激光技術(shù)在國防中的應(yīng)用試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在激光主動成像制導(dǎo)系統(tǒng)中，決定目標(biāo)三維輪廓精度的核心參數(shù)是A.激光脈沖寬度B.激光束散角C.激光重復(fù)頻率D.激光中心波長答案：B解析：束散角直接決定光斑在目標(biāo)上的空間分辨率，越小則輪廓采樣點越密，三維重建精度越高；脈沖寬度影響的是距離分辨率，重復(fù)頻率決定數(shù)據(jù)刷新率，波長主要影響大氣傳輸與探測器匹配。2.戰(zhàn)術(shù)級激光武器對3km處無人機殼體（鋁合金2mm）實施燒蝕，最需優(yōu)先提升的指標(biāo)是A.平均功率B.峰值功率C.光束質(zhì)量β因子D.系統(tǒng)總質(zhì)量答案：C解析：在燒蝕閾值以上，能量耦合效率與光斑功率密度成正比，而功率密度=平均功率/(π(βλR/D)2)。β因子惡化1倍，光斑面積擴大4倍，功率密度下降75%，比單純提高平均功率更直接。3.星載激光通信鏈路采用1550nm波段，相較800nm波段，其最主要優(yōu)勢是A.光子能量高B.對太陽背景光免疫C.石英光纖傳輸損耗低D.探測器量子效率高答案：C解析：1550nm位于石英光纖低損耗窗口，可方便與地基光纖網(wǎng)無縫熔接；雖然InGaAs探測器量子效率略低于Si，但差距可被摻鉺光纖放大器(EDFA)的高增益彌補。4.激光陀螺儀中，閉鎖效應(yīng)（lockin）直接來源于A.反射鏡散射B.背向散射與主波耦合C.增益介質(zhì)燒孔D.法拉第非互易答案：B解析：背向散射光與順時針/逆時針主波發(fā)生相干耦合，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于臨界值時，兩束光頻率被鎖定在同一頻率，導(dǎo)致輸出零偏。5.采用相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)測量5km高度風(fēng)速，系統(tǒng)本振光功率3dBm，信號光功率50dBm，則外差效率最接近A.0.1%B.1%C.10%D.80%答案：D解析：外差效率η=Pc/(Ps+Pc)，其中Pc為本振光功率，Ps為信號光功率。由于Pc?Ps，η≈1，工程上典型值80%，其余20%損耗來自模式失配、偏振失配等。6.激光半主動制導(dǎo)炸彈在沙漠地區(qū)出現(xiàn)“早炸”現(xiàn)象，最可能的環(huán)境誘因是A.大氣湍流B.后向散射霧C.目標(biāo)鏡面反射D.沙塵消光答案：C解析：沙漠裝甲車頂板常涂覆高反射率涂料，鏡面反射使指示光斑在導(dǎo)引頭視場中形成虛假像，導(dǎo)致提前觸發(fā)近炸引信。7.高能激光系統(tǒng)采用自適應(yīng)光學(xué)(AO)校正，其波前傳感器最常用的是A.四象限探測器B.ShackHartmann傳感器C.橫向剪切干涉儀D.自參考干涉儀答案：B解析：ShackHartmann陣列透鏡+CCD/CMOS可實時給出高空間分辨率的波前斜率，算法成熟，對強激光采樣衰減方案簡單。8.激光告警設(shè)備對波長1.06μm脈沖激光的探測概率要求>99%，則最小所需光子數(shù)（假設(shè)量子效率0.9，無背景噪聲）約為A.3B.5C.10D.20答案：B解析：泊松統(tǒng)計下，探測概率P=1e^(nη)，令P=0.99，解得nη≈4.6，n≈5.1，取整5。9.采用光纖激光相控陣實現(xiàn)遠(yuǎn)場主瓣掃描，陣列單元間距d=50μm，波長1.07μm，則理論最大掃描角（無柵瓣）為A.±6.1°B.±12.3°C.±24.6°D.±45°答案：B解析：無柵瓣條件sinθ≤λ/2d，θ_max=arcsin(1.07/100)≈0.214rad≈12.3°。10.對化學(xué)氧碘激光(COIL)而言，降低腔鏡吸收損耗0.1%，可使出光功率提高約A.0.1%B.1%C.3%D.10%答案：C解析：COIL小信號增益高，腔損耗δ減少Δδ，功率提升比例≈Δδ/(δ+T)，其中T為輸出耦合率。典型δ=0.5%，T=2%，Δδ=0.1%，則提升≈0.1/2.5≈4%，最接近3%。二、多項選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.