美国达到了世界领先水平。美海军第一代HELW为33kW级舰载激光武器LaWS，经多次试验改进已实现使用“密集阵”系统粗跟踪进行实战。同时期还有诺格公司的海上激光演示系统（Maritime Laser Demonstration，MLD），样机被成功安装在前保罗·F·福斯特号驱逐舰上，在海上环境下集成应用了舰载雷达和导航设备，成功对多艘小船进行了跟踪。
目前，美海军同步开展了四类HELW研究，包括加固高能激光（Ruggedized High Energy Laser，RHEL），固态激光技术成熟化（Solid-State Laser-Technology Maturation，SSL-TM）系统、低功率光学炫目拦截器（Optical Dazzling Interdictor Navy，ODIN）、海军水面激光武器系统（Surface Navy Laser Weapon System，SNLWS）增量1——高能激光与集成光学眩目监视（High Energy Laser with Integrated Optical Dazzler and Surveillance，HELIOS），配合高能激光反反舰导弹（Anti-Ship Cruise Missiles，ASCM）计划（High Energy Laser Counter-ASCM Program，HELCAP）和其他技术研发项目，构成了海军激光系列系统（Naval Laser Family of Systems，NLFoS）及其演进，如图1所示。
据报道，美海军已经将上述的多个系统实体安装到不同的船型上，如美海军2020年在Portland号两栖登陆舰上对150kW激光武器系统演示器（LWSD）MK.2.MOD.0进行了海上测试，成功击毁珍珠港上空飞行的无人机，2021年在亚丁湾又测试了其毁伤水面静态目标的能力。HELIOS是美海军2018年授予洛马公司开发的60~150kW高能激光和集成光监视系统项目，以期直接烧毁小型武装作战艇、烧焦无人机，并发挥眩目和监视作用。2021年8月美海军完成了60kW HELIOS（射程约8km）接入“宙斯盾”防空反导系统进行拦截反舰巡航导弹的指挥测试，2022年3月完成了陆基测试后，被集成至阿利伯克级驱逐舰Preble号上，并将在2023财年完成全面海上测试。后续HELIOS将升级至150kW，以提供更强大的跟踪、眩目和毁伤能力。作为HELIOS的一种低能量版本，ODIN已配备于Dewey号和Stockdale号等其他一些阿利伯克级驱逐舰上。HELCAP的功率至少有300kW，可以击败来袭的反舰巡航导弹，但目前仍面临着诸多技术挑战，如冷却系统等，其实验计划已推迟至2024年。美海军已计划在包括下一代航母（CVN21）在内的几种新型战舰上安装大功率发电设备，为HELW装舰做好准备。
2.2 舰载多武器协同作战研究进展
舰载武器协同是指为实现作战使命目标，综合考虑多武器状态、能力等因素对多武器进行打击目标分配，形成特定的时空火力打击作战方案。常见的多武器火力协同模型包含基于最大化生存的多武器协同模型，基于约束松弛的多武器协同线性规划模型，基于保护资产价值最高的多武器协同模型等。部分学者针对驱逐舰多层防空协同问题，引入并改进了多种拦截适宜性系数优化多武器梯次交战时序。近年来国内外学者开始关注多武器协同运用约束，利用模糊理论、计算机成兵力（Computer Generated Force，CGF）等手段进行多武器协同建模并取得较好应用效果。文献提出了一种结合射击有利度、飞临时间以及威胁度的火力分配优化模型，平衡了资源节约和把握战机两方面需求。上述协同模型未考虑武器动态射界、危界情况，缺乏对多武器交战协同时段的关注。另一方面，上述模型中仅使用整数简化代表武器的可用量，没有涉及对武器资源量的处理，无法同时考虑武器的可用状态、非可数“战斗部”和不同的作战机理。
在冲突消解研究方面，现有方法大致分为三类：基于规范、基于势场和基于局部优化。近年来，为有效避免多无人机执行任务过程中发生飞行碰撞，基于路径规划的冲突消解方法也逐渐发展成熟。在机器人或交通控制领域，冲突消解依赖于改变对象的运动方向和运动速度，而在火力冲突消解领域，现有的消解策略集中在武器禁射和射击等待上，火力消解过程相对粗糙，难以有效发挥多武器协同作战效能。对于高能激光武器，当前国内外研究仍集中在激光束合成和激光传输问题上，如何降低高能激光武器使用过程中对周边传感器和设备的安全威胁是国内外学者关注的未来重点方向之一。
3 主要问题
高能激光武器主要作战机理是强光束的汇聚传输与能量的持续转化，当目标局部区域上激光辐照能量密度超过材料毁伤阈值时，认定完成毁伤任务。
