非致命激光武器綜合效能評(píng)估*

郭三學(xué)，劉小華，蔣賢沛，朱　挺

（武警工程大學(xué)，西安　710086）

非致命激光武器綜合效能評(píng)估*

郭三學(xué)，劉小華，蔣賢沛，朱挺

（武警工程大學(xué)，西安710086）

非致命激光武器是采用低能激光使目標(biāo)暫時(shí)喪失戰(zhàn)斗力的一種戰(zhàn)術(shù)武器，通過(guò)對(duì)影響非致命激光武器綜合效能關(guān)鍵因素的分析，建立了非致命激光武器的綜合效能評(píng)價(jià)核心指標(biāo)體系，提出了非致命激光武器綜合效能的評(píng)估方法，采用最優(yōu)傳遞矩陣改進(jìn)層次分析方法確定各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，運(yùn)用灰色層次分析法對(duì)非致命激光武器的綜合效能進(jìn)行了評(píng)估，為非致命激光武器的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用提供了理論支持。

非致命激光武器，灰色層次，效能評(píng)估

0　引言

非致命激光武器，是指發(fā)射的能量平均功率低于20 kW或每個(gè)脈沖的能量小于30 kJ［1］的一種新概念武器，主要用于射擊單個(gè)目標(biāo)，使人眼瞬間致盲從而喪失戰(zhàn)斗力。人眼結(jié)構(gòu)類似一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，波長(zhǎng)在400 nm～900 nm范圍的激光束透過(guò)角膜之后，經(jīng)過(guò)角膜及晶狀體的聚焦，落在視網(wǎng)膜上，其光功率密度比角膜入射處放大105倍，極短時(shí)間內(nèi)能量在極小面積上集中釋放，即使低劑量的照射也可造成暫時(shí)性失明或嚴(yán)重?fù)p傷［2］。

激光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷效應(yīng)一般分為輕度、中度、重度3個(gè)損傷等級(jí)［3］。作為非致命激光武器，對(duì)人眼損傷的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不超過(guò)中度損傷的閾值。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外非致命激光武器種類繁多，形式各異，有步槍型、手槍型、手電筒型等等，各種各樣可使犯罪分子眩目、迷茫或使電子光學(xué)失效的激光器不斷涌現(xiàn)，這些激光器可裝載在艦艇、戰(zhàn)車甚至飛機(jī)上以達(dá)到對(duì)目標(biāo)暫時(shí)致盲、眩暈、告警、阻止、驅(qū)離等。但是非致命激光應(yīng)用中還存在許多安全問(wèn)題，作用能量控制不當(dāng)或作用距離太近，有可能使目標(biāo)永久性失明，另外非致命效能沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。故對(duì)其綜合效能評(píng)估顯得極為重要，不僅能滿足裝備研發(fā)的需要，更為重要的是，能為非致命激光武器在反恐、處置群體性事件和執(zhí)勤中廣泛應(yīng)用提供理論支持。

1　非致命激光武器綜合效能指標(biāo)體系的建立

非致命激光武器的評(píng)估是復(fù)雜的多指標(biāo)問(wèn)題，指標(biāo)體系的建立要符合目的性、科學(xué)性、定性與定量分析相結(jié)合以及可操作性原則。作為非致命性武器，其非致命性能是最基本、最核心的設(shè)計(jì)要求，而技術(shù)性能又是實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可靠性、經(jīng)濟(jì)性要好，攜帶方便。根據(jù)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合，按照用最少的指標(biāo)反映最主要、最全面的信息的原則，以技術(shù)性、非致命性和應(yīng)用性作為非致命激光武器效能評(píng)估的準(zhǔn)則層，以能量自適應(yīng)、跟蹤瞄準(zhǔn)等作為指標(biāo)層建立非致命激光武器綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　非致命激光武器綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系

1.1技術(shù)性

技術(shù)性體現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)非致命激光武器的可行性，非致命激光武器的技術(shù)性主要與能量自適應(yīng)性、跟蹤瞄準(zhǔn)性和頻率可調(diào)性有關(guān)。

