魚雷光纖線導(dǎo)光傳輸技術(shù)研究

劉雪辰, 胡 鵬, 趙 巖

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魚雷光纖線導(dǎo)光傳輸技術(shù)研究

劉雪辰1, 胡 鵬2, 趙 巖3

(1. 海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局, 陜西 西安, 710054; 2. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 3. 南海艦隊裝備部, 廣東 湛江, 524001)

在高速布放的單芯制導(dǎo)光纜中實現(xiàn)光信息的雙向高速和遠程傳輸是提高光纖線導(dǎo)傳輸速率、增加傳輸距離和提高信息傳輸可靠性的關(guān)鍵?；诖? 結(jié)合魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)特點, 詳細分析了低動態(tài)損耗制導(dǎo)光纜、光通信模式選擇、光信號發(fā)送與接收等技術(shù), 提出了適宜于魚雷光纖線導(dǎo)光傳輸?shù)淖罴涯Ｊ?。?jīng)工程實踐驗證, 該技術(shù)可以顯著提高魚雷光纖通信能力。

魚雷; 光纖線導(dǎo); 光傳輸; 制導(dǎo)光纜; 光信號

0 引言

光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展為魚雷的遠程導(dǎo)引提供了廣闊的應(yīng)用前景, 采用光纖導(dǎo)線后, 魚雷的通信速率和可靠性得到了提高, 作戰(zhàn)距離增加, 目標識別能力增強, 且不受海水環(huán)境和艦艇電磁環(huán)境的干擾[1]。將魚雷的聲導(dǎo)引頭與光纖制導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合, 制導(dǎo)光纜能夠?qū)?dǎo)引頭采集到的目標及場景傳回艦艇, 并將艦艇的控制指令與目標信息傳輸給魚雷, 最終將魚雷導(dǎo)向目標附近實施攻擊, 這樣不僅增大了有效射程, 而且可保證極高的命中率, 增強了反對抗能力。

20世紀70年代以來, 美國、法國、瑞典、德國及意大利先后開展了光纖制導(dǎo)魚雷的研究工作, 90年代中后期, 德國DM2A3/A4及出口型“海鱈”、瑞典TP2000和意大利“黑鯊”光纖制導(dǎo)魚雷相繼裝備部隊使用, 這些國家目前正在研制的最先進重型魚雷上均采用了光纖線導(dǎo)技術(shù)[2]。各國在魚雷光纖線導(dǎo)技術(shù)研究過程中非常重視制導(dǎo)光纜、高可靠的光信號、單纖雙向傳輸技術(shù)和提高系統(tǒng)傳輸能力等方面的研究。光纖傳輸技術(shù)中不斷提高傳輸距離與信息的傳輸速率, 成為各國競相發(fā)展的魚雷專項技術(shù)。隨著光纖和光通信新技術(shù)的發(fā)展, 也為提高魚雷光纖線導(dǎo)技術(shù)的能力提供了新的技術(shù)途徑[3]。

制導(dǎo)光纜體積小、重量輕, 易于魚雷大量攜帶, 適于高速、遠程攻擊目標, 符合現(xiàn)代魚雷的作戰(zhàn)要求。魚雷線導(dǎo)技術(shù)是在制導(dǎo)光纜高速布放的過程中進行大容量的信息傳輸, 具有無中繼傳輸距離長, 傳輸信道衰減波動大的特點。在高速布放的單芯制導(dǎo)光纜中實現(xiàn)光信息的雙向高速、遠程傳輸是光纖線導(dǎo)技術(shù)中需要解決的核心問題, 是提高光纖線導(dǎo)傳輸速率、增加傳輸距離和提高信息傳輸可靠性的關(guān)鍵技術(shù), 該研究涉及低動態(tài)損耗制導(dǎo)光纜、光通信模式選擇和光信號發(fā)送與接收技術(shù)。本文研究經(jīng)工程實踐驗證, 具有良好的應(yīng)用效果。

1 低動態(tài)損耗制導(dǎo)光纜的應(yīng)用

1.1 技術(shù)要求

光纖線導(dǎo)技術(shù)利用光纖來傳輸魚雷與發(fā)控平臺之間的遙控、遙測信息, 高強度制導(dǎo)光纜是光纖線導(dǎo)系統(tǒng)最基本、最關(guān)鍵的器件。光纖線導(dǎo)雙向傳輸系統(tǒng)可以看作是一種特殊的光纖通信系統(tǒng), 其中用于信息傳輸?shù)耐ǖ婪Q之為信道。

