光纖技術及其軍事應用

　　在國外，光纖技術軍事應用的研究和開發(fā)于80年代中期形成高潮。進入90年代，這些研究和開發(fā)活動得到了進一步的加強。本文綜述了國外在光纖技術軍事應用方面的最新進展以及具有軍事應用前景的幾項光纖新技術。

　　1 前言

　　由于光纖作為一種傳輸媒質，與傳統(tǒng)的銅電纜相比具有一系列明顯的優(yōu)點，因此，自70年代以來，光纖技術不僅在電信等民用領域取得了飛速的發(fā)展，而且因其抗電磁干擾、保密性好、抗核輻射等能力，以及重量輕、尺寸小等優(yōu)點，使它也得到了各發(fā)達國家政府和軍方的重視與青睞。

　　特別是在美國，早在80年代中期，先后計劃的光纖軍事應用項目就達400項左右，這些項目包括固定設施通信網、戰(zhàn)術通信系統(tǒng)、遙控偵察車輛和飛行器、光纖制導導彈、航空電子數(shù)據總線和控制鏈路、艦載光纖數(shù)據總線、反潛戰(zhàn)網絡、水聲拖曳陣列、遙控深潛器、傳感器和核試驗等。這些項目陸續(xù)有報道取得了不同的進展。

　　進入90年代以來，光纖技術的軍事應用繼續(xù)受到美、歐等國軍方的重視。在美國，三軍光纖技術開發(fā)活動的計劃項目分成五大部分：有源和無源光元件、傳感器、輻射效應、點對點系統(tǒng)和網絡系統(tǒng)。由三軍光纖協(xié)調委員會進行組織，每年投資為5千萬美元。

　　在面向21世紀的今天，美國國防部已把“光子學、光電子學”和“點對點通信”列為2010年十大國防技術中的兩項。其中光纖技術占據著舉足輕重的地位。這預示著美國等西方國家對光纖技術軍事應用的研究將全面展開并加速進行。而各項先期應用及演示、驗證表明。21世紀的軍事通信和武器裝備離開了光纖技術將無“現(xiàn)代化”或“先進”可言，在未來戰(zhàn)爭中將處于被動挨打的局面。

　　2 光纖技術的軍事應用

　　2.1 光纖技術的陸上軍事應用

　　2.1.1光纖技術的軍事通信應用

　　光纖技術在陸上的軍事通信應用主要包括三個方面：1）戰(zhàn)略和戰(zhàn)術通信的遠程系統(tǒng)；2）基地間通信的局域網；3）衛(wèi)星地球站、雷達等設施間的鏈路。

　　自從“信息高速公路”概念的出現(xiàn)，美國就在軍用信息高速公路的發(fā)展中走在了世界各國的前面。1992年6月，美國參謀長聯(lián)席會議下發(fā)了名為“武士 C4T”的關于美軍21世紀通信和協(xié)同作戰(zhàn)總體規(guī)劃的框架文件。“武士C4T”計劃的目標是按軍用“信息高速公路”的要求，建立一個全球性的實時軍用通信網，即稱為“信息球”的全球通信網。它將是一個連通士兵、指揮所和各種傳感器的指揮網，是一個反應靈敏的C8系統(tǒng)。它的基礎網就是國防信息系統(tǒng)網（DISN），由地面及衛(wèi)星的軍用和民用通信系統(tǒng)所構成。

　　目標DISN是一個寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網（B－ISDN），傳輸容量將高達幾 Gb／s。擬分近、中、遠三個階段實施，從1995年起，花10－15年時間加以實現(xiàn)。