1.1.1能量自適應(yīng)性

激光能量超過(guò)了人眼視網(wǎng)膜的損傷閾值就會(huì)造成不可恢復(fù)的失明。比如角膜的淺層渾濁、凝固壞死，瞳孔變形，晶狀體前表面渾濁，視網(wǎng)膜出現(xiàn)凝固水腫斑、出血斑等。能量自適應(yīng)的核心在于自動(dòng)感知目標(biāo)的距離，然后自動(dòng)控制輸出能量，既能實(shí)現(xiàn)人眼的暫時(shí)失明，使敵人失去戰(zhàn)斗力，又不會(huì)對(duì)其眼睛造成永久性傷害［4］。激光測(cè)距機(jī)和自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的運(yùn)用，能夠自動(dòng)測(cè)量目標(biāo)距離，從而控制激光輸出的能量，使能量自適應(yīng)性在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)成為可能。

1.1.2瞄準(zhǔn)性

對(duì)激光的擴(kuò)束準(zhǔn)直技術(shù)，可以有效減小激光發(fā)散角，增強(qiáng)激光的方向性，在無(wú)需安裝瞄準(zhǔn)鏡的情況下，也能對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)。加裝激光瞄準(zhǔn)鏡后，瞄準(zhǔn)精度進(jìn)一步提高。瞄準(zhǔn)精度越高，技術(shù)性能越好。

1.1.3頻率可調(diào)性

光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法，通過(guò)倍頻晶體的非線性作用，可以得到許多波段的激光。Nd：YAG是典型的倍頻激光器，將波長(zhǎng)為1.064μm通過(guò)晶體倍頻產(chǎn)生0.532μm激光。提高變頻技術(shù)的效率不僅可以降低能量消耗，而且提高非致命激光武器的反防護(hù)能力，波長(zhǎng)可調(diào)范圍越寬，技術(shù)性能越好。

1.2非致命性

激光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷程度受諸多因素的影響，主要由激光波長(zhǎng)、能量密度和作用時(shí)間決定。

1.2.1作用波長(zhǎng)

激光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷程度主要由波長(zhǎng)決定［3］，其原因是在于視網(wǎng)膜對(duì)光能量的吸收率和眼睛光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率都與波長(zhǎng)有關(guān)。視網(wǎng)膜對(duì)激光的有效吸收率愈大，視網(wǎng)膜損傷愈嚴(yán)重。人眼光學(xué)系統(tǒng)對(duì)0.53μm藍(lán)綠激光的透過(guò)率達(dá)到88%左右，其對(duì)人眼視網(wǎng)膜的傷害程度最大，但是控制發(fā)射能量，也不會(huì)造成人眼的不可恢復(fù)性傷害。

1.2.2激光能量

同一波長(zhǎng)相同脈寬的激光隨能量密度的增加對(duì)視網(wǎng)膜損傷加重，不同波長(zhǎng)的激光對(duì)視網(wǎng)膜損傷閾值差別很大，通常波長(zhǎng)越短，能量越高，對(duì)眼損傷越大，閾值就越低。各類激光器產(chǎn)品損傷閾值不盡相同，脈沖式激光視網(wǎng)膜損傷閾值在5×10-7～5×10-3范圍之間，連續(xù)型激光視網(wǎng)膜損傷閾值在0.5mw/cm2以下［5］。

1.2.3作用時(shí)間

激光輸出方式分為連續(xù)輸出和脈沖輸出，輸出持續(xù)時(shí)間大于0.25 s為連續(xù)輸出，輸出時(shí)間小于0.25 s為脈沖輸出［6］。連續(xù)激光輻射時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)眼的損傷越嚴(yán)重，一般來(lái)講，照射時(shí)間有一個(gè)臨界點(diǎn)，也稱“熱平衡點(diǎn)”（大約100ms～400ms）。如果大于臨界點(diǎn)，損傷閾值趨于常數(shù)。對(duì)于脈沖式輸出，激光對(duì)視網(wǎng)膜照射的安全時(shí)間在1 ns～18μs之間。

