光纖制導技術的發(fā)展與應用研究

李 輝，許葆華，李永軍，李洪儒

(軍械工程學院 導彈工程系，石家莊050003)

?

光纖制導技術的發(fā)展與應用研究

李 輝，許葆華，李永軍，李洪儒

(軍械工程學院 導彈工程系，石家莊050003)

分析了光纖制導反坦克導彈的獨特作戰(zhàn)能力，重點研究了光纖制導的關鍵技術，展望了未來的技術發(fā)展趨勢和可能的應用領域。

光纖制導；導彈

0 引言

光纖制導技術是指綜合運用成像探測、圖像跟蹤、特種光纖傳輸?shù)汝P鍵技術，具有獨特作戰(zhàn)能力和廣泛軍事應用場景的新型制導技術。將光纖應用于制導武器的想法最早出現(xiàn)在20世紀70年代，美國首先提出用光纖替代金屬電纜，傳遞制導站與導彈之間的信息。光纖制導導彈最有名的研究項目有美國的EFOG-M(“增強型光纖制導導彈”)和德、法、意合作的POLYPHEM(“獨眼巨人”)導彈，但由于多方面的原因都處于停滯狀態(tài)或已經下馬[1]。目前已研制成功并裝備部隊的光纖制導導彈有日本的96式“重馬特”導彈，以及以色列“長釘”系列導彈中的LR和ER型。

1 光纖制導反坦克導彈作戰(zhàn)能力分析

軍事需求始終是新技術的強勁牽引力，光纖制導技術之所以受到各國重視，多年來持續(xù)不斷地進行研究開發(fā)，原因就在于其賦予了制導武器許多全新的作戰(zhàn)能力，或至少大幅度提升了某方面的作戰(zhàn)能力。下面僅以炮兵反坦克導彈為例，分析光纖制導技術對制導武器作戰(zhàn)能力的巨大貢獻。

1.1 超視距攻擊能力

非接觸作戰(zhàn)、超視距攻擊能力始終是最重要的軍事能力之一。光纖制導武器出現(xiàn)之前，第一、第二代反坦克導彈均采用直接瞄準、三點法導引和指令制導體制，要求制導站和目標之間必須具備光學通視條件，這大大限制了導彈的射程。從世界范圍看，該類反坦克導彈的最大射程不大于5km，受地形和氣象等條件限制，實際射程往往遠小于最大射程指標。第三代反坦克導彈改用圖像尋的制導體制，具備“發(fā)射后不管”能力，但前提是發(fā)射前鎖定目標，因此最大射程也很有限，例如美國的“標槍”導彈射程只有2.5km。光纖制導武器則一方面利用導彈上的導引頭獲取目標圖像，并通過光纖傳送給射手，供射手觀察；另一方面射手對目標的搜索、捕獲、識別、鎖定和跟蹤等指令，又可通過光纖反向傳回導彈，實現(xiàn)有效控制。因此，光纖導彈既可采用第三代反坦克導彈的作戰(zhàn)樣式，又可采用間接瞄準、發(fā)射后鎖定目標的作戰(zhàn)樣式。對于后一種情況，導彈射程將不受光學視距的限制，目前列裝水平可以達到10km，未來將可能達到30km甚至更遠。

1.2 多用途能力

光纖制導反坦克導彈改用尋的制導后，機動能力提高了，因此在用途上，除可對付坦克等裝甲目標、地面堅固工事目標之外，還是對付號稱“樹梢殺手”的武裝直升機的利器。

1.3 高效毀傷能力

同樣的原因，光纖制導導彈的彈道高度大幅度提高，可在地面上幾十到幾百米之間靈活選擇，這樣能夠增大彈道末端的落角，以“頂攻”的方式摧毀坦克的薄弱部位，大大提高毀傷效能。

1.4 環(huán)境適應能力

一方面，抬高的彈道能提高可發(fā)射概率，以前那種借助地形地物隱蔽的戰(zhàn)術，將變成徒勞；另一方面，“圖像導引頭+光纖”的模式，在信息獲取和傳輸階段均難以實施干擾，部分圖像導引頭還具有晝夜工作能力，因此光纖制導導彈具有良好的環(huán)境適應能力。