　　戰(zhàn)場信息系統(tǒng)（BIS－2020）則是支持美國陸軍21世紀作戰(zhàn)理論的未來陸軍信息系統(tǒng)。

　　作為支持“BIS－2020”系統(tǒng)的陸軍戰(zhàn)術指揮控制系統(tǒng)（ATCCS），主要是一種地理上分

　　散的，高度機動的，通信密度大的系統(tǒng)。它也將分三步予以實施。第三步ATCCS，即最終

　　目標系統(tǒng)也就是“BIS－2020”系統(tǒng)，其研制周期為1995～2000年。而光纖局域網，特別

　　是光纖分布數(shù)據接口（FDDI）是其中的關鍵技術之一。

　　美軍的C3系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭中對贏得戰(zhàn)爭的勝利發(fā)揮了重要作用。尤其是美國三軍聯(lián)合戰(zhàn)術通信系統(tǒng)（TRI－TAC）、移動交換設備（MSE）和改進型陸軍戰(zhàn)術通信系統(tǒng)都發(fā)揮了重要作用。但這些系統(tǒng)也暴露出不少問題，因此，美軍根據這些問題和未來的作戰(zhàn)要求，從三個方面對TRI－TAC進行了技術改進。一是由空軍負責的TAC－1光纜系統(tǒng)，它將代替同軸電纜，裝備分布在全球的美軍TRI－TAC系統(tǒng)；二是陸軍的野戰(zhàn)光纜傳輸系統(tǒng)（FOTS）。擬用10000km的光纜代替CX－11230型同軸電纜；三是由海軍陸戰(zhàn)隊的野戰(zhàn)光纜系統(tǒng)（FOCS）連接數(shù)字交換機和無線電設備。此外，本地分配系統(tǒng)也是TRI－TAC的一個組成部分，它主要將用野戰(zhàn)光纜代替野戰(zhàn)通信車之間的四根26對CX－4566型電纜。除此之外，美國海軍和空軍還都在建設自己采用異步傳輸模式（ATM）的寬帶光纖通信網。

　　空軍的C3I系統(tǒng)是光纖技術在美國空軍中應用的最大項目之一。1979年，美國GTE公司從美國空軍獲得了3.25億美元的MX導彈發(fā)射場C3系統(tǒng)的合同，用光纜作為作戰(zhàn)控制中心、地區(qū)支援中心、導彈掩體和維護設施之間的互連線路，線路總長15000km，連接4800處有人和無人值守場所的5000多臺計算機。而在1987～1996年的十年間，MX導彈C3系統(tǒng)的投資預算更達到5.17億美元。

　　美軍還提出了在主要的軍用門道配置軍用衛(wèi)星和光纜雙重鏈路的設想，以便利用這兩種通信方式工作特點和性能特點的互補性，保障危機情況下戰(zhàn)略和戰(zhàn)術綜合通信的抗毀性。

　　2.1.2 光纖技術在雷達和微波系統(tǒng)的應用

　　由于光纖傳輸損耗低、頻帶寬等固有的優(yōu)點，光纖在雷達系統(tǒng)的應用首先用于連接雷達天線和雷達控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜時的300m以內擴大到2～5km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段（8～12.4GHz）或Ku波段（12.4～18GHZ）。目前 X波段高頻光纖系統(tǒng)已實用化，Ku波段的寬帶微波光纖線路系統(tǒng)也已有大量報道。光纖在微波信號處理方面的應用主要是光纖延遲線信號處理。先進的高分辨率雷達要求損耗低、時間帶寬積大的延遲器件進行信號處理。傳統(tǒng)的同軸延遲線、聲表面波（SAW）延遲線、電荷耦合器件（CCD）等均已不能滿足要求。靜磁波器件和超導延遲線雖能滿足技術要求，但離實用化尚很遙遠。光纖延遲線具有損耗低（在1～10GHz頻段內，單位延遲時間的損耗僅O.4～O.1dB／ps），時間帶寬積大（達104～106 ），帶寬寬（＞10GHz）等優(yōu)點，且動態(tài)范圍大，三次渡越信號小，實現(xiàn)彼此跟蹤的延遲線相當容易，而且能封裝進一個小型的封裝盒。用于相控陣雷達信號處理的多半是多模光纖構成的延遲線。目前國外光纖延遲線已進入成熟期。為提高相控陣雷達天線波束掃描的靈活性，減小初始功耗，以及精密控制所需的單元相位和幅度以實現(xiàn)低的空間旁瓣，需要對每一天線單元提供波束（相位）控制信號、極化控制信號和幅度控制信號。采用光纖高速傳輸這些控制信號，相位穩(wěn)定性好，可以大幅度減少每一有源單元的電子組件量，簡化系統(tǒng)構成，降低雷達成本，減小體積和質量。光纖技術在相控陣雷達的應用還包括用光纖延遲線在光控相控陣雷達波束形成所需的相移。在電光相控陣發(fā)射機中采用集成光學進行波束形成，用光纖技術進行天線的靈活遙控。利用光纖色散棱鏡技術的寬帶光纖實時延遲相控陣接收機等。其中，除光纖延遲線外，光纖耦合器、波分復用／解復用器、集成光學、偏振保持光纖、高色散光纖、光纖放大器、光纖光柵等先進的光纖元器件技術得到了應用。