1.3應(yīng)用性

1.3.1可靠性

非致命激光武器主要由激光控制系統(tǒng)、激光泵浦系統(tǒng)、激光光學(xué)系統(tǒng)、按鍵操作系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)等幾部分組成。影響非致命激光武器可靠性主要因素是激光器的冷卻、電池供電時(shí)間、透鏡材料。目前，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用、彈夾式電池供電方式以及透鏡材料選擇光學(xué)玻璃很大程度上提高了非致命激光武器的可靠性。

1.3.2經(jīng)濟(jì)性

近年來(lái)，激光技術(shù)發(fā)展迅速，生產(chǎn)成本不斷降低。非致命激光武器采用鋰電池供電，可重復(fù)使用；光學(xué)玻璃批量生產(chǎn)、外殼材料的改進(jìn)、激光器成本的降低等使非致命激光武器生產(chǎn)費(fèi)降低，為非致命激光武器的廣泛應(yīng)用提供了可能。

1.3.3便攜性

高強(qiáng)度輕型材料作為殼體、半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用以及輕型鋰電池的供電方式，使得非致命激光武器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，不僅攜帶方便而且便于手握。目前市場(chǎng)上手槍式、手電筒式的非致命激光器，基本上都達(dá)到了便攜性要求。

2　非致命激光武器綜合效能評(píng)估

2.1計(jì)算各層次指標(biāo)權(quán)重

層次分析法采用1～9及其倒數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，傳統(tǒng)層次分析法避免不了一致性檢驗(yàn)，采用最優(yōu)傳遞矩陣改進(jìn)層次分析法，不僅能滿足一致性要求，而且減小構(gòu)造判斷矩陣的盲目性和主觀性。確定指標(biāo)權(quán)重具體步驟參考文獻(xiàn)［10］。

表1　Ui-U判斷矩陣及權(quán)重

表2　u1i-U1判斷矩陣及權(quán)重

表3　u2i-U2判斷矩陣及權(quán)重

2.2計(jì)算評(píng)估指標(biāo)值矩陣

為了對(duì)非致命激光武器的綜合效能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)指標(biāo)uij分為定量與定性兩大類，u11、u12、u13、u21、u22、u23為定量指標(biāo)，可直接根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打分。u31、u32、u33為定性指標(biāo)，通過(guò)制定相應(yīng)的評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)打分。

為方便給指標(biāo)評(píng)分和評(píng)估，引入評(píng)判機(jī)制，設(shè)評(píng)判等級(jí)C=［c1，c2，c3，c4］=｛優(yōu)，良，中，差｝，設(shè)定C的量化分值C=［9.5，8.5，7.5，6.5］，其中［10，9］為“優(yōu)”，［8，9］為“良”，［7，8］為“中”，［0，7］為“差”。

對(duì)于定量指標(biāo)評(píng)分，引入計(jì)算方便的梯形模糊數(shù)，隸屬度空間為4個(gè)，以偏大型為例，如圖2所示，其隸屬函數(shù)式為式（1）～式（3），定量指標(biāo)隸屬度見(jiàn)表5。

表4　u3i-U3判斷矩陣及權(quán)重

圖2　越大越好型隸屬度函數(shù)

表5　定量指標(biāo)隸屬度

設(shè)定量指標(biāo) u11、u12、u13、u21、u22、u23對(duì)應(yīng)的模糊向量為gi，定量指標(biāo)的得分為hi。

通過(guò)計(jì)算 u11、u12、u13、u21、u22、u23分別為 9、8.1、8、9.1、8.2、8.3。

對(duì)于定性指標(biāo)，請(qǐng)5位裝備方面的專家進(jìn)行打分，綜合定量指標(biāo)分值，得到準(zhǔn)則層評(píng)估樣本矩陣D1、D2和D3如下。

2.3確定評(píng)估灰類

評(píng)估灰類是一個(gè)可供比較的類別，具有模糊性和不確定性，為了描述灰類，需要確定其等級(jí)、灰數(shù)和其白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)確定的4個(gè)評(píng)判等級(jí)，其相應(yīng)的灰數(shù)及白化權(quán)函數(shù)fe（dijk）（e=1，2，3，4），如圖3所示。