1.5 “人在回路”能力

目標自動識別技術至今仍是世界范圍內的技術難題，尤其對地面目標。光纖制導則開辟了另一種解決途徑，那就是利用光纖的大容量雙向數(shù)據(jù)傳輸，由射手操縱導引頭搜索目標，由射手從圖像中識別目標。這種“人在回路”能力，無疑抗干擾能力最好，制導精度最高。同時，戰(zhàn)場是瞬息萬變的，“人在回路”還使得光纖導彈具有發(fā)射后更改攻擊目標的能力，而這在以前是不可能做到的。

1.6 作戰(zhàn)評估能力

作戰(zhàn)評估是信息化條件下作戰(zhàn)的核心能力。由于光纖的存在，從發(fā)射到命中的過程，導引頭的視頻信息都會反映到發(fā)射制導車上，是否命中，命中目標的什么部位都將一目了然。

2 光纖制導的關鍵技術

相對于傳統(tǒng)的有線信息傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜等，光纖具有信息傳輸容量大、傳輸損耗低、直徑小、重量輕、無電磁感應、易彎曲、耐水耐火等獨特技術性能。但用于制導的光纖還必須滿足一些特殊技術要求，概括起來主要有：抗拉強度要高；單根光纖直徑小、長度長；傳輸損耗低，尤其是彎曲導致的損耗要低；抗疲勞性能好，貯存壽命長等。為滿足這些特殊要求，制導用光纖必須在制造、纏繞、釋放、儲存等方面采用一系列特殊的技術和工藝。

2.1 設計與制造技術

抗拉強度和直徑是體現(xiàn)光纖制造技術先進與否的關鍵指標。制導光纖由高脆性和低韌性的玻璃制成，其強度主要取決于制造技術和工藝。光纖制造過程中不可避免地存在一些缺陷，如微裂紋、雜質、氣泡等，這些都會造成光纖強度的下降，但關鍵原因還是光纖表面的微裂紋，它會因為應力集中導致光纖強度大大下降。目前采用的先進制造技術，如優(yōu)質粗長預制棒制作技術、光纖拉制優(yōu)化技術、氣密性涂覆技術、光纖被覆技術等，可以保證制導用光纖的強度要求。據(jù)報道，美國在20世紀90年代就達到了246kg/mm2的抗拉強度水平，完全能夠滿足光纖導彈的要求[2]。我國在“九五”期間也已經達到136kg/mm2的水平[3]。直徑也是光纖的重要指標，尤其對于遠射程的制導武器來說，更小的直徑意味著更小的彈上光纖線包體積和重量。據(jù)報道，國外光纖直徑只有200～300μm，重量只有142g/km[2]。

2.2 拼接、纏繞與釋放技術

導彈對光纖拼接、纏繞與釋放的技術要求主要有四個方面：拼接后光纖的抗拉強度、信號傳輸損耗等不變或變化很小；光纖線包整體結構牢固，所占體積最??；導彈飛行中光纖能高速順利釋放，不纏結、不松脫、不斷線；光纖變形在允許范圍之內，信號傳輸損耗不會因此大幅度增加。線包的可靠性高，能夠有足夠的貯存壽命。