　　2.1.3 光纖制導導彈（FOG－M）

　　光纖制導導彈的概念提出于1972年，但其發(fā)展是在80年代初期。美國陸軍的項目主要用于反坦克和反武裝直升飛機。早期設計的射程僅10km。美國海軍的項目則主要用于空對空、空對地及艦對艦作戰(zhàn)。美國陸軍在1989～1991年用于FOG－M的開發(fā)經費都在1億美元左右。進行了4O次以上的點火試驗，后因研制費用太高而于1991年項目被取消。海灣戰(zhàn)爭中，美軍在用輕武器抗衡重武器或裝甲編隊時意識到，需要一種可以展開又保持攻擊裝甲編隊所需殺傷力的輕、重應急武器，而 FOG－M正好能滿足這種極有殺傷力、存活率、高度可展開和靈活的系統(tǒng)的需要。為了給陸軍快速反應部隊提供對付遠距離的直升機和坦克的手段，美國又恢復了FOG－M的研制。計劃于1994年初進入演示與驗證階段。

　　1997～1998財政年度開始低速生產。

　　最近有報道，美國陸軍導彈司令部正在對遠程光纖制導導彈進行技術演示，該導彈能擊中100km外的運動目標。FOG－M不僅受到美國軍方的重視，德國也進行了開發(fā)研究，并得到了法國的合作，意大利也加入其中，三國共同制定了三邊光纖導彈（TRIFOM）計劃。其中Polypheme 20型用于對付師級裝甲車、直升機，可裝在輕型或高機動車輛上，射程為15km；Polypheme60型用于殺傷縱深特定的固定或低機動性的目標，射程為60km；Polypheme SM型用于潛艇水下數(shù)百米深處發(fā)射，反直升機或飛機，射程為10km。在1996年10月于巴黎舉辦的歐洲艦艇博覽會上，法國宇航公司導彈部展出了新研制的光纖制導多用途艦載導彈。

　　巴西也在1995年的巴黎航空展覽會上展出了20km射程的FOG－M。

　　2.1.4 光纖系繩武器

　　美軍軍用機器人已于1988年開始中批量生產，年均產值達5億美元。光纖遙控戰(zhàn)車（TOV）是用一根光纜系留到基地站拖車上的高機動性多用途輪式車輛，可將各種偵察裝置、傳感器及武器送到危險戰(zhàn)區(qū)，執(zhí)行諸如偵察、探雷、排雷、清除障礙和彈藥補給等任務，車速可達3.5km／h，操作距離達15～30km。如一種由Grumman公司研制的稱為Ranger（別動隊）的光纖系留車輛在試驗中成功地擊中了300m以外的裝甲目標。其最高時速達27km。由美國海軍海洋系統(tǒng)中心（NOSC）和Sandia國立研究所聯(lián)合研制的遙控飛行器（AROD）是一種用光纖系留的涵道風扇式裝置，通過電視實施偵察任務，AROD III 的活動范圍達4000m。

