光纖在遙控武器站火控系統(tǒng)中的應(yīng)用

秦叔敏，田興科，王 偉

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072）

光纖在遙控武器站火控系統(tǒng)中的應(yīng)用

秦叔敏，田興科，王 偉

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072）

通過(guò)對(duì)光纖及光纖通訊關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的介紹，提出在遙控武器站火控系統(tǒng)中利用光纖傳輸方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速、高帶寬視頻、總線、IO信號(hào)的傳輸方式。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換單元的模塊化設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)部件有效集成，減少部件數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)?；贑PLD技術(shù)的電路設(shè)計(jì)，有效減小電路板尺寸，縮短設(shè)計(jì)周期，提高工作可靠性。設(shè)計(jì)緊湊、合理的光纖旋轉(zhuǎn)連接器及光纖鏈路形式，有效保證鏈路的插入損耗，高質(zhì)量完成信息傳輸。運(yùn)用時(shí)分復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)拓展傳輸帶寬，為系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展預(yù)留了充分的空間。結(jié)合工程實(shí)際提出光纖通訊目前存在的主要問(wèn)題并給出相應(yīng)的解決方案。

火控系統(tǒng)，光纖，信道，遙控武器站

0 引言

信息化條件下，武器裝備要采集自身配置的多種傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)要實(shí)時(shí)接收車(chē)內(nèi)、車(chē)際以及上級(jí)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息和指揮信息，這對(duì)系統(tǒng)的信道和通信容量提出了巨大的挑戰(zhàn)，能否成功接收并迅速處置各種信息成為衡量系統(tǒng)技術(shù)水平、提高戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要指標(biāo)。光纖及光纖通訊技術(shù)在諸多民用領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果，隨著各種關(guān)鍵技術(shù)的日臻完善，光纖通訊技術(shù)逐漸被應(yīng)用到陸軍武器裝備中。本文通過(guò)對(duì)光纖通訊的相關(guān)知識(shí)的介紹，系統(tǒng)闡述了光纖通訊技術(shù)在某遙控武器站中應(yīng)用的成功案例。

1 光纖分類(lèi)及光互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)

按照傳輸點(diǎn)模式分類(lèi)，光纖分為單模和多模兩種。單模光纖的纖芯直徑很小，在給定的工作波長(zhǎng)上只能以單一模式傳輸，傳輸頻帶寬，傳輸容量大；多模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上，能以多個(gè)模式同時(shí)傳輸，相對(duì)于單模光纖，多模光纖的傳輸性能較差。

按照折射率分布方式分類(lèi)，光纖分為跳變式和漸變式。跳變式光纖纖芯的折射率和保護(hù)層的折射率都是一個(gè)常數(shù)。在纖芯和保護(hù)層的交界面，折射率呈現(xiàn)階梯型變化；漸變式光纖纖芯的折射率隨著半徑的增加按照一定的規(guī)律減小，在纖芯和保護(hù)層交界處減小為保護(hù)層的折射率，纖芯的折射率變化近似于拋物線。

光互連的優(yōu)越性：①有極高的空間和時(shí)間的帶寬積；②抗干擾能力大幅度提升；③互聯(lián)數(shù)大，互聯(lián)密度高；④無(wú)觸點(diǎn)方式互聯(lián)提高可靠性及互聯(lián)密度；⑤等程性能良好；⑥大幅降低系統(tǒng)功耗。

2 光纖旋轉(zhuǎn)連接器

在很多軍事裝備中需要完成相對(duì)靜止部分到轉(zhuǎn)動(dòng)部分的連續(xù)信號(hào)傳輸，電旋轉(zhuǎn)連接器完成普通電信號(hào)的傳輸,光纖旋轉(zhuǎn)連接器完成光信號(hào)的傳輸。光纖旋轉(zhuǎn)連接器根據(jù)組成分為單純光纖和光電混合兩種類(lèi)型，每種類(lèi)型又包括有源光纖旋轉(zhuǎn)連接器和無(wú)源光纖旋轉(zhuǎn)連接器。有源旋轉(zhuǎn)連接器上包含光電轉(zhuǎn)換模塊，在體積和抗干擾能力方面要遜色于無(wú)源旋轉(zhuǎn)連接器［1］。

單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器通過(guò)精密機(jī)械機(jī)構(gòu)保證兩根光纖直接耦合或通過(guò)光學(xué)輔助器件完成光纖的耦合，具有結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)帶來(lái)傳輸可靠性低、加工制作工藝要求高、不滿(mǎn)足雙向傳輸、光信號(hào)數(shù)量和種類(lèi)有限等缺點(diǎn)。

