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光纤技术及其军事应用

2/14/2005来源:光纤通信人气:17131

光纤技术及其军事应用 [摘要]光纤技术由于其独特的优点和特异的功能,不仅在光纤通信等民用领域 得到了广泛的开发和应用,而且在军用领域也得到了各国政府和军方的重视。在国外, 光纤技术军事应用的研究和开发于80年代中期形成高潮。进入90年代,这些研究和开 发活动得到了进一步的加强。本文综述了国外在光纤技术军事应用方面的最新进展以 及具有军事应用前景的几项光纤新技术。 [关键词」光纤技术;军事应用 [中图分类号]TN818 [文献标识码]A [文章编号]1006-1908(1999)05-0007-09 1 前言 由于光纤作为一种传输媒质,与传统的铜电缆相比具有一系列明显的优点,因此, 自70年代以来,光纤技术不仅在电信等民用领域取得了飞速的发展,而且因其抗电磁 干扰、保密性好、抗核辐射等能力,以及重量轻、尺寸小等优点,使它也得到了各发 达国家政府和军方的重视与青睐。 特别是在美国,早在80年代中期,先后计划的光纤军事应用项目就达400项左右, 这些项目包括固定设施通信网、战术通信系统、遥控侦察车辆和飞行器、光纤制导导 弹、航空电子数据总线和控制链路、舰载光纤数据总线、反潜战网络、水声拖曳阵列、 遥控深潜器、传感器和核试验等。这些项目陆续有报道取得了不同的进展。 进入90年代以来,光纤技术的军事应用继续受到美、欧等国军方的重视。在美国, 三军光纤技术开发活动的计划项目分成五大部分:有源和无源光元件、传感器、辐射 效应、点对点系统和网络系统。由三军光纤协调委员会进行组织,每年投资为5千万 美元。 在面向21世纪的今天,美国国防部已把“光子学、光电子学”和“点对点通信” 列为2010年十大国防技术中的两项。其中光纤技术占据着举足轻重的地位。这预示着 美国等西方国家对光纤技术军事应用的研究将全面展开并加速进行。而各项先期应用 及演示、验证表明。21世纪的军事通信和武器装备离开了光纤技术将无“现代化”或 “先进”可言,在未来战争中将处于被动挨打的局面。 2 光纤技术的军事应用 2.1 光纤技术的陆上军事应用 2.1.1光纤技术的军事通信应用 光纤技术在陆上的军事通信应用主要包括三个方面:1)战略和战术通信的远程系 统;2)基地间通信的局域网;3)卫星地球站、雷达等设施间的链路。 自从“信息高速公路”概念的出现,美国就在军用信息高速公路的发展中走在了世 界各国的前面。1992年6月,美国参谋长联席会议下发了名为“武士 C4T”的关于美军 21世纪通信和协同作战总体规划的框架文件。“武士C4T”计划的目标是按军用“信息 高速公路”的要求,建立一个全球性的实时军用通信网,即称为“信息球”的全球通信 网。它将是一个连通士兵、指挥所和各种传感器的指挥网,是一个反应灵敏的C8系统。 它的基础网就是国防信息系统网(DISN),由地面及卫星的军用和民用通信系统所构成。 目标DISN是一个宽带综合业务数字网(B-ISDN),传输容量将高达几 Gb/s。拟分近、 中、远三个阶段实施,从1995年起,花10-15年时间加以实现。 战场信息系统(BIS-2020)则是支持美国陆军21世纪作战理论的未来陆军信息系统。 作为支持“BIS-2020”系统的陆军战术指挥控制系统(ATCCS),主要是一种地理上分 散的,高度机动的,通信密度大的系统。它也将分三步予以实施。第三步ATCCS,即最终 目标系统也就是“BIS-2020”系统,其研制周期为1995~2000年。而光纤局域网,特别 是光纤分布数据接口(FDDI)是其中的关键技术之一。 美军的C3系统在海湾战争中对赢得战争的胜利发挥了重要作用。尤其是美国三军联 合战术通信系统(TRI-TAC)、移动交换设备(MSE)和改进型陆军战术通信系统都发挥 了重要作用。