目前生產的單根光纖的長度只有幾公里，拼接的目的就是解決單根光纖長度有限與導彈射程要求之間的矛盾。在光纖線包方面，線包繞線軸形狀可選圓柱體、圓盤體等，關鍵要確定其直徑和長度，直徑太大，會增大光纖線包的體積，太小則可能增大光纖信號的宏彎傳輸損耗；圓柱體長度太長則線包細長，太短則線包粗短，均需權衡考慮。線包形狀則以紡錘形為宜，整體結構更加牢固，有利于順利放線。在光纖纏繞方式上，研究表明可采用光纖在線軸上繞圈緊密排列纏繞的方式。當繞滿第一層后，反向跨越適當匝數(shù)的線圈，在上層光纖的溝槽內緊密排列纏繞第二層，以此類推，最終形成紡錘形的線包。同層纏繞時排列的緊密和一致性十分重要，要避免出現(xiàn)匝間間隙過大或過小的缺陷；纏繞下一層時反向跨越的匝數(shù)以1.5～2.5匝為宜[4]，跨越過大則浪費體積，過小則線包整體結構不易牢固。光纖纏繞時還要保證合適的纏繞張力，張力過小，放線時容易整體松脫；張力過大，一是光纖可能陷入溝槽過深，放線時容易斷線，二是會增大光纖的微彎變形，增加其微彎傳輸損耗，三是會增大光纖的靜態(tài)疲勞，降低其可靠性和壽命。另外，因為光纖很光滑，在纏繞時需在其表面涂覆粘接劑，粘結劑的特性、用量和涂覆工藝是保證光纖平行密繞、線包的貯存穩(wěn)定性和放線時不會局部松脫的關鍵之一。以上的技術和工藝都需要大量實驗才能確定。

光纖放線時，通常采用放線與纏繞垂直的方式放線。該方式所謂的“剝落點”，即光纖由螺旋纏繞狀到被軸向拉直的交點。在該點處存在一次半徑較小的彎曲，這一方面會增加信號傳輸?shù)奈潛p耗，另一方面也是承受張力最大、最容易斷線的地方。二是承受的最大張力還與放線速度有關，研究表明，“剝落點”處張力大小與光纖被拉出速度的平方成正比[5]。

2.3 雙向信息傳輸技術

對于制導武器，光纖中一定存在雙向的信息傳輸，一方面是導引頭獲取目標圖像向制導站傳輸，另一方面是制導站對導彈的控制信息向彈上傳輸。從技術角度，這里的信息傳輸與其他通信應用是一致的，只是在具體技術指標上有特殊要求，如光信號的發(fā)射功率、傳輸帶寬、動態(tài)范圍、靈敏度和信噪比等。光纖制導傳輸系統(tǒng)為了解決傳輸中“串音”，一般采用雙向耦合器的光域波分復用(WDM)技術來區(qū)分信息的傳遞方向，用電域的時分復用(TDM)技術來實現(xiàn)各路信息的傳遞。另外需要重點解決的問題是光纖的宏彎和微彎所導致的傳輸損耗要符合技術要求[6]。

2.4 成像導引頭技術

能實時傳輸目標圖像是光纖制導的重要特點，因此與光纖配套的一定有成像導引頭。目前攝像機式導引頭已經被淘汰；CCD成像電視導引頭技術作為成熟技術，已廣泛應用到制導武器中，但缺點是不能在夜間和不良氣象條件下使用；焦平面陣列紅外成像導引頭則是當前的高新技術，只有少數(shù)先進國家掌握，在裝備上也有較多成功應用，如上文提到的標槍、長釘?shù)取?/p>

3 光纖制導的發(fā)展展望

3.1 技術發(fā)展展望

3.1.1 目標自動識別技術

目標自動識別技術始終是制導武器研究的熱點，但同時也是研究的難點。由于地面背景復雜，所以針對地面目標的自動識別更是難上加難。未來的“智能”武器，目標自動識別技術將是必須攻克的關鍵技術；如果用到光纖導彈上，將不會再因人工識別目標的需要而限制導彈的飛行速度。

3.1.2 光纖技術

必須需要在光纖的制造、纏繞、釋放等方面采用更先進的技術，以進一步提升光纖的技術性能。例如，已列裝的光纖導彈仍然多次出現(xiàn)光纖斷裂的嚴重事故，所以進一步提高其抗拉強度仍然是一個重要課題。為實現(xiàn)導彈射程的增大，光纖直徑尺寸、彎曲損耗等指標的要求將進一步提高。為減小光纖承受的張力，也為減小彈上光纖線包的體積和質量，可以將彈上一端放線，改為彈上和制導站兩端放線；甚至還可以采用萬向支架結構改善放線角度[7]；也可將光纖繞線軸設計為可轉動[2]；同樣可以降低放線時光纖承受的張力。