以下哪些技術(shù)途徑可有效提升激光對反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的毀傷概率A.采用偏振復(fù)用雙波長同時輻照B.在彈體蒙皮預(yù)涂高吸收稀土漆C.利用大氣熱暈自聚焦效應(yīng)D.發(fā)射子母激光束覆蓋不確定區(qū)答案：A、D解析：偏振復(fù)用可減小目標(biāo)表面反射率隨波長變化帶來的能量損失；子母束解決跟蹤誤差與大氣抖動導(dǎo)致的光斑脫靶。B項為敵方措施，C項熱暈自聚焦對高能激光有害。12.影響星載激光高度計測距精度的主要誤差源包括A.衛(wèi)星軌道誤差B.大氣雙程延遲C.激光回波脈沖波形畸變D.地球固體潮答案：A、B、C解析：軌道誤差直接疊加到測距值；大氣延遲需模型修正；波形畸變導(dǎo)致重心算法誤差。固體潮影響的是大地高基準(zhǔn)，不直接計入隨機測距誤差。13.激光通信采用PPM調(diào)制，其優(yōu)點有A.平均功率需求低B.對湍流引起的深衰落免疫C.實現(xiàn)簡單無需時鐘恢復(fù)D.可結(jié)合光子計數(shù)實現(xiàn)超靈敏度答案：A、D解析：PPM把能量集中在窄脈沖，平均功率低；光子計數(shù)+PPM可接近量子極限靈敏度。深衰落仍需分集或糾錯，時鐘恢復(fù)反而更復(fù)雜。14.下列哪些器件屬于非機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)A.液晶光學(xué)相控陣B.電光KTP棱鏡陣列C.聲光偏轉(zhuǎn)器D.旋轉(zhuǎn)雙光楔答案：A、B、C解析：D為傳統(tǒng)機械旋轉(zhuǎn)方式。15.激光雷達(dá)識別隱身飛機時，可采用的特征量有A.高分辨率距離像(HRRP)B.微多普勒頻移C.激光散射截面(LRCS)角閃爍D.極化散射矩陣答案：A、B、C、D解析：隱身飛機對激光波段仍保留細(xì)微結(jié)構(gòu)特征，以上四項均可作為判別依據(jù)。三、判斷題（每題1分，共10分，正確打“√”，錯誤打“×”）16.激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)僅由腔長決定，與增益介質(zhì)無關(guān)。答案：√解析：標(biāo)度因數(shù)K=4A/λL，其中A為光路圍成面積，L為腔長，λ為真空波長，與增益介質(zhì)無關(guān)。17.大氣中1.3μm激光的消光系數(shù)一定小于0.5μm激光。答案：×解析：在霧霾條件下，1.3μm與0.5μm消光系數(shù)接近，甚至因粒子米氏散射峰值偏移出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。18.采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)可抑制高功率光纖激光的非線性效應(yīng)。答案：√解析：MOPA將峰值功率分散到長脈沖或CW放大，降低受激布里淵散射閾值。19.激光制導(dǎo)炸彈的編碼脈沖間隔必須小于大氣相干時間。答案：×解析：編碼間隔只需小于導(dǎo)引頭采樣周期，與大氣相干時間無關(guān)。20.自適應(yīng)光學(xué)校正后，激光遠(yuǎn)場Strehl比可大于1。答案：×解析：Strehl比定義為實際峰值強度與衍射極限峰值強度之比，理論上限1。21.光子晶體光纖可設(shè)計為在1μm波段具有負(fù)色散，用于壓縮脈沖。答案：√解析：通過調(diào)節(jié)空氣孔間距與占空比，可在近紅外獲得負(fù)色散。22.激光測距中，采用蓋革模式APD可實現(xiàn)單光子靈敏度，但會引入死區(qū)時間誤差。答案：√解析：死區(qū)時間導(dǎo)致高回波率時產(chǎn)生“堆積”效應(yīng)，需做校正。23.化學(xué)氧碘激光的波長為1.315μm，處于大氣傳輸高損耗窗口。答案：×解析：1.315μm位于大氣弱吸收帶，非高損耗，但也不是最低損耗窗口。24.高能激光系統(tǒng)采用氦氣吹除可有效抑制大氣擊穿。答案：√解析：氦氣電離閾值高，可降低激光路徑電子密度，抑制擊穿。25.激光通信中，采用LDPC碼+迭代譯碼可比RS碼在相同誤碼率下提高3dB靈敏度。答案：√解析：軟判決LDPC在AWGN信道可逼近香農(nóng)限，約2–3dB增益。四、填空題（每空2分，共20分）26.一臺CO?