光纖線導(dǎo)技術(shù)的特點是, 魚雷在水下航行過程中與發(fā)控平臺進行信息交換, 魚雷攜帶的光纖線團承受外部水壓, 并在制導(dǎo)光纜釋放過程中保持信息傳輸, 這就要求光纖線團在此過程中具有相對穩(wěn)定的傳輸信道衰減變化, 否則將會使魚雷在航行過程中, 出現(xiàn)大量的傳輸誤碼, 甚至引起傳輸系統(tǒng)崩潰。而在制導(dǎo)光纜從雷上線團和艇上線團中快速剝離時往往會產(chǎn)生微小的彎曲, 這些微彎常使普通光纖出現(xiàn)傳輸損耗的大幅增加, 光纖的抗微彎性能是制導(dǎo)光纜研制中的關(guān)鍵技術(shù)。

制導(dǎo)光纜在高速釋放過程中, 受到魚雷安裝空間和質(zhì)量要求的限制, 需要承受較大的外載荷。同時, 隨著魚雷航程的不斷增大, 制導(dǎo)光纜的無接續(xù)制造長度也越來越長。此外, 魚雷的使用環(huán)境要求制導(dǎo)光纜具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。因此, 理想的制導(dǎo)光纜應(yīng)該具有抗拉強度高、單根長度長、損耗低、抗疲勞、存儲期長和抗微彎性能好等特點, 其核心是要實現(xiàn)低動態(tài)損耗光信號傳輸[3,4]。

目前使用的光纖可分為單模光纖和多模光纖,單模光纖具有衰減小、頻帶寬、容量大、成本低并易于擴展等優(yōu)點, 單模光纖的發(fā)展為魚雷光纖線導(dǎo)技術(shù)提供了可能, 魚雷制導(dǎo)光纜的不斷改進與單模光纖的發(fā)展密不可分。單模光纖按照國際電信聯(lián)盟(ITU-T)的分類, 有非色散位移單模光纖(G.652)、色散位移單模光纖(G.653)、截止波長位移單模光纖(G.654)、非零色散位移單模光纖(G.655)、寬帶光傳輸用非零色散位移單模光纖(G.656)和彎曲不敏感的單模光纖(G.657)等類型。其中G.652和G.655是目前光纖通信工程中使用最廣泛的單模光纖[5]。

根據(jù)魚雷制導(dǎo)光纜的使用特點, 降低動態(tài)損耗是選擇合適的光纖類型的主要依據(jù), 其核心是要求光纖具有良好的彎曲損耗不敏感性。

1.2 技術(shù)發(fā)展過程及其主要性能指標

受到光纖抗微彎性能的限制, 早期制導(dǎo)光纜存在較大的動態(tài)損耗, 由此限制了光信號傳輸模式的選擇, 由于光纖在1 550 nm波長上比1 310 nm波長上微彎損耗大, 造成在長距離傳輸上往往無法使用傳輸性能更加優(yōu)異的1 550 nm波長, 使得光纖線導(dǎo)系統(tǒng)的傳輸距離受到了影響, 成為制約提高光纖線導(dǎo)系統(tǒng)傳輸距離的瓶頸。隨著光纖制造技術(shù)的不斷發(fā)展, 魚雷用制導(dǎo)光纜的結(jié)構(gòu)和成纜方式也在不斷改進, 從而最終使得光纖線導(dǎo)技術(shù)走向工程應(yīng)用。

在早期光纖線導(dǎo)技術(shù)研究中, 由于光纖微彎條件下?lián)p耗增加明顯, 為了保持遙控、遙測信息傳輸時信道特性一致, 降低光端機設(shè)計難度, 減少傳輸誤碼率, 往往只能選擇微彎損耗相對較低的1 310 nm波長作為魚雷信息傳輸波長, 即使如此還需對光纖作進一步的篩選, 直接采用應(yīng)用范圍最廣的G.652光纖往往無法滿足魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)的光纖損耗控制要求。在光纖線團繞制完成后, 由于線團繞制增加的損耗已經(jīng)會使整個傳輸系統(tǒng)崩潰, 為此用于魚雷制導(dǎo)光纜的光纖一般選擇模場直徑相對較小, 具有一定抗彎曲性能的光纖, 且選擇1310 nm傳輸波長。由于1310 nm波長光纖本征損耗較大, 從而限制了魚雷光纖線導(dǎo)傳輸距離的提高, 通常在魚雷與發(fā)射平臺之間的傳輸距離小于80 km。