但这些系统也暴露出不少问题,因此,美军根据这些问题和未来的作战要 求,从三个方面对TRI-TAC进行了技术改进。一是由空军负责的TAC-1光缆系统,它将 代替同轴电缆,装备分布在全球的美军TRI-TAC系统;二是陆军的野战光缆传输系统 (FOTS)。拟用10000km的光缆代替CX-11230型同轴电缆;三是由海军陆战队的野战光 缆系统(FOCS)连接数字交换机和无线电设备。此外,本地分配系统也是TRI-TAC的一 个组成部分,它主要将用野战光缆代替野战通信车之间的四根26对CX-4566型电缆。 除此之外,美国海军和空军还都在建设自己采用异步传输模式(ATM)的宽带光纤通 信网。 空军的C3I系统是光纤技术在美国空军中应用的最大项目之一。1979年,美国GTE公 司从美国空军获得了3.25亿美元的MX导弹发射场C3系统的合同,用光缆作为作战控制中 心、地区支援中心、导弹掩体和维护设施之间的互连线路,线路总长15000km,连接4800 处有人和无人值守场所的5000多台计算机。而在1987~1996年的十年间,MX导弹C3系统 的投资预算更达到5.17亿美元。 美军还提出了在主要的军用门道配置军用卫星和光缆双重链路的设想,以便利用这两 种通信方式工作特点和性能特点的互补性,保障危机情况下战略和战术综合通信的抗毁性。 2.1.2 光纤技术在雷达和微波系统的应用 由于光纤传输损耗低、频带宽等固有的优点,光纤在雷达系统的应用首先用于连接雷 达天线和雷达控制中心,从而可使两者的距离从原来用同轴电缆时的300m以内扩大到2~5 km。用光纤作传输媒体,其频带可覆盖X波段(8~12.4GHz)或Ku波段(12.4~18GHZ)。 目前 X波段高频光纤系统已实用化,Ku波段的宽带微波光纤线路系统也已有大量报道。 光纤在微波信号处理方面的应用主要是光纤延迟线信号处理。先进的高分辨率雷达要 求损耗低、时间带宽积大的延迟器件进行信号处理。传统的同轴延迟线、声表面波(SAW) 延迟线、电荷耦合器件(CCD)等均已不能满足要求。静磁波器件和超导延迟线虽能满足 技术要求,但离实用化尚很遥远。光纤延迟线具有损耗低(在1~10GHz频段内,单位延迟 时间的损耗仅O.4~O.1dB/ps),时间带宽积大(达104~106 ),带宽宽(>10GHz)等 优点,且动态范围大,三次渡越信号小,实现彼此跟踪的延迟线相当容易,而且能封装进 一个小型的封装盒。用于相控阵雷达信号处理的多半是多模光纤构成的延迟线。目前国外 光纤延迟线已进入成熟期。 为提高相控阵雷达天线波束扫描的灵活性,减小初始功耗,以及精密控制所需的单元 相位和幅度以实现低的空间旁瓣,需要对每一天线单元提供波束(相位)控制信号、极化 控制信号和幅度控制信号。采用光纤高速传输这些控制信号,相位稳定性好,可以大幅度 减少每一有源单元的电子组件量,简化系统构成,降低雷达成本,减小体积和质量。 光纤技术在相控阵雷达的应用还包括用光纤延迟线在光控相控阵雷达波束形成所需的 相移。在电光相控阵发射机中采用集成光学进行波束形成,用光纤技术进行天线的灵活遥 控。利用光纤色散棱镜技术的宽带光纤实时延迟相控阵接收机等。其中,除光纤延迟线外, 光纤耦合器、波分复用/解复用器、集成光学、偏振保持光纤、高色散光纤、光纤放大器、 光纤光栅等先进的光纤元器件技术得到了应用。 2.1.3 光纤制导导弹(FOG-M) 光纤制导导弹的概念提出于1972年,但其发展是在80年代初期。美国陆军的项目主要 用于反坦克和反武装直升飞机。早期设计的射程仅10km。美国海军的项目则主要用于空对 空、空对地及舰对舰作战。美国陆军在1989~1991年用于FOG-M的开发经费都在1亿美元左 右。进行了4O次以上的点火试验,后因研制费用太高而于1991年项目被取消。 海湾战争中,美军在用轻武器抗衡重武器或装甲编队时意识到,需要一种可以展开又 保持攻击装甲编队所需杀伤力的轻、重应急武器,而 FOG-M正好能满足这种极有杀伤力、 存活率、高度可展开和灵活的系统的需要。