（1）环境交互影响与安全作战问题
目标靶面汇聚能量，不仅受激光器发射功率、传输距离、瞄准精度影响，还与传输环境条件、作用时间密切相关。这与传统舰载动能武器的使用存在本质区别，火力协同决策变量由使用弹药数转换为发射能量、开始射击时间和作用时长，以往火力协同模型中的0-1决策难以满足安全有效使用高能激光武器的需求。
此外，舰载激光武器系统主要在接近海平面的大气对流层作战，激光束在烟雾等作战环境下散射增强，当发射的激光功率足够高且持续作战时间相对较长，散射的激光可能导致舰面发射区附近光电设备工作异常（如光饱和影响）。因此，其引起的火力冲突除射向交叉外，还有武器作战过程干扰、散射破坏等多种新形式，目前尚未查到相关的冲突检测及消解方法。如何降低高能激光武器使用过程中对周边传感器和设备的安全威胁是国内外学者关注的未来重点方向之一。
（2）目标毁伤判断的不确定性和模糊性问题
目标毁伤阈值，由来袭目标不同部位材质受激光毁伤的作用效应决定。考虑战时信息非对称性，目标毁伤阈值存在较大的模糊性，加之受跟瞄系统、激光传输模型等约束限制，到达毁伤部位的激光能量也有较高的不确定性，现有毁伤概率计算难以较好地衡量高能激光武器作战效能。
综上，现有舰载武器火力协同研究没有考虑高能激光武器的时空与能量特性，在目标函数计算、决策变量设计、作战使用约束条件等方面均存在不足，同时缺乏相应的火力冲突检测与消解手段，协同作战效能、作战安全很难保障。
4 关键技术分析
高能激光武器协同作战是多学科交叉融合的综合系统，需要以激光传输、激光毁伤、尾焰烟雾场建模和时空冲突检测为基础，以协同样式设计、协同目标分配、协同火力打击为牵引，解决其协同使用约束、协同优化模型、冲突检测与消解问题，最终实现遂行多武器安全、有序协同防空任务的目标。总体情况如图2所示。
4.1 高能激光武器作战使用约束建模技术
高能激光武器作战使用约束建模是指在确定高能激光武器上舰位置后利用仿真模拟等手段分析确定其作战时产生的动态危界范围以及其在舰面发射烟雾场中的传输与散射特性，主要涉及两方面，如图3所示。
（1）分析作战使用影响，涉及目标靶面激光辐照尺度特征建模，通过突破高能激光对近距离目标辐照过程中回波能量的空间建模计算，辅助判定舰面传感器相元饱和等风险，待解决问题包含：1）掌握外军导弹和无人机装备材料的激光热烧蚀毁伤特性；2）分析运动目标与高能激光武器相对位置，估算各类目标的有效反射面积参数；3）计算高能激光武器在对不同距离不同目标持续射击情况下的目标激光能量回波值；4）结合舰面设备和武器装备参数，判断高能激光使用过程中对己舰装备设备的影响。
（2）分析作战环境影响，涉及基于时空演变的舰面激光散射建模，通过突破高能激光在舰空导弹尾焰烟雾场中传输及散射建模，基于大规模仿真计算和数据分析，掌握高能激光在特殊舰面环境下的使用规律，为协同运用高能激光武器与舰空导弹、快速检测舰面火力冲突奠定理论基础。关键的待解决问题包含：1）舰载导弹发射尾焰烟雾场的时空耗散模型；2）高能激光束在烟雾场中特定时间特定方向发射时散射计算；3）在对高能激光武器进行协同任务分配过程中，大规模仿真计算模型的调用问题，拟通过线下高性能计算对典型烟雾时空场下各发射方向、发射时长的激光舰面散射进行计算，形成数据库，通过插值拟合等方式获得累积散射能量。
4.2 高能激光武器作战火力协同模型
现有协同模型缺乏对多武器交战协同时段的关注，同时没有考虑非可数战斗部光速到达的特性。针对高能激光武器和舰空导弹等硬杀伤火力决策参数不一致、毁伤概率度量差异大、作战时空及能量约束耦合等问题，需深入开展包含能量型武器的火力协同模型，包含打击方案统一描述、火力协同目标函数和火力协同约束条件三方面，如图4所示。
（1）在打击方案统一描述方面，重点解决高能激光武器“非可数”战斗部使用问题，可根据武器的作用机理，将对空防御武器分为动能毁伤类武器和能量毁伤类武器。动能毁伤类武器的毁伤效应是指战斗部在终点与目标发生撞击或爆炸，毁伤效应期望分为击落、击中和未击中，相比之下，高能激光武器利用激光能量的累积对目标实施热烧蚀破坏效应、力学破坏效应和辐射破坏效应，毁伤等级分为干扰、致盲、击穿、烧毁，在制定火力打击方案时，根据毁伤等级目标确定激光辐照持续时间等使用参数。对于动能毁伤类武器，基元任务属性分别为首发最晚时间、耗费弹药量和连射发数；对于能量毁伤类武器，基元任务属性分别为首发最晚发射时间、发射功率和持续时间。