多通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器解決不同光信號(hào)同時(shí)傳輸和雙向傳輸?shù)膯?wèn)題。通過(guò)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)光學(xué)機(jī)構(gòu)、dove棱鏡機(jī)構(gòu)、菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)，具有傳輸信道寬、能夠雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有輔助光學(xué)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂、插入損耗高等缺點(diǎn)。

對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器必須力爭(zhēng)極低的插入損耗，很高的串?dāng)_特性，不能存在傳輸盲點(diǎn)。資料顯示對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器的測(cè)試雙通道旋轉(zhuǎn)連接器總插入損耗2 dB，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的加工及裝配精度產(chǎn)生的機(jī)械誤差損耗＜0.5 dB［2］。單路光纖旋轉(zhuǎn)連接器單模光纖的插入損耗≤4dB，多模光纖的插入損耗≤2dB；多路光纖旋轉(zhuǎn)連接器單模光纖的插入損耗≤6dB，多模光纖的插入損耗≤4dB。

3 光電轉(zhuǎn)換單元

光電轉(zhuǎn)換單元是在一端將高精度數(shù)字化后的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、IO信號(hào)并串轉(zhuǎn)換成高速數(shù)字信號(hào)流，通過(guò)時(shí)分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)通過(guò)信道容量大的光發(fā)射模塊發(fā)射出去，在另外一端接收、解復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換成原始數(shù)字化信息流，在通過(guò)DA轉(zhuǎn)換或其他方式恢復(fù)信號(hào)源的格式，為系統(tǒng)所用。波分復(fù)用技術(shù)就是把不同種類(lèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)波分復(fù)用技術(shù)和波到一根光纖，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)連接器后在經(jīng)過(guò)波分復(fù)用技術(shù)還原信號(hào)［3］。

4 應(yīng)用案例

遙控武器站目前在世界各國(guó)軍隊(duì)都得到廣泛的裝備和應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)裝備的信息獲取形式，遙控武器站為了更好地保護(hù)乘員安全，提高戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，射手遠(yuǎn)離武器在承載車(chē)輛內(nèi)部布置，通過(guò)安裝在武器站頂部的視頻采集傳感器采集戰(zhàn)場(chǎng)視頻，經(jīng)旋轉(zhuǎn)連接器傳輸?shù)杰?chē)體內(nèi)部，在射手顯示操作終端上進(jìn)行顯示。為了提高射手的臨場(chǎng)感，降低視覺(jué)疲勞，就要采用彩色高清攝像機(jī)來(lái)提高視頻的分辨率和顯示幀頻，因此，必然帶來(lái)視頻數(shù)據(jù)量的劇增。我國(guó)自行研制的某型遙控武器站采用光纖傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了多種視頻信息、總線信息和多路數(shù)字IO量的高速、實(shí)時(shí)傳輸，取得良好的效果。

4.1 總體方案

在本應(yīng)用案例中，系統(tǒng)多種視頻信息、總線信息及多路數(shù)字IO量需要經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)連接器從武器站旋轉(zhuǎn)部分傳輸?shù)杰?chē)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖像顯示。系統(tǒng)為滿(mǎn)足作戰(zhàn)使用要求，圖像傳感器選用數(shù)字化高清攝像機(jī)，同時(shí)有多路模擬視頻攝像機(jī)也進(jìn)行視頻傳輸。綜合考慮傳輸帶寬、實(shí)時(shí)性及圖像的質(zhì)量，將各種信息光電轉(zhuǎn)換后通過(guò)光線旋轉(zhuǎn)連接器進(jìn)行傳輸。

4.2 光纖鏈路形式

圖1 光纖鏈路形式

如圖1所示，系統(tǒng)信號(hào)傳輸自上而下完成電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。其中光電轉(zhuǎn)換單元以板卡的形式安裝于部件內(nèi)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形式，同時(shí)提高了可靠性。光電轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)矩形板間光電混裝連接器與其他板卡連接，在母線板上完成相關(guān)信號(hào)的調(diào)理和分配。部件采用標(biāo)準(zhǔn)型譜的光電混裝圓形連接器而不是光纖單獨(dú)走線，方便系統(tǒng)布線并提高光纖的可靠性、有利于光纖的維護(hù)及保養(yǎng)。