激光雷達(dá)波長10.6μm，發(fā)射口徑200mm，衍射極限發(fā)散角為________mrad，若實際測得遠(yuǎn)場光斑直徑為0.6m（距離5km），則光束質(zhì)量β因子為________。答案：0.065；1.84解析：θ_diff=1.22λ/D=1.22×10.6×10?3/0.2=0.065mrad；θ_real=0.6/5=0.12mrad；β=θ_real/θ_diff≈1.84。27.采用相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，本振光頻率f_LO=2.82×101?Hz，測得回光相對頻移+80MHz，則視線方向風(fēng)速為________m/s（正負(fù)號表示遠(yuǎn)離）。答案：+17解析：v=Δf·λ/2=80×10?×1.063×10??/2≈17m/s，正號表示遠(yuǎn)離雷達(dá)。28.戰(zhàn)術(shù)激光武器要求30kW輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率30%，則輸入電功率為________kW，若采用鋰電池組（比能量250Wh/kg），持續(xù)作戰(zhàn)時間60s，則電池質(zhì)量至少________kg。答案：100；6.67解析：P_in=30/0.3=100kW；E=100×(60/3600)=1.67kWh；m=1.67/250×1000=6.67kg。29.激光半主動導(dǎo)引頭采用四象限探測器，目標(biāo)光斑半徑r_s=0.5mm，探測器半徑r_d=1mm，則線性視場角θ_L≈________mrad（焦距f=20mm）。答案：50解析：θ_L≈r_d/f=1/20=0.05rad=50mrad。30.星間激光鏈路距離40000km，采用波長850nm，接收望遠(yuǎn)鏡口徑0.8m，發(fā)射功率200mW，若要求接收光子數(shù)≥1000/比特，數(shù)據(jù)率1Gbps，量子效率0.8，則鏈路損耗預(yù)算為________dB（忽略背景光）。答案：64.8解析：每比特需光子n=1000，接收功率P_r=n·hν·R/η=1000×6.6×10?3?×3.5×101?×1×10?/0.8≈0.29μW；自由空間損耗L=(λ/4πR)2=(850×10??/4π×4×10?)2≈278dB；發(fā)射增益G_t=20log(πD_t/λ)=20log(π×0.1/850×10??)≈111dB；接收增益G_r=20log(πD_r/λ)=20log(π×0.8/850×10??)≈129dB；總損耗=LG_tG_r+10log(P_t/P_r)=278+111+129+10log(0.2/0.29×10??)≈64.8dB。五、簡答題（每題8分，共24分）31.簡述高能激光系統(tǒng)“熱暈”效應(yīng)的物理機制及其抑制措施。答案：熱暈是指高能激光在大氣路徑傳輸時，部分能量被氣溶膠、CO?、H?O分子吸收，引起局部溫度升高、密度下降，折射率降低，形成負(fù)透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致光束發(fā)散、漂移與強度閃爍。抑制措施：(1)自適應(yīng)光學(xué)實時校正低階像差；(2)采用短脈沖或子脈沖串，降低平均吸收；(3)吹風(fēng)或噴射惰性氣體（如氦）降低吸收系數(shù)；(4)選擇低吸收波長（如1μm代替10μm）；(5)采用多光束重疊，分散熱沉積；(6)預(yù)先清除路徑氣溶膠（激光清除或靜電除塵）。32.說明激光陀螺“差動雙頻”技術(shù)如何降低零漂。答案：差動雙頻技術(shù)利用左右旋行波在增益曲線兩側(cè)對稱燒孔，使兩頻率差對等離子體色散、增益曲線中心頻率漂移產(chǎn)生共模抑制。具體實現(xiàn)：通過施加橫向磁場引入非互易法拉第效應(yīng)，使左右旋模頻率分裂Δf_B≈1–2MHz，該分裂量對溫度、放電電流變化呈一階抵消，殘余零漂可降低一個數(shù)量級至0.01°/h以下。33.給出激光通信中“PPM+光子計數(shù)”系統(tǒng)的誤碼率公式，并說明如何選取調(diào)制階數(shù)M。答案：誤碼率P_b≈?·erfc(√(ηE_s/2N_0·log?M·M/(M1)))，其中η為量子效率，E_s為每符號平均光子能量，N_0為噪聲等效光子數(shù)。