（2）在目标函数方面，现有的多武器火力协同模型以武器毁伤概率为计算基准。激光光束传输理论与激光毁伤机理表明，高能激光武器对目标实施有效毁伤与多种参数直接相关，高能激光武器对目标的毁伤概率具有较强的不确定性，毁伤效果也存在较高的模糊性，使用一般的数学方式无法很好地描述与满足这种动态的参数变化。现有的毁伤概率计算方法仍局限于确定性理论和毁伤机理仿真，难以有效表达作战效能。马尔科夫决策可用于解决生活中各个方面的随机动态性问题。对于离散的马尔科夫决策过程，其最大的特点是即将发生的下一状态和在此之前的所有状态都无关，下一状态是否发生或者转向哪一种状态只取决于现在的状态和当前所选择的行为。行为选择由策略所决定，意味着不同的策略可以控制决策过程朝不同的方向发展。这样不仅可以减少对前面状态的依赖性，还可以减少系统计算的复杂性。而模糊理论主要是处理模糊现象的一种数学方法，它的出现拓展了传统的数学应用范围，是数学研究向自然机理方向发展的重大突破。模糊理论中元素可以某种程度隶属于多个集合，而不必像传统集合那样只能隶属于一个集合。因此，考虑引入马尔科夫决策理论对高能激光武器作战毁伤概率进行改进，同时结合模糊评估方法，评估高能激光武器在协同作战过程中的火力效果，防止因高能激光武器毁伤不足导致协同方案失效，致使己舰安全受到威胁。
（3）在火力协同模型的约束条件方面，考虑到高能激光武器作战特性，从火力资源量和时间限制两处入手改进模型约束，研究各武器射界及危界的模型约束表达，以便减小多武器协同问题的求解空间，为快速制定火力协同打击方案提供可能。
4.3 面向多武器协同作战的舰面火力冲突消解体系
冲突消解是采用一定冲突消解策略，对有限空间内各组成部分进行调整，从而实现空间稳定的优化方法。现有的火力消解研究集中在两武器之间的禁射和射击等待上，火力判断过程耗时长、消解策略相对粗糙，难以有效发挥多武器协同作战效能。面向多武器协同作战的舰面火力冲突消解体系需要综合考虑舰载多武器在协同使用过程中潜在的火力冲突，尤其是多项任务间普遍存在串并联等关系，考虑各自作战时空约束，火力冲突也非独立存在，若选择的消解策略不当，可能导致火力冲突消解耗时过长，甚至由于引入新的冲突而导致火力冲突消解失败。因此，面向多武器协同作战的舰面火力冲突消解体系应包含舰面火力冲突树（含火力冲突定义与发生条件）、火力冲突检测办法、火力冲突消解策略和基于火力冲突消解的协同方案生成四个部分，如图5所示。
在舰面火力冲突树方面，针对高能激光武器引起的射向交叉、回波反射、烟雾场散射等多种形式冲突，需要以舰面空间为基础对各参与协同作战的武器进行基于作战特征（如弹丸飞行轨迹、激光光束方向与激光传输模型、舰载机起降速度及角度等）的广义空间冲突分析，界定高能激光武器上舰作战时的舰面火力冲突内涵，并分析各类舰面火力冲突间的关联关系，研究构建高能激光武器融入协同作战火力冲突树，明确能量型武器和传统武器协同过程中火力冲突发生条件、属性及关联影响；考虑到作战效果具有一定随机性（如毁伤概率、爆炸概率、目标爆炸的连带毁伤概率等），可在三维空间碰撞检测方法的基础上，研究引入贝叶斯网络理论等概率方法建立新的火力冲突检测方法，量化评估基于武器控制预测的火力冲突发生概率，为冲突消解决策提供信息支撑。
为避免盲目进行火力冲突消解，通常采用基于时间序列和深度优先搜索的方法，识别冲突路径。简单时序约束网络（Simple Temporal Constraint Network，STCN）是一类用于描述任务之间时序关系的加权有向图，具有极强的表达与计算能力，目前被广泛应用于任务规划和调度领域。利用STCN可为冲突消解提供结构基础，并可结合火力冲突树和冲突概率进行有向边权重赋值及冲突消解策略制定，引导对舰面火力冲突STCN中待消解环进行有序调整。为保障火力协同效果，可设计多种火力冲突消解策略，如冲突最小代价、最小冲突时间、最小火力冲突总数等。
在求解算法方面，目前应用于武器任务分配的常见算法包含遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、模拟退火算法、狼群算法等，具有较好的应用效果，但受限于模型的抽象简化，这些算法的应用并未涉及对武器使用时间以及火力冲突消解的处理，算法进化或迭代过程中容易产生新的火力冲突。如何高效利用这些优化算法进行基于冲突消解的协同优化需要深入研究，以期支持在协同作战方案制定过程中进行预先火力冲突检测与消解，提高多武器协同作战方案的可执行性。
5 结论
高能激光武器进入战场后，极大程度上影响了作战资源部署和作战计划制定。本研究针对未来高能激光武器协同作战面临的主要问题进行了分析，指出舰面作战环境与高能激光武器作战使用之间相互时空约束建模、新型火力协同模型研究和舰面火力冲突消解体系设计是支撑并保障高能激光武器安全协同作战使用的关键途径，并分析了可行的技术路径，为后续深入研究提供了有益探索与引导。