　　使用系留光纜的氣球載雷達偵察系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，氣球升空高度600m～6000m，有效載荷100kg～2000kg，持續(xù)滯空時間15～3O天，可起到類似高空預警機的功能。光纖遙控水下深潛器（ROV）也稱水下機器人或無人潛艇，有拖曳式和系留式兩種。通過裝備不同的設備可進行地形測繪、調查打撈沉船和墜海飛機、營救潛艇、反潛監(jiān)聽裝置布設、探測和排除水雷、自主布雷和水下誘餌等。鷹式電子擇優(yōu)誘餌是美國海軍研究實驗室開發(fā)的光纖系留無人飛行器，重量36kg，采用旋轉翼，負載能力6.5kg，計劃于1997年完成最后試驗。

　　2.1.5 在地下核試驗中的應用

　　由于光纖在核環(huán)境中具有兩大優(yōu)點，一是不受電磁脈沖的影響，二是光纖在暴露于強輻射武器爆炸后幾秒鐘內就能恢復。因此，美國軍方將光纖技術用到了地下核試驗中。

　　2.1.6在夜視裝置中的應用

　　據報道，美軍在新式的夜視裝置中加進了光纖元件來增強圖像。這種光纖元件主要是光纖熔融面板。

　　2．2光纖技術的海上軍事應用

　　2.2.1 艦載高速光纖網

　　由于現(xiàn)代化的艦艇裝備有大量的通信、雷達、導航、傳感器系統(tǒng)和武器指揮系統(tǒng)等電子設備，加上其它電氣設備，因此造成了嚴重的電磁干擾、射頻干擾等問題，為此，80年代初美國海軍實施了開發(fā)大型新艦船用光纖區(qū)域網作為計算機數(shù)據總線的計劃-AEGIS（宇斯盾）計劃。1986年初，美國海軍海洋系統(tǒng)司令部又在此基礎上成立了SAFENET（能抗毀的自適應光纖嵌入網）委員會。并于1987年成立工作組指導制定了SAFENET－I和SAFENE一五兩套標準。分別于1991年1月和1992年1月完成。前者是一種軍用加強型IEEE802.5令牌環(huán)網，傳輸速率16Mb／S，后者是基于ANSI 3XT9.5 FDDI（光纖分布數(shù)據接口）令牌杯網，傳輸速率100Mb／s。這些系統(tǒng)已安裝在CG－47 Aegis導彈巡洋艦、DDG 51級導彈驅逐艦、喬治·華盛頓號航空母艦等艦艇上。美國海上系統(tǒng)司令部和國防高級研究計劃局還聯(lián)合制定了利用同步光網（Sonet）、寬帶綜合業(yè)務網（B－ISDN）和異步傳輸模式（ATM）標準，開發(fā)高速光網（HSON）原型的計劃，由海軍研究實驗室（NRL）負責開發(fā)和評價，從1991年年中開始為期三年。該網利用單模光纖，傳輸速率從155Mb／S（OC－3）到2.4Gb／S（OC－48）。1992年實現(xiàn)了1.7Gb／S的第一階段目標。美國小石城號航母上的雷達數(shù)據總線傳輸容量就達到了1Gb／S，并使原來重量達90噸的同軸電纜被半噸重的單模光纜所代替。

　　高級水下作戰(zhàn)系統(tǒng)（SUBACS-Submarine Advanced Combat System），SUBACS是美國海軍最大的艦載水下光纖通信計劃項目，該項目計劃在所有的洛杉肌688級攻擊型核潛艇和新型“三叉戟”彈道導彈潛艇中裝備光纖數(shù)據總線，將傳感器與火控系統(tǒng)接入分布式計算機網，從而大大提高潛艇的數(shù)據處理能力，這就是所謂的AN／BSY－1。據報道，整個計劃頭兩年的研制開發(fā)經費為6.38億美元，生產合同預計至少20億美元。以后又在1989年以后生產的“海狼”SSN－21級攻擊型潛艇中采用通用電氣公司海戰(zhàn)部開發(fā)的AN／BSY－2綜合光纖作戰(zhàn)控制聲學系統(tǒng)。

　　1997年11月，美國在核動力航空母艦“杜魯門號”（CYN75）上采用氣送光纖技術完成了光纖敷設。后來又成功地在“企業(yè)號”（CVN 65）上進行了敷設。還計劃在“里根號”（CVN 76）、“尼米茲號”（CVN68）及“USSWasp”號（LHD－1）上用氣送光纖技術敷設光纖系統(tǒng)。其中“杜魯門號”上所用光纖達67.58km。