为了给陆军快速反应部队提供对付远距离的直 升机和坦克的手段,美国又恢复了FOG-M的研制。计划于1994年初进入演示与验证阶段。 1997~1998财政年度开始低速生产。 最近有报道,美国陆军导弹司令部正在对远程光纤制导导弹进行技术演示,该导弹 能击中100km外的运动目标。 FOG-M不仅受到美国军方的重视,德国也进行了开发研究,并得到了法国的合作,意 大利也加入其中,三国共同制定了三边光纤导弹(TRIFOM)计划。其中Polypheme 20型用 于对付师级装甲车、直升机,可装在轻型或高机动车辆上,射程为15km;Polypheme60型 用于杀伤纵深特定的固定或低机动性的目标,射程为60km;Polypheme SM型用于潜艇水下 数百米深处发射,反直升机或飞机,射程为10km。在1996年10月于巴黎举办的欧洲舰艇博 览会上,法国宇航公司导弹部展出了新研制的光纤制导多用途舰载导弹。 巴西也在1995年的巴黎航空展览会上展出了20km射程的FOG-M。 2.1.4 光纤系绳武器 美军军用机器人已于1988年开始中批量生产,年均产值达5亿美元。光纤遥控战车(T OV)是用一根光缆系留到基地站拖车上的高机动性多用途轮式车辆,可将各种侦察装置、 传感器及武器送到危险战区,执行诸如侦察、探雷、排雷、清除障碍和弹药补给等任务, 车速可达3.5km/h,操作距离达15~30km。如一种由Grumman公司研制的称为Ranger(别 动队)的光纤系留车辆在试验中成功地击中了300m以外的装甲目标。其最高时速达27km。 由美国海军海洋系统中心(NOSC)和Sandia国立研究所联合研制的遥控飞行器(AR OD)是一种用光纤系留的涵道风扇式装置,通过电视实施侦察任务,AROD III 的活动范 围达4000m。 使用系留光缆的气球载雷达侦察系统也得到了迅速发展,气球升空高度600m~6000m, 有效载荷100kg~2000kg,持续滞空时间15~3O天,可起到类似高空预警机的功能。 光纤遥控水下深潜器(ROV)也称水下机器人或无人潜艇,有拖曳式和系留式两种。 通过装备不同的设备可进行地形测绘、调查打捞沉船和坠海飞机、营救潜艇、反潜监听 装置布设、探测和排除水雷、自主布雷和水下诱饵等。 鹰式电子择优诱饵是美国海军研究实验室开发的光纤系留无人飞行器,重量36kg, 采用旋转翼,负载能力6.5kg,计划于1997年完成最后试验。 2.1.5 在地下核试验中的应用 由于光纤在核环境中具有两大优点,一是不受电磁脉冲的影响,二是光纤在暴露于 强辐射武器爆炸后几秒钟内就能恢复。因此,美国军方将光纤技术用到了地下核试验中。 2.1.6在夜视装置中的应用 据报道,美军在新式的夜视装置中加进了光纤元件来增强图像。这种光纤元件主要 是光纤熔融面板。 2.2光纤技术的海上军事应用 2.2.1 舰载高速光纤网 由于现代化的舰艇装备有大量的通信、雷达、导航、传感器系统和武器指挥系统等 电子设备,加上其它电气设备,因此造成了严重的电磁干扰、射频干扰等问题,为此, 80年代初美国海军实施了开发大型新舰船用光纤区域网作为计算机数据总线的计划-AEGI S(宇斯盾)计划。1986年初,美国海军海洋系统司令部又在此基础上成立了SAFENET (能抗毁的自适应光纤嵌入网)委员会。并于1987年成立工作组指导制定了SAFENET-I 和SAFENE一五两套标准。分别于1991年1月和1992年1月完成。前者是一种军用加强型IE EE802.5令牌环网,传输速率16Mb/S,后者是基于ANSI 3XT9.5 FDDI(光纤分布数据接 口)令牌杯网,传输速率100Mb/s。这些系统已安装在CG-47 Aegis导弹巡洋舰、DDG 51级导弹驱逐舰、乔治·华盛顿号航空母舰等舰艇上。 