4.3 光電轉(zhuǎn)換單元原理

圖2 電光轉(zhuǎn)換原理框圖

電光轉(zhuǎn)換原理框圖如圖2所示，設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用CPLD技術(shù)。模擬視頻經(jīng)過(guò)隔離濾波、AD轉(zhuǎn)換處理后傳送到CPLD，數(shù)字視頻、總線、串行通訊等數(shù)字信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用的物理接口芯片轉(zhuǎn)換以及經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理后變成CPLD能夠處理的電平信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理，標(biāo)準(zhǔn)電平的數(shù)字IO量直接接到CPLD接口，CPLD將上述信號(hào)按照規(guī)定的時(shí)序、格式處理成高速并行數(shù)據(jù)流，通過(guò)并串轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成高速串行數(shù)據(jù)，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制成兩種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在波分復(fù)用器處合成為一束光經(jīng)光纖傳輸?shù)叫D(zhuǎn)連接器下端，下端采用與上端相反的處理方式，最終在信息處理單元獲取與數(shù)據(jù)源格式一致、實(shí)時(shí)性有保證、穩(wěn)定可靠的視頻、總線及數(shù)字IO量，完成系統(tǒng)的顯示及操作控制。方案中采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)數(shù)字光電轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻、并串轉(zhuǎn)換和通訊功能。不僅減小了電路體積同時(shí)降低電路硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高電路工作穩(wěn)定性［4］。

4.4 實(shí)際應(yīng)用情況

本系統(tǒng)方案經(jīng)過(guò)實(shí)際工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)調(diào)試測(cè)試及行駛、射擊等使用條件的考核，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。光纖鏈路雖然存在較多的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，經(jīng)測(cè)試鏈路總插入損耗為7.1 dB，兩路1 024×768分辨率的數(shù)字視頻傳輸速度達(dá)到30幀/s，畫(huà)面顯示連續(xù)無(wú)滯后，模擬視頻無(wú)明顯噪聲出現(xiàn)，串口、CAN總線工作穩(wěn)定，測(cè)試誤碼率低于2×10-10。

5 存在的問(wèn)題及解決辦法

5.1 存在的問(wèn)題

5.1.1 光纖連接器的選擇

軍用條件下，普通的FC、ST等連接器在沖擊、振動(dòng)等方面難以滿(mǎn)足要求，帶螺紋或鎖緊機(jī)構(gòu)方能滿(mǎn)足。同時(shí)插入損耗、回波損耗、環(huán)境溫度、抗拉力等參數(shù)要綜合考慮。

遙控武器站視頻傳輸信號(hào)源為車(chē)外安裝的綜合光電傳感器，其組成中含有精密光學(xué)機(jī)構(gòu)，需要在內(nèi)部充氮?dú)獾纫苑乐构鈱W(xué)器件的氧化，這樣在殼體上安裝的連接器需要?dú)饷苄粤己靡苑乐箽怏w泄漏。而目前光纖產(chǎn)品不滿(mǎn)足連接器的玻璃燒結(jié)工藝要求，通過(guò)一定的技術(shù)途徑降低泄漏率來(lái)保證其密封性。

5.1.2 光纖的高溫操作

光纖的環(huán)境使用溫度為-40℃～80℃，滿(mǎn)足軍標(biāo)要求。但是光電混裝連接器在成纜過(guò)程中要進(jìn)行高溫的焊接和外部防護(hù)套的熱縮加工，高溫作用時(shí)間稍長(zhǎng)可能對(duì)光纖本身造成較大影響或?qū)е聯(lián)p壞。因而光纖電纜加工過(guò)程中要充分注意操作工藝，降低工具的溫度，縮短不必要的高溫作用時(shí)間，確保光纖完好。

5.1.3 光纖旋轉(zhuǎn)連接器的抗沖擊振動(dòng)特性

試驗(yàn)室環(huán)境下，光纖傳輸能夠很好地滿(mǎn)足要求。在軍用條件下的車(chē)輛沖擊、振動(dòng)以及武器的射擊沖擊，都對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器中有精密的光學(xué)機(jī)構(gòu)及機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不容忽視的影響，振動(dòng)的形變和位置偏差會(huì)直接影響傳輸質(zhì)量，因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中要充分注意使用條件并針對(duì)性的提高設(shè)計(jì)水平。

5.1.4 光纖的機(jī)械強(qiáng)度

光纖的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)傳統(tǒng)電纜有很大差異。φ3光纖的抗拉強(qiáng)度為90N，φ2光纖的抗拉強(qiáng)度為70N，φ0.9光纖對(duì)抗拉強(qiáng)度不做要求。軍用環(huán)境惡劣，拉拽或者踩踏都會(huì)對(duì)光纖造成致命的損傷，單光纖線束很難滿(mǎn)足使用要求，即使采用鎧裝形式的光纖也會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5.1.5 纖使用及維護(hù)

光纖連接對(duì)灰塵比較敏感，必須注意光纖插頭座的防塵?？梢杂们鍧嵉拿撝拚簾o(wú)水酒精對(duì)光纖插針的端面輕輕擦拭干凈。避免用手或不清潔的物品觸碰或擦拭插針端面，以防止端面弄臟或擦傷，影響連接質(zhì)量。