　　2.2.2光纖水聽器系統(tǒng)

　　光纖水聽器是利用光纖技術探測水下聲波的器件，它與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比，具有極高的靈敏度、足夠大的動態(tài)范圍、本質的抗電磁干擾能力、無阻抗匹配要求、系統(tǒng)“濕端”質量輕和結構的任意性等優(yōu)勢，因此足以應付來自潛艇靜噪技術不斷提高的挑戰(zhàn)，適應了各發(fā)達國家反潛戰(zhàn)略的要求，被視為國防技術重點開發(fā)項目之一。

　　光纖水聽器的主要軍事應用為：

　　·全光纖水聽器拖曳陣列

　　·全光纖海底聲監(jiān)視系統(tǒng)（ Ariaden計劃）

　　·全光纖輕型潛艇和水面艦船共形水聽器陣列

　　·超低頻光纖梯度水聽器

　　·海洋環(huán)境噪聲及安靜型潛艇噪聲測量

　　美國對這項技術的研究始于70年代末，到1992財政年度已投入超過1億美元的研究和開發(fā)經費。美國海軍研究實驗室（NRL）、海軍水下裝備中心（NUWC）、Gould公司海事系統(tǒng)分公司、和Litton制導和控制公司聯(lián)合開發(fā)了全光纖水聽器拖曳陣列（AOTA）、潛艇和水面艦船共形水聽器陣列（LWPA）等各種不同反潛應用類型的海試系統(tǒng)，經過大量海上試驗，已達可以部署的狀態(tài)。目前他們正在開發(fā)大規(guī)模（幾百個單元）的全光纖水聽器陣列系統(tǒng)及其相關技術。近十年來，美國已對全光纖水聽器及其陣列的各種應用場合都進行了試驗，試驗結果很成功。英國對水聽器的研究主要由Plessey國防研究分公司、海軍系統(tǒng)分公司和馬可尼水下系統(tǒng)有限公司承擔，開發(fā)了全光纖水聽器拖曳陣列、海底聲監(jiān)視系統(tǒng)等各種不同反潛應用的海試系統(tǒng)，也進行了一系列海上試驗。

　　2.2.3光纖制導魚雷

　　與光纖制導導彈一樣，光纖制導魚雷能大大改善魚雷的攻擊性能。美國海軍海洋系統(tǒng)中心試驗的光纖制導魚雷，制導距離5km，速度18節(jié)（33km／h），進一步的試驗將達70節(jié)130km/h），射程則將擴大到100km。其關鍵是光纜及其放線技術和先進的光纖水聽器，法國也進行了成功的光纖制導魚雷的試驗，制導距離達到了20km。

　　2.2.4桅桿式光電觀測裝置

　　從80年代開始，美、英、德等國的潛望鏡制造廠商都開始研制一種不穿透潛艇耐壓船體的多功能傳感器成像系統(tǒng)，即潛艇光電桅桿，它將用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潛望鏡，裝置90年代中、后期乃至21世紀初服役的新型潛艇。英國海軍于90年代先后建造的4艘“前衛(wèi)”級彈道導彈核潛艇采用的自防護組合式光電潛望鏡系統(tǒng)，就由光電桅桿和光學潛望鏡組成，而光電桅桿的可回轉多傳感器頭與艇內操縱控制臺之間的信息則由光纜進行傳輸。這種桅桿式光電觀測裝置還被用到了裝甲車輛及直升飛機上。

　　2.3 光纖技術的航空航天軍事應用

　　光纖技術在航空領域的應用主要有以下四個方面：

　　·代替銅線用于點對點的光纖數(shù)據傳輸

　　·用于高速網絡和計算機的互連

　　·用于飛行和發(fā)動機的控制，即所謂的“光控飛行”