目前, 隨著抗微彎性能優(yōu)異的光纖制造技術(shù)逐漸成熟, 低動態(tài)損耗制導(dǎo)光纜的制造和光纖遠程傳輸成為可能。2006年推出的G.657B光纖的突出特點是彎曲損耗小, 使遠程光纖線導(dǎo)技術(shù)采用低本征損耗的1 550 nm波長進行信息傳輸成為可能, 甚至可以采用波長更長的1625 nm窗口, 能夠?qū)⒐饫w線導(dǎo)系統(tǒng)的傳輸距離提高60%以上。

目前抗微彎性能更好的G.657C光纖也處于研究中, 但是在很好地解決了光纖的抗微彎性能后, 降低光纖傳輸本征損耗是其進一步提高無中繼傳輸距離的核心問題, 因此在今后魚雷制導(dǎo)光纜的選擇上要均衡考慮本征損耗和微彎損耗的平衡。G.657B光纖的主要性能見表1[1]。

表1 G.657B光纖主要性能指標

由于魚雷的工作環(huán)境特殊, 海水的腐蝕性強, 外壓力以及放線張力都較大, 不經(jīng)過特殊處理的光纖在這種環(huán)境下根本無法有效工作。因此, 光纖制導(dǎo)魚雷需要采用光纜, 也就是在單芯光纖的周圍增加一些用來增加機械強度或改善其他性能的附件和加強件, 并在外圍再增加保護層。

在光纖技術(shù)逐漸滿足魚雷光信息傳輸?shù)耐瑫r, 魚雷制導(dǎo)光纜的結(jié)構(gòu)和形式也在不斷的改進。目前用于魚雷制導(dǎo)光纜的結(jié)構(gòu)形式主要有3種: 芳綸編織型、聚合物材料擠塑型和芳綸復(fù)合增強型, 各種結(jié)構(gòu)形式的魚雷制導(dǎo)光纜見圖1, 加強層根據(jù)增強材料的不同, 形成不同的結(jié)構(gòu), 其成纜方式也相差較大。

圖1 魚雷制導(dǎo)光纜結(jié)構(gòu)圖

Fig. l Structure of torpedo′s guidance optical-cable

各種制導(dǎo)光纜各有利弊, 但在整體技術(shù)指標和性能要求上基本相同, 均需在成纜過程中對成纜應(yīng)力、抗拉強度、耐腐蝕性能、結(jié)構(gòu)完整性、溫度特性和附加損耗性能進行合理控制。

2 光通信模式的選擇

魚雷光纖線導(dǎo)技術(shù)用于魚雷航行過程傳遞魚雷與發(fā)控平臺之間的交互信息, 光纖的大容量、高速傳輸能力為提高魚雷與發(fā)控平臺之間信息傳輸速率提供了可能, 為了實現(xiàn)兩者之間信息的高效傳輸, 魚雷光纖線導(dǎo)技術(shù)通常采用全雙工通信方式。

在單根光纖中實現(xiàn)全雙工通信, 魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)通常采用光波分復(fù)用(wavelength division multiplexing, WDM)方式, 其技術(shù)本質(zhì)是在一根光纖中同時傳輸多個不同波長光載波的技術(shù)。WDM技術(shù)按照復(fù)用的波長間隔不同分為3類: 寬波分復(fù)用(wide WDM, WWDM)、密集波分復(fù)用(dence WDM, DWDM)和粗波分復(fù)用(coarse WDM, CWDM)。WWDM指僅采用1 310 nm和 1 550 nm波長2個窗口的復(fù)用, DWDM指波長間隔小于2 nm的使用方式, CWDM指波長間隔為20 nm的使用方式[6]。

魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)中, WWDM由于1 310 nm和1 550 nm波長上光纖傳輸信道的本征損耗和動態(tài)損耗相差較大, 在保證相同傳輸距離和傳輸品質(zhì)條件下, 傳輸系統(tǒng)兩端的光端機設(shè)計差異較大, 很難將2個通道各自的優(yōu)勢發(fā)揮出來。DWDM方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大容量、多通道的信息傳輸, 但是其對光發(fā)射機波長穩(wěn)定控制、波分復(fù)用器品質(zhì)控制等方面要求及其嚴格, 光纖的非線性效應(yīng)和魚雷苛刻的使用環(huán)境均對光端機的設(shè)計帶來很大難度。CWDM技術(shù)波長間隔易于光端機設(shè)計實現(xiàn), 同時在相鄰波長范圍內(nèi)魚雷制導(dǎo)光纜的信道特性接近, 采用較為通用的光器件就可實現(xiàn)遠程、大容量的雙向信息交換, 具有較好的環(huán)境適應(yīng)性, 同時還具有一定的信道擴展能力, 是魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)較為適宜的光通信模式。