斷開(kāi)連接時(shí)，應(yīng)該將設(shè)備接口的防塵帽和光纖插頭的防塵帽戴上。

光纖組件應(yīng)存放在沒(méi)有酸、堿和其他有害氣體侵蝕的庫(kù)房里，并注意防潮、防塵、防鼠咬。

5.1.6 光纖鏈路的插入損耗

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在光纖傳輸鏈路中有多級(jí)連接，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在著必然的插入損耗，而累積的插入損耗值是必須要充分重視的參數(shù)。就光纖本身而言，多模50/125光纖在傳輸1 300 nm波長(zhǎng)時(shí)候的損耗為0.8dB/km，多模62.5/125光纖在傳輸1 300 nm波長(zhǎng)時(shí)候的損耗為1 dB/km，對(duì)于車(chē)載使用條件，光纖長(zhǎng)度的損耗可以忽略不計(jì)。但是各個(gè)連接器環(huán)節(jié)的損耗就不能忽略，一般單光纖連接器的插入損耗≤1dB，多光纖或光電混裝連接器的插入損耗會(huì)更大，甚至達(dá)到幾個(gè)分貝。

光纖的彎曲會(huì)帶來(lái)一定的輻射損耗，曲率半徑越小，損耗越大，一般認(rèn)為，曲率半徑大于10 cm時(shí)，彎曲輻射損耗可以忽略［5］。在使用過(guò)程中，盡可能滿(mǎn)足光纖的彎曲半徑不小于直徑的25倍。

5.2 本方案中的解決辦法

本方案中，通過(guò)DOVE棱鏡的方式實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸，有效提高可靠性和抗沖擊、振動(dòng)特性。選擇光電混裝的圓形以及矩形連接器，光纖組件本身選用鎧甲形式，與普通電纜混合走線，通過(guò)鎧甲有效保護(hù)光纖的同時(shí)，提高光纖束的抗拉特性以及防止踩踏造成損傷，也可以有效保護(hù)成纜過(guò)程中高溫對(duì)光纖的危害。光纖連接器都配備防塵蓋，在電纜斷開(kāi)情況下有效防止灰塵進(jìn)入。系統(tǒng)電纜在敷設(shè)中充分注意不出現(xiàn)小半徑彎曲，避免造成不必要的損耗。

6 結(jié)束語(yǔ)

光纖通訊技術(shù)日新月異，新工藝低損耗傳輸窗口的單模光纖已經(jīng)達(dá)到25 THz的傳輸帶寬，這為武器裝備的信息化提供了廣闊的發(fā)展空間，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的不斷攻關(guān)和改進(jìn)，在未來(lái)可以預(yù)見(jiàn)，光纖通訊技術(shù)將為高速、高帶寬實(shí)時(shí)信號(hào)提供更加穩(wěn)定、可靠、高性?xún)r(jià)比的傳輸環(huán)境。通過(guò)在遙控武器站火控系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，此項(xiàng)技術(shù)可以在其他火控系統(tǒng)的發(fā)展中充分發(fā)揮其優(yōu)越性，讓數(shù)據(jù)傳輸不再是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

［1］賈大功.無(wú)源光纖旋轉(zhuǎn)連接器的發(fā)展［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（4）：199-202.

［2］徐峰.新型棱鏡型雙通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器的設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2008，10（16）：1836-1839．

［3］徐明，李超.光電組合式滑環(huán)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子機(jī)械工程，2011，2（27）：44-47．

［4］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［5］陳志奇，王松坡.光纖應(yīng)用淺析［J］.中國(guó)有線電視，2002，3（4）：126-127.

Aqqlication of Optical Fiber in Fire Control System for Remote Control Weapon Station

QIN Shu-min，TIAN Xing-ke，WANG Wei
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Based on introduction of key technologies and equipments in fiber and fiber communication,this paper put forwards the transition methods of high speed and high band width video signals、bus signals and IO signals by means of fiber communication.Modularized design of opticalelectrical transform unit and efficiency integrate of system parts can reduce system parts quantity and optimize network construction.Electrical circuits design based on CPLD technologies can reduce the PCB size,design cycle,and raise the reliability.To ensure the insertion loss and information transmission quality,a compact and reasonable hybrid opto-eletrical rotary joint design is necessary. Time division multiplexing or demultiplexing technologies can expand the transmission bandwidth,and reserve more opportunity for system upgrade.According to the engineering practice,some questions are pointed out and resolve methods in fiber communication in the field of military using are resolved.

fire control system，fiber，communication channel，remote control weapon station

E926

A

1002-0640（2015）07-0170-04

2014-05-05

2014-07-02

秦叔敏（1977- ），男，遼寧凌源人，高級(jí)工程師。研究方向：坦克裝甲車(chē)輛火控系統(tǒng)及其部件。