美国海上系统司令部和国防高级研究计划局还联合制定了利用同步光网(Sonet)、 宽带综合业务网(B-ISDN)和异步传输模式(ATM)标准,开发高速光网(HSON)原 型的计划,由海军研究实验室(NRL)负责开发和评价,从1991年年中开始为期三年。 该网利用单模光纤,传输速率从155Mb/S(OC-3)到2.4Gb/S(OC-48)。1992年实 现了1.7Gb/S的第一阶段目标。美国小石城号航母上的雷达数据总线传输容量就达到 了1Gb/S,并使原来重量达90吨的同轴电缆被半吨重的单模光缆所代替。 高级水下作战系统(SUBACS-Submarine Advanced Combat System),SUBACS是美 国海军最大的舰载水下光纤通信计划项目,该项目计划在所有的洛杉肌688级攻击型核 潜艇和新型“三叉戟”弹道导弹潜艇中装备光纤数据总线,将传感器与火控系统接入 分布式计算机网,从而大大提高潜艇的数据处理能力,这就是所谓的AN/BSY-1。据 报道,整个计划头两年的研制开发经费为6.38亿美元,生产合同预计至少20亿美元。 以后又在1989年以后生产的“海狼”SSN-21级攻击型潜艇中采用通用电气公司海战部 开发的AN/BSY-2综合光纤作战控制声学系统。 1997年11月,美国在核动力航空母舰“杜鲁门号”(CYN75)上采用气送光纤技术 完成了光纤敷设。后来又成功地在“企业号”(CVN 65)上进行了敷设。还计划在“ 里根号”(CVN 76)、“尼米兹号”(CVN68)及“USSWasp”号(LHD-1)上用气送 光纤技术敷设光纤系统。其中“杜鲁门号”上所用光纤达67.58km。 2.2.2光纤水听器系统 光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件,它与传统的压电水听器相比, 具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、 系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势,因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提 高的挑战,适应了各发达国家反潜战略的要求,被视为国防技术重点开发项目之一。 光纤水听器的主要军事应用为: ·全光纤水听器拖曳阵列 ·全光纤海底声监视系统( Ariaden计划) ·全光纤轻型潜艇和水面舰船共形水听器阵列 ·超低频光纤梯度水听器 ·海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量 美国对这项技术的研究始于70年代末,到1992财政年度已投入超过1亿美元的研 究和开发经费。美国海军研究实验室(NRL)、海军水下装备中心(NUWC)、Gould 公司海事系统分公司、和Litton制导和控制公司联合开发了全光纤水听器拖曳阵列 (AOTA)、潜艇和水面舰船共形水听器阵列(LWPA)等各种不同反潜应用类型的海 试系统,经过大量海上试验,已达可以部署的状态。目前他们正在开发大规模(几 百个单元)的全光纤水听器阵列系统及其相关技术。近十年来,美国已对全光纤水 听器及其阵列的各种应用场合都进行了试验,试验结果很成功。 英国对水听器的研究主要由Plessey国防研究分公司、海军系统分公司和马可 尼水下系统有限公司承担,开发了全光纤水听器拖曳阵列、海底声监视系统等各种 不同反潜应用的海试系统,也进行了一系列海上试验。 2.2.3光纤制导鱼雷 与光纤制导导弹一样,光纤制导鱼雷能大大改善鱼雷的攻击性能。 美国海军海洋系统中心试验的光纤制导鱼雷,制导距离5km,速度18节(33km /h),进一步的试验将达70节(130km/h),射程则将扩大到100km。其关键是光缆 及其放线技术和先进的光纤水听器,法国也进行了成功的光纤制导鱼雷的试验,制 导距离达到了20km。 