　　·智能結構和智能蒙皮

　　2.3.1 點對點數(shù)據傳輸和網絡應用

　　目前已在飛機中少量使用的點對點鏈路主要用于航空電子裝置“黑盒子”之間的數(shù)據傳送。這些鏈路在F/A－18、AV－88及黑鷹直升飛機中表現(xiàn)良好，數(shù)據速率從10Mb／s～100Mb／s。由于光纖系統(tǒng)價格較貴，低損耗及寬帶能力不能充分利用，因此配備數(shù)量較少，只用于存在嚴重電磁干擾和電磁脈沖問題的場合。隨著復雜性的增加，光纖數(shù)據總線的帶寬也將增加。如F－22和RAH－66 Comanche要求100Mb／s～1Gb／s的高速光纖數(shù)據總線用于通信和傳感器接口。

　　2.3.2 光控飛行（Flight-by－Light）

　　由于電磁干擾（EMI）、電磁脈沖（EMP）、高強度無線電頻率（HIRE）以及新的威協(xié)（如直接能量武器）會嚴重威脅配備電控飛行的飛行器的飛行安全，因此人們不得不采取適當?shù)钠帘未胧?，但這樣將造成重量的增加，而光控飛行可起到一箭雙雕的作用。對于戰(zhàn)術飛機來說，如用光控飛行替代電控飛行，重量約可節(jié)省90～317kg，而且，光纖系統(tǒng)不僅可進行飛行控制，還可用來控制和監(jiān)測飛行器的子系統(tǒng)，機載光纖系統(tǒng)在“隱形”飛機中也很重要，因為機內長達數(shù)公里的電纜的噪聲輻射將成為輻射源而易被雷達所發(fā)現(xiàn)，采用光纖系統(tǒng)則不存在這個問題。光控飛行的研制工作始于1980年美國陸軍的“先進的數(shù)字光控制系統(tǒng)（ADOCS）計劃，由Boeing VertolCo.公司承擔，后來安裝于Sikorski UH－60A“黑鷹”直升飛機上成功地進行了演示。打算安裝在各種軍用直升飛機上。1985年，美國航空航天局（NASA）和國防部合作，開始了一項“光纖控制系統(tǒng)總成（FOCSI）”的計劃。該計劃于1993年秋天在美國海軍的F－18戰(zhàn)斗機上進行了開放環(huán)路飛行試驗，重點是飛行控制傳感器，以及用于總壓力、靜態(tài)壓力、馬赫數(shù)、攻擊角度的傳感器，以及用于一個完整的綜合推進／飛行控制系統(tǒng)所需的總體溫度的傳感器。

　　NASA還準備在一項“推進管理光學接口系統(tǒng)（OPMIS）”計劃中對光纖控制飛行進行另一項演示。美國高級研究計劃局（ARPA）和NAS已開始著手光控飛行計劃，這項計劃稱之為“光控飛行先進系統(tǒng)硬件技術再投資項目（FLASH）”，由Wright實驗室實施。

　　2.3.3 光纖技術在導彈及航天飛行器的應用

　　除了前面所述的MX導彈發(fā)射場用光纖鏈路外，光纖可以在運載火箭的三個子系統(tǒng)中替代電纜，并大大提高運載火箭的可靠性。這三個子系統(tǒng)是：1）起飛倒計時（T－O）臍帶系統(tǒng)；2）航空電子設備互連網；3）監(jiān)控傳感器。據報道，歐洲航天局（ESA）與英國Sira公司簽訂合同，要求該公司設計一種低成本、無源、且高度靈活的航天器光纖監(jiān)測系統(tǒng)，以解決航天器缺乏視覺數(shù)據，特別是不完全展開的問題，并打算安裝在計劃于1998年底發(fā)射的ENVISAT宇宙飛船上，以及在標準化后裝配到所有宇宙飛船上。美國Rockwell International公司對光纖技術在液體燃料火箭發(fā)動機的儀表和控制應用的可行性進行了研究。應用場合包括：用于渦輪葉片溫度測量的光纖高溫計；燃燒過程的光纖拉曼溫度傳感；渦輪泵軸承磨損的光纖撓度計測量等。