為降低光有源器件(光發(fā)射機和光接收機)和光無源器件(波分復(fù)用器)的使用成本, 光纖線導(dǎo)系統(tǒng)可按照國家通信行業(yè)標準規(guī)定的粗波分復(fù)用系統(tǒng)采用的通用波長, 該規(guī)定從1 271~ 1 611 nm共有18個通道波長可以使用。在綜合考慮通用性、環(huán)境適應(yīng)和器件成本的基礎(chǔ)上, 在設(shè)計中可以間隔20 nm, 也可以間隔40 nm[6]。在通用遙控、遙測信息傳輸中, 選擇2個波長進行傳輸, 為了統(tǒng)一雷上光端機和艇上光端機的設(shè)計, 宜采用相同的傳輸速率, 2個光端機的設(shè)計保持一致, 除光發(fā)射機外其他器件均可通用, 適于批量生產(chǎn)。

隨著魚雷與發(fā)控平臺之間信息融合技術(shù)的不斷發(fā)展, 對于未來可能出現(xiàn)的雷上大量原始數(shù)據(jù)信息向發(fā)控平臺回傳的要求, 光纖傳輸系統(tǒng)可在保留原傳輸模式的條件下, 增加一路專用光傳輸通道實現(xiàn)雷上高速信息的回傳, 實現(xiàn)框圖見圖2。波長1為傳統(tǒng)遙測信息數(shù)據(jù)傳輸通道, 波長2為遙控信息傳輸通道, 波長3為高速數(shù)據(jù)專用通道。

圖2 光纖通信模式框圖

3 光信號發(fā)送與接收技術(shù)

衡量信道傳輸能力的重要指標是信道容量和信道帶寬等。信道容量指的是單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘? 信道帶寬則是信息通路上每個傳輸介質(zhì)或設(shè)備應(yīng)具有的最低信號帶寬要求。在光纖雙向傳輸系統(tǒng)中, 光纖的信道帶寬可達數(shù)千赫茲, 而光接收機部分的信道帶寬則受到動態(tài)范圍、靈敏度和信噪比等幾個重要的關(guān)聯(lián)指標的影響, 為了確保一個給定信道所要求的信道容量, 既可以通過增加信道帶寬減少發(fā)射功率, 也可以通過減少信道帶寬增加信號發(fā)射功率來實現(xiàn)。實現(xiàn)光信號的發(fā)送與接收的核心器件包括光發(fā)射機、光接收機和光波分復(fù)用器。在光發(fā)射機、光纖和光接收機之間可以通過提高光發(fā)射機的發(fā)射功率和降低信道帶寬來保證要求的信道容量。然而增加輸入光功率的方法是不明智的, 因為這是以減小數(shù)字光纖通信的中繼距離為代價的, 因此必須采取一切可行的有效措施, 既能保證在滿足寬動態(tài)范圍及高靈敏度, 又能實現(xiàn)信道帶寬的降低并有助于實現(xiàn)遠距離傳輸。

光纖線導(dǎo)傳輸距離需要與魚雷的航行距離相匹配, 魚雷與發(fā)控平臺間的信息速率與其交互的信息內(nèi)容相關(guān), 傳統(tǒng)魚雷遙測信息量少, 遙測通道可以把雷上的主要航行信息和探測信息發(fā)送至發(fā)控平臺, 在魚雷的航行過程中即可知道魚雷的全部航行和探測效果, 即使這樣相對于光纖傳輸能力來說, 這些信息傳輸量也是較小的。在滿足信息傳輸容量的要求下, 降低信道帶寬, 可降低光發(fā)射機的發(fā)射功率, 提高光接收機接收靈敏度, 易于光端機的設(shè)計實現(xiàn), 提高傳輸可靠性, 同時降低功耗、延長光發(fā)射機壽命、創(chuàng)造良好的環(huán)境適應(yīng)性并減少光纖非線性效應(yīng)影響。

由于相同接收靈敏度的高帶寬光接收機的制造難度大于低帶寬的光接收機, 因此在滿足傳輸速率的條件下優(yōu)先選用低帶寬光接收機, 即在滿足傳輸速率的條件下優(yōu)先選用低帶寬光接收機, 可以帶來接收靈敏度高的益處。