2.2.4桅杆式光电观测装置 从80年代开始,美、英、德等国的潜望镜制造厂商都开始研制一种不穿透潜艇 耐压船体的多功能传感器成像系统,即潜艇光电桅杆,它将用来代替传统的潜望镜, 装置90年代中、后期乃至21世纪初服役的新型潜艇。英国海军于90年代先后建造的 4艘“前卫”级弹道导弹核潜艇采用的自防护组合式光电潜望镜系统,就由光电桅杆 和光学潜望镜组成,而光电桅杆的可回转多传感器头与艇内操纵控制台之间的信息 则由光缆进行传输。 这种桅杆式光电观测装置还被用到了装甲车辆及直升飞机上。 2.3 光纤技术的航空航天军事应用 光纤技术在航空领域的应用主要有以下四个方面: ·代替铜线用于点对点的光纤数据传输 ·用于高速网络和计算机的互连 ·用于飞行和发动机的控制,即所谓的“光控飞行” ·智能结构和智能蒙皮 2.3.1 点对点数据传输和网络应用 目前已在飞机中少量使用的点对点链路主要用于航空电子装置“黑盒子”之间的 数据传送。这些链路在F/A-18、AV-88及黑鹰直升飞机中表现良好,数据速率从10Mb /s~100Mb/s。由于光纤系统价格较贵,低损耗及宽带能力不能充分利用,因此配备 数量较少,只用于存在严重电磁干扰和电磁脉冲问题的场合。随着复杂性的增加,光 纤数据总线的带宽也将增加。如F-22和RAH-66 Comanche要求100Mb/s~1Gb/s的高 速光纤数据总线用于通信和传感器接口。 2.3.2 光控飞行(Flight-by-Light) 由于电磁干扰(EMI)、电磁脉冲(EMP)、高强度无线电频率(HIRE)以及新的 威协(如直接能量武器)会严重威胁配备电控飞行的飞行器的飞行安全,因此人们不 得不采取适当的屏蔽措施,但这样将造成重量的增加,而光控飞行可起到一箭双雕的 作用。对于战术飞机来说,如用光控飞行替代电控飞行,重量约可节省90~317kg, 而且,光纤系统不仅可进行飞行控制,还可用来控制和监测飞行器的子系统,机载光 纤系统在“隐形”飞机中也很重要,因为机内长达数公里的电缆的噪声辐射将成为辐 射源而易被雷达所发现,采用光纤系统则不存在这个问题。 光控飞行的研制工作始于1980年美国陆军的“先进的数字光控制系统(ADOCS)计 划,由Boeing VertolCo.公司承担,后来安装于Sikorski UH-60A“黑鹰”直升飞机 上成功地进行了演示。打算安装在各种军用直升飞机上。 1985年,美国航空航天局(NASA)和国防部合作,开始了一项“光纤控制系统总 成(FOCSI)”的计划。该计划于1993年秋天在美国海军的F-18战斗机上进行了开放 环路飞行试验,重点是飞行控制传感器,以及用于总压力、静态压力、马赫数、攻击 角度的传感器,以及用于一个完整的综合推进/飞行控制系统所需的总体温度的传感 器。 NASA还准备在一项“推进管理光学接口系统(OPMIS)”计划中对光纤控制飞行 进行另一项演示。 美国高级研究计划局(ARPA)和NAS已开始着手光控飞行计划,这项计划称之为 “光控飞行先进系统硬件技术再投资项目(Flash)”,由Wright实验室实施。 2.3.3 光纤技术在导弹及航天飞行器的应用 除了前面所述的MX导弹发射场用光纤链路外,光纤可以在运载火箭的三个子系统 中替代电缆,并大大提高运载火箭的可靠性。这三个子系统是:1)起飞倒计时(T- O)脐带系统;2)航空电子设备互连网;3)监控传感器。 据报道,欧洲航天局(ESA)与英国Sira公司签订合同,要求该公司设计一种低 成本、无源、且高度灵活的航天器光纤监测系统,以解决航天器缺乏视觉数据,特别 是不完全展开的问题,并打算安装在计划于1998年底发射的ENVISAT宇宙飞船上,以 及在标准化后装配到所有宇宙飞船上。 美国Rockwell International公司对光纤技术在液体燃料火箭发动机的仪表和控 制应用的可行性进行了研究。应用场合包括:用于涡轮叶片温度测量的光纤高温计; 燃烧过程的光纤拉曼温度传感;涡轮泵轴承磨损的光纤挠度计测量等。