選取M需權(quán)衡：增大M可降低每比特平均光子數(shù)（靈敏度↑），但帶寬擴展因子M/log?M增大，導(dǎo)致碼間干擾與定時誤差↑。最佳M滿足：M≈ηE_s/N_0，當(dāng)背景噪聲極低時M可取64–256，白天強背景時M取4–8。六、計算與綜合題（共31分）34.（10分）一臺地基高能激光武器，波長1.07μm，發(fā)射口徑0.6m，輸出功率300kW，光束質(zhì)量β=2.5，目標(biāo)為10km處彈道導(dǎo)彈鋁蒙皮（燒蝕閾值25J/cm2，反射率85%，吸收系數(shù)15%）。假設(shè)：(1)大氣透過率0.8，熱暈使峰值強度下降30%；(2)光斑中心停留時間0.2s；(3)忽略熱傳導(dǎo)與質(zhì)量噴射散熱。問：能否實現(xiàn)燒蝕穿透？若不能，提出兩種工程改進(jìn)方案并給出定量估算。答案：步驟1：計算遠(yuǎn)場光斑半徑w=β·1.22λR/D=2.5×1.22×1.07×10?3×10×103/0.6≈0.054m，面積A=πw2≈9.2×10?3m2=92cm2。步驟2：有效功率密度P_eff=300×103×0.8×(10.3)/92≈1.83×103W/cm2。步驟3：沉積能量密度E_dep=P_eff×t×(1反射率)=1.83×103×0.2×0.15≈55J/cm2>25J/cm2，理論可燒蝕。步驟4：考慮反射率隨溫度下降鋁熔化后反射率降至~60%，重新估算：E_dep_final=1.83×103×0.2×0.4≈146J/cm2?25J/cm2，結(jié)論：可實現(xiàn)燒蝕穿透。改進(jìn)方案（若不能）：方案A：提高平均功率至500kW，則E_dep線性增加67%；方案B：采用自適應(yīng)光學(xué)將β從2.5降至1.5，光斑面積縮小(1.5/2.5)2=0.36倍，功率密度提高2.8倍，E_dep提高至~154J/cm2。35.（10分）星載激光高度計采用脈沖能量30mJ，脈寬5ns，望遠(yuǎn)鏡口徑0.8m，軌道高度400km，地表反射率0.15（朗伯體），大氣雙向透過率0.9。探測器為SiAPD，量子效率0.7，噪聲等效功率0.5pW/√Hz，帶寬500MHz，光學(xué)效率0.6。求：(1)接收回波光子數(shù)；（2）系統(tǒng)信噪比SNR；（3）若要求測距精度σ_h<0.1m，脈沖波形重心算法所需最小SNR為多少？本系統(tǒng)是否滿足？答案：(1)接收光子數(shù)發(fā)射光子N_t=Eλ/hc=30×10?3×532×10??/(6.6×10?3?×3×10?)≈8.1×101?；地面輻照度I=N_t·ρ/(πH2)=8.1×101?×0.15/(π×(400×103)2)≈2.4×10?photons/m2；接收面積A_r=π(0.4)2=0.5m2；接收光子N_r=I·A_r·η_opt·η_atm=2.4×10?×0.5×0.6×0.9≈6.5×103photons。(2)系統(tǒng)SNR信號電流I_s=N_r·e·η_det·G=6.5×103×1.6×10?1?×0.7×100=7.3×10?1?A（假設(shè)增益G=100）；噪聲電流I_n=√(i_n2·B)=0.5×10?12×√500×10?≈1.1×10??A；SNR=I_s/I_n≈660。(3)測距精度公式σ_h=cτ/(2√2·SNR·√N_p)，其中τ=5ns，N_p為波形采樣點數(shù)取10，則σ_h≈0.15m/SNR；要求σ_h<0.1m→SNR>1.5，本系統(tǒng)660遠(yuǎn)高于需求，滿足。36.（11分）艦載激光近程武器需對付馬赫數(shù)2.5反艦導(dǎo)彈，彈體直徑0.3m，易損面積0.05m2，飛行高度10m，距離艦面3km時進(jìn)入射界。激光系統(tǒng)參數(shù)：波長1.07μm，功率100kW，β=2，發(fā)射口徑0.5m，大氣透過率0.85，目標(biāo)反射率10%，吸收系數(shù)20%，燒蝕閾值15J/cm2。艦面跟蹤系統(tǒng)角精度0.1mrad，響應(yīng)時間0.5s。任務(wù)：(1)計算最大有效毀傷距離；（2）評估跟蹤精度是否滿足光斑覆蓋要求；（3）若采用脈沖體制（占空比20%，峰值功率500kW），重新計算毀傷距離并討論優(yōu)缺點。答案：(1)連續(xù)波情況設(shè)毀傷距離R，光斑半徑w=β·1.22λR/D=2×1.22×1.07×10