3.1.3 導引頭技術

未來毫米波雷達成像導引頭將是重要的發(fā)展方向，原因是它既有接近微波雷達的全天候能力，又有紅外成像探測器的高分辨率和高精度。

3.2 應用領域展望

鑒于對武器作戰(zhàn)能力的巨大貢獻，除了上文所提到的炮兵反坦克導彈外，光纖制導技術完全可能應用到廣泛的軍事領域。例如：①航空兵的空地導彈或炸彈，與炮兵反坦克導彈相比，武器平臺的機動能力大大提高，其他特性則類似。②空艦或艦艦導彈，優(yōu)點是可以根據(jù)圖像選擇目標的要害部位進行攻擊，進一步提高毀傷效能。③光纖制導魚雷(FOG-T)，歐洲多國已經成功研制TP200等多款先進的光纖制導魚雷[8]。④光纖制導潛空導彈，第一次使?jié)撏Ь邆淞藵摵綘顟B(tài)下主動反擊其天敵——反潛飛機的能力，“獨眼巨人”的潛射型即是最典型代表[9]。⑤光纖制導無人水下航行器，是當前研究的熱點之一，有的已經研制成功[5]。⑥光纖制導誘餌，用于向敵方發(fā)送虛假信息，目前西方國家已有多款實裝。⑦光纖地面遙控戰(zhàn)車等。

4 結束語

光纖制導技術為制導武器的發(fā)展提供了一種全新的模式，目前還存在飛行速度比較慢、制導距離不夠遠、對時間敏感目標攻擊困難等缺點，例如導彈飛行速度還不能超過200m/s，制導距離還在10km以下，還只能攻擊低速運動目標等。但展望未來，該技術的研究前景是光明的，以上的技術缺點完全可能克服，必將在未來的制導武器家族和戰(zhàn)爭中扮演重要角色，其應用前景將十分廣闊。

[1] 岳松堂，張更宇.遠程光纖制導導彈會“偃旗息鼓”嗎[J].現(xiàn)代軍事，2004，11：37-39.

[2] 譚顯裕.光纖制導導彈的發(fā)展與應用概況[J].光電子技術與信息，2000，02：8-14.

[3] 蔡春平，高秀敏.制導光纖強度的依賴關系[J].應用光學，2003，11：21-26.

[4] 康葳蕤，馬保吉，陳瑞寧.光纖精密纏繞的缺陷及其原因分析[J].彈箭與制導學報，2005，08：246-249.

[5] 吳靜，商海英，韋正世.光纖制導技術及器件的發(fā)展[J].光纖與光纜及其應用技術，2006，04：7-11.

[6] 成煜，雷道玉，汪慶樣，張強，楊偉民.光纖制導用抗彎光纖的研究[J].魚雷技術，2006，04：26-28.

[7] 丁龐明.多方向放線光纖導線儲線裝置[J].魚雷技術，1998，02：44-47.

[8] 吳和聲，徐杏欽，夏冰峰.水中蛟龍展英姿-現(xiàn)代魚雷武器的發(fā)展[J].現(xiàn)代軍事，2004，06：34-36.

[9] 周軍.使?jié)撏Х磾閯俚墓饫w制導導彈[J].飛航導彈，2001，12：12-14.

Research on the Development and Application of Fiber Optic Guidance Technology

LI Hui，XU Bao-hua，LI Yong-jun，LI Hong-ru

(Department of Missile Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

The exceptional fighting abilities of fiber optic guidance anti-tank missile are analyzed；the key techniques of fiber optic guidance are studied emphatically；the future development trend and potential application fields are laid out.

Fiber optic guidance；Missile

2015 - 04 - 29；

2015 - 05 - 11。

李輝(1972 - )，男，副教授，研究領域為導航、制導與控制。

E-mail：jxgcxylihui@sina.com

TN818

A

2095-8110(2015)05-0005-04