圖3　4類白化權(quán)函數(shù)

2.4確定評(píng)估權(quán)矩陣

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)uij，根據(jù)Di和fe（dijk），確定屬于第e個(gè)灰類的灰色評(píng)價(jià)系數(shù)nije，各評(píng)價(jià)灰類的總灰色評(píng)價(jià)系數(shù)為nij，屬于第e個(gè)評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)價(jià)權(quán)記為rije，計(jì)算公式如式（9）～式（11）：

將指標(biāo)uij的各灰色評(píng)估權(quán)組成灰色評(píng)估權(quán)向量為：

綜合Ui所屬指標(biāo)uij的各灰色評(píng)估權(quán)向量rij，組成灰色權(quán)矩陣Ri（i=1，2，3）

由式（5）～式（9），通過(guò)計(jì)算，非致命激光武器準(zhǔn)則層的權(quán)矩陣R1、R2、R3為：

2.5灰色綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合權(quán)重，可以求得準(zhǔn)則層指標(biāo)分效能值為：

綜合效能評(píng)估值為：

通過(guò)計(jì)算，技術(shù)性的效能值：

同理可得非致命激光武器的非致命性和應(yīng)用性效能分別為：E2=8.463；E3=8.206。根據(jù)式（11）可計(jì)算非致命激光武器非致命效能評(píng)估值為：E=0.186× 8.578+0.687×8.463+0.127×8.206=8.452。

非致命激光武器綜合效能值為8.452，效能屬于“良”類，非致命激光武器因其技術(shù)較為成熟，經(jīng)濟(jì)性好、攜帶方便，是當(dāng)前反恐、處置群體性事件和執(zhí)勤中最具潛力的非致命武器。目前非致命激光武器對(duì)有生目標(biāo)作用機(jī)理還具有很大的挖掘空間，對(duì)不同體質(zhì)的人，在不同環(huán)境下，能量控制還有待深入研究，評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀。

3　結(jié)論

①系統(tǒng)考慮非致命激光武器技術(shù)性、非致命性以及實(shí)用性，建立了以非致命為核心的綜合指標(biāo)體系，各個(gè)指標(biāo)具有一定的代表性，比較客觀地反映了非致命激光武器綜合性能。

②運(yùn)用灰色層次分析法，將專家的定性分析轉(zhuǎn)化為定量評(píng)估，較好地解決了指標(biāo)量化問(wèn)題，評(píng)估結(jié)果較為客觀。

③證明了該方法可行性和實(shí)用性，不僅為非致命激光武器的研發(fā)、大范圍的應(yīng)用提供了理論支持，而且為其他非致命武器的效能評(píng)估提供了借鑒。

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Research on Com prenhensive Effectiveness Evaluation of Non-lethal Laser Energy

GUOSan-xue，LIUXiao-hua，JIANGXian-pei，ZHU Ting
（Engineering University of CAPF，Xi’an 710086，China）

Non-lethal laser weapons is a kind of tactical weapon which uses low energy laser to make the target temporarily lost，throughanalyzing of the factors affecting the comprehensive effectiveness of non-lethal laser weapon，the core index evaluation system on the efficiency of nonlethal laser weapons is set up and the evaluation method of non-lethal laser weapons is put forward in this paper.The relative weight of each index is determined by the improved AHP using the optimized matrix transfer and the comprehensive effectiveness of non-lethal laser weapon is evaluated based on grey AHP，which provides the oretical support for the development and application of non-lethal laser energy.

non-lethal laserweapon，grey AHP，efficiency evaluation

E920.8；TJ95

A

1002-0640（2016）08-0093-04

2015-05-25

2015-07-16

國(guó)家社科基金軍事學(xué)項(xiàng)目（13GBJ003-242）

郭三學(xué)（1962-），男，陜西富平人，博士，教授。研究方向：非致命武器技術(shù)。