表2為目前市場上通用的光接收機帶寬與接收靈敏度關(guān)系。

表2 帶寬和接收靈敏度對應(yīng)關(guān)系

如果遙測通道傳輸雷上大量原始數(shù)據(jù)信息, 那就需大幅提升光纖傳輸速率, 并且需要在光發(fā)射機和光接收機設(shè)計上采取相應(yīng)控制措施, 光纖線導(dǎo)傳輸系統(tǒng)還需考慮光纖的色散、偏振和非線性效應(yīng)的影響。光發(fā)射機和光接收機的優(yōu)選和增加光放大器成為未來超高速、大容量和長距離的光纖通信傳輸系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。

隨著光纖放大器技術(shù)的發(fā)展, 為光纖無中繼傳輸距離的提高提供了技術(shù)途徑。光纖通信中光接收機的作用就是將經(jīng)過光纖傳輸后衰減變形的微弱光脈沖信號通過光-電轉(zhuǎn)換變換成電脈沖信號, 并將其放大、均衡與定時再生還原成標準的數(shù)字脈沖信號。光接收機的優(yōu)化過程中盡可能提高接收靈敏度是自始至終的原則, 前置放大器電路并結(jié)合前置放大器噪聲產(chǎn)生的機理在電路上采取切實有效的措施, 以降低其噪聲, 從而獲得接近于最大的輸出信噪比, 達到盡可能高的接收靈敏度, 其中光接收機前置放大器設(shè)計成多級才能綜合解決帶寬和噪聲之間的矛盾。

光放大器通過提高光信號發(fā)射光功率和補償光纖線路中的傳輸損耗, 既延長了光纖線路無電中繼的傳輸距離, 又大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計、降低了系統(tǒng)成本, 同時還提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。使用最廣泛的主要是摻鉺放大器和光纖拉曼放大器。光放大器的具體應(yīng)用形式有4種: 后置放大器、在線放大器、前置放大器和補償器件損耗放大器, 其中前置放大器安裝在光接收機PIN管光檢測器前面, 主要用于提高接收機靈敏度, 延長信號傳輸距離, 適合在魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)中使用, 其最大增益可以達到30～40 dB[7]。

魚雷光纖線導(dǎo)采用CWDM技術(shù)時, 光發(fā)射機中心波長和光波分復(fù)用器的性能要在全工作溫度范圍內(nèi)相匹配, 否則將造成光功率的大幅損失。為使光發(fā)射機滿足魚雷的使用環(huán)境要求, 往往需要采用自動溫度控制和自動功率控制電路,使其在全溫度工作范圍內(nèi)中心波長漂移在光波分復(fù)用器的通帶范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展, 光纖制造技術(shù)、光有源和無源器件性能的提升, 結(jié)合魚雷光纖線導(dǎo)系統(tǒng)的特點, 采用這些新技術(shù)將使魚雷光纖線導(dǎo)信息傳輸能力不斷提高, 以適應(yīng)魚雷遠程大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆１疚膶︳~雷光纖線導(dǎo)信息傳輸技術(shù)進行了研究, 分析了制導(dǎo)光纜、光信號傳輸模式和處理方式, 對魚雷光纖通信能力的提升提出了有效實現(xiàn)途徑。這些技術(shù)措施經(jīng)過工程驗證, 可顯著提高光纖線導(dǎo)系統(tǒng)傳輸性能。

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An Optical Transmission Technique for Fiber Wire-guided Torpedo

LIU Xue-chen1, HU Peng2, ZHAO Yan3

(1. Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 3. Equipment Department of South China Sea Fleet, Zhanjiang 524001, China)

Bidirectional transmission of optical information with high-speed and long-distance in a rapidly laid single-core guidance optical-cable is a key factor for improving fiber wire-guidance transmission speed, extending transmission distance and enhancing information transmission reliability. Considering the characteristics of the torpedo′s fiber wire-guided system, this paper analyzes the techniques about the guidance optical-cable with low dynamic loss, the fiber communication mode selection, the optical signal transmission and receiving, and so on. As a result, an optimum mode of optical transmission for torpedo′s fiber wire-guided system is proposed. This study may provide a reference for improving torpedo′s optical-cable communication capacity.

torpedo; fiber wire-guidance; optical transmission; guidance optical-cable; optical signal

TJ631.4

A

1673-1948(2013)01-0034-05

2012-06-12;

2012-08-27.

劉雪辰(1980-), 女, 工程師, 主要研究方向為魚雷研制及生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)督.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)