特種光纜及組件在武器裝備領域的應用

文/杜發玉

本文綜合論述了特種光纜及組件在武器裝備領域的應用，并簡要介紹了我國在該領域的一些應用產品。

一、引言

自20世紀70年代以后，由于光纖光纜和半導體光電器件兩大基礎元器件的突破性進展，光子技術迅速地和電子技術結合起來，形成具有強大生命力的信息光電子技術和產業。以光纖光纜、光電器件和集成光路為基礎的信息傳輸、信息傳感和信息處理已從實驗室走向實用階段，特別是光纖光纜通信已發展成為信息時代顯著標志之一。未來通信以光為承載方式的前景將不可扭轉。盡管信息傳感和信息處理還存在著一些實用化問題，但近年來，以光為承載方式的通信已取得若干重大的突破性進展，相信不久將進入工程應用。

光纖光纜將廣泛應用于國民經濟的各個行業和領域。光纖光纜作為一種理想的信息傳輸、信息傳感、信息處理媒質，具有

傳輸損耗低、傳輸數據速率高、帶寬大、重量輕和抗電磁干擾、保密性強以及適應惡劣環境等優點，特別適于軍事應用，如野戰通信、機載通信、艦載通信和特殊環境的軍事通信；采用Sagnac效應的光纖干涉儀是構成光纖舵螺的基礎，對飛機、艦船的慣性導航和彈道導彈的制導無疑是一次技術革命；采用光纖延遲線和集成光路的信息處理是相控陣波束形成/控制和光（電）子戰信息處理的嶄新技術，是構成天基雷達的最高設計；以光纖、壓力傳感器和光纖光纜為基本構件，傳輸網絡化組成反潛戰應用的聲吶陣探測靈敏度超過現行任何聲吶系統的靈敏度；埋置在復合材料構件及其蒙皮內的光纖傳感器、光纖傳輸組件和微型電路是構成智能飛行器的最高設想，是未來飛機、空間飛行器的研發目標。可以說，凡是采用電子裝備的任何武器系統都有纖維光學技術的應用之地，只是由于目前技術水平的限制，好多應用領域還是空白。所以纖維光學技術的應用潛力十分廣闊。軍事應用將是纖維光學技術應用的先行者。

上世紀，光纖光纜技術還處于研究初期的時候就受到發達國家軍方的高度重視，尤其是美國投入在光纖光纜應用的研究、開發和生產軍費逐年增加。上世紀80年代后，光纖光纜技術，特別是軍用光纖光纜技術的發展已舉世矚目，應用領域十分廣泛，從戰術系統到戰略系統，從野戰通信到武器裝備，從太空到深海都顯示出纖維光學的巨大生命力。可以這么說，今天纖維光學技術已成為改造陸、海、空軍軍事裝備的重要內容，也是新型武器裝備系統必須優先考慮的先進技術。可以相信，纖維光學技術對軍事變革和作戰能力的提高將產生深遠的作用。

二、特種光纜及傳輸組件的應用領域和系統

特種光纖光纜在軍事方面應用主要包含三個領域。一是軍用光纖光纜通信，主要利用光纖光纜重量輕、抗電磁干擾、保密等優點，廣泛使用在野戰通信和雷達、導彈、衛星、運載火箭、飛機、艦船以及光纜系留飛行器等上；二是軍用傳感，主要利用光纖光纜的信息傳感特性和小型化，廣泛使用在慣性導航、反潛作戰和智能蒙皮運載器等上；三是軍用信息處理，主要利用光纖的延遲特性和寬帶優點，用于光控相控陣天線系統和電子戰系統。其主要應用系統如下。

(一）陸軍戰術通信系統

1.本地局域網光纜通信系統。

2.C3系統鏈路。

3.長距離戰術光纜通信系統。

4.本地分配系統。

(二）機載光纖光纜傳輸系統

1.機載光纖數據總線。

2.航空電子設備互聯網絡。

3.空軍戰術空中控制系統。

4.光控飛行控制系統

5.空軍C3I系統。

(三）艦載光纖光纜傳輸系統

1.艦載光纖數據總線。

2.艦載自適應光纖光纜通信系統。

3.航空母艦光纖光纜通信系統。

4.艦載高速光纖網絡。

(四）雷達領域

1.雷達天線遠程化微波光纖光纜傳輸系統。

2.多基地雷達網信號互連系統。

3.合成孔徑天線頻率基準分配系統。

4.光纖相控陣信號分配網絡。

5.艦載雷達光纖光纜傳輸系統。

6.相控陣天線波束形成/高分辨雷達接收和電子智能搜索系統。

7.多普勒雷達噪聲檢測系統。

8.衛星測高雷達。

(五）制導傳輸應用

1.光纖制導導彈系統。

2.光纖制導魚雷系統。

3.潛艇拖曳浮標光纖光纜系統。

(六）衛星空間站傳輸

1.衛星天線微波光纖（纜）線路。

2.衛星通信脈沖轉發系統。

3.空間站分布光纖網絡。

4.空間站光纖傳感信號傳輸系統。

(七）火箭系統

1.火箭離地控制線路。

2.火箭殼體健康探測。

(八）導航領域

1.汽車、坦克戰車導向系統。

2.飛機慣性導航系統。

3.火箭導航系統。

4.戰術導彈飛行姿態控制系統。

5.艦船慣性導航系統。

(九）反潛系統

1.光纖海底水聲監視。

2.潛艇光纖聲吶系統。

3.潛艇光電桅桿。

(十）智能飛行器

1.飛行器損傷控制系統。

2.飛行器火警告警系統。

3.飛行器分布傳感系統。

4.疲勞監測和戰術損傷評估。

5.光纖傳感器。

(十一）核試驗

1.地下核試驗近場數據檢測。

2.核廢料處理控制與檢測。

(十二）電子對抗

1.雷達無源RF方向搜索。

2.電子對抗欺騙干擾機。

(十三）計算機系統

1.光計算機存貯器。

2.加固型光纖計算機互聯組件。

三、特種光纜及傳輸組件的基本分類和結構

目前，國內普通通信用光纜產品已十分普及，但對特種光纜及傳輸組件，高端產品仍依賴進口，不同領域的應用在不斷提出品種、質量水平更新的要求。今后的一個時期，整個產業不會有太大的增長，但對特種光纜及傳輸組件的需求將發展旺盛，目的是滿足更多軍事領域應用的需求和完全參與國際競爭。

(一） 特種光纜及傳輸組件的基本分類

1.應用于惡劣環境下的特殊光纜和傳輸組件。

惡劣環境定義為超常規通信應用范圍環境，主要包括：

（1）超過（-40℃～75℃）范圍的工作環境。

（2）劇烈震動環境。

（3）光纖制導（地-空、地-地、艦-艦、艦-空）導彈和水下魚雷等需要的特殊要求。

（4）強電磁環境。

（5）腐蝕性環境。

（6）輻射性環境。

（7）極端壓力下的環境。

（8）極難用手工安裝的地方。

2.專門用途和結構特殊（包括光電混裝結構、異型結構等）的光纜和組件。

主要用途是軍用、海、陸、空、天領域。

3.功能化的光纖光纜及組件。

主要配套于功能型光纖傳感系統、輻射診斷檢測、智能電網等非通信領域。

4.具有阻燃和綠色環保要求的光纜及組件。

主要應用于礦井下、室內綜合布線系統以及光纖到戶（FTTH）、光纖到桌面（FTTD）、家庭智能化、辦公自動化、工控網絡化、車載、機載、艦載、星載數據傳輸多媒體和士兵穿戴式輕型計算機系統。

(二） 基本結構形式和特點

眾所周知，不論光纜產品的結構形式如何，都是由纜芯、加強構件、護套三部分組成的。而纜芯通常有不同種類光纖的單纖芯和多纖芯兩種。特種光纜就是一系列具有獨特特性和特殊結構的產品，而特種傳輸組件則是滿足多種特殊性能和要求的光連接、轉換和傳輸的組合器件。

對于量大面廣的普通光纜而言，軍用特種光纜及傳輸組件具有技術含量高、使用條件嚴酷、批量相對較小，但附加值較高等特點，往往要采用新材料、新結構、新工藝和新的設計計算方法。

四、特種光纜及傳輸組件技術發展概況

(一）海底光纜

特種光纜中最具代表性的是海底光纜。由于對可靠性的要求特別高，所以海底光纜的結構和工藝技術是光纜中最復雜者之一。1988年年底世界上第一條跨大西洋光纜（TAT-8）的敷設和開通標志著海底光纜的制造技術已趨成熟。中國電子科技集團公司第八研究所1990年研制成功中國第一根實用化海底光纜和海底光纜連接器，填補了國內空白，目前已開發成功第四代海底光纜，單根制造長度大于50公里。可帶中繼的海底光纜及連接器和柔軟型海底光纜接頭技術已經實用化。

(二）野戰（戰術）光纜及組件

軍用特種光纜在歐美國家得到了大力發展。早在1973年美國就開始野戰光纜的研究，其技術規范分短距離野戰光纜（1～2公里）和長距離戰術光纜（6～8公里中繼距離）兩種。其適用的軍用規范為DOD-0-85045/2B。其應用系統主要有C3I（指揮、控制、通信和情報）系統、局域網（LAN）系統、短距離本地分配系統、長距離戰術通信系統和飛機快速布纜系統等。典型的野戰光纜有：

1.阻燃野戰光纜（AT＆T公司生產）。

這種光纜采用內外聚氨脂護套，保證阻燃要求，適用DODSTD-1678方法5010，燃燒試驗。2.耐低溫野戰光纜（Siecor公司研制）。

光纜最低工作溫度可達-55℃、25毫米冷彎曲附加損耗為0分貝/公里。

3.耐壓野戰光纜（英國BICC公司研制）。

該光纜采用雙護層結構，內護層采用發泡材料（氣泡直徑60微米，占體積的40%），其作用是將光纜芯緊束在一起，提供纜芯光纖的抗側壓保護能力。采用發泡材料降低了光纜的重量。外護套采用阻燃的聚氨脂材料。

4.德國Philips Kommunikation Industrie AG公司研制的抗拉野戰光纜、英國標準電信實驗室為美軍FOTS-LH計劃開發的抗核加固光纜都具代表性。

隨著光纖技術的發展，光纖光纜制造技術和連接技術的改進、制備具有兼容性野戰光纜和傳輸組件的條件早已成熟。快速連接、用戶分支接續技術的研究受到足夠重視。

(三）航空用光纜及組件

美國早在上世紀70年代初就開始機載光纖光纜的應用研究，直至今天從未終止，其最突出的理由就是光纖光纜具有體積小、重量輕、帶寬和抗電磁干擾的優點。如用光纜取代電纜，可使B-1轟炸機的重量減少1噸，同時大大降低幾個數量級的電磁干擾源和成本。

隨著航空復合材料的發展，以復合材料制造的隱形飛機已成為各國軍方加緊研制的秘密武器。但是，若用電纜作為機內的互連網，不能使之成為真正的隱形飛機；而采用光纖布線，則可達到靜噪目的，如果采用光纖數據總線，再將各種光纖傳感器（如應變、溫度、壓力光纖傳感器）和信息處理器埋置在復合材料構件內，便可構成智能蒙皮飛機。

目前，飛機應用的光纖線路可分為三類，即傳感和電子戰用的寬帶線路，傳感器、信號處理器和其他部件之間的互連高速數字信號線路，雷達應用的窄帶線路。其實際應用項目包括點對點機載光纖數據總線、光纖傳感系統、光控飛行系統、光控武器系統和光纖陀螺儀及傳輸組件。

早在1974年，美國空軍就在A-7飛機上進行光纖應用試驗，首先對機載光纖光纜及通信系統的技術性能作了評價。A-7飛機用13根光纜取代了原來傳輸115個系統信號的同軸電纜和對絞高溫導線，使原傳輸線纜的重量由18公斤減少到1.2公斤。下表給出A-7飛機的電纜和光纜比較。

上世紀80年代以后，各國都開展光纖光纜機載應用的開發研究，主要研制機構有羅思羅普ITT、美空軍光譜電子公司、美國羅姆航空發展中心、法國湯姆遜-CSF公司、美宇航技術研究所、波音飛機公司、道格拉斯飛機公司、Eldec公司。美國海、陸、空軍都進行過機載光纖光纜及系統試驗。1982年軍用標準MILSTD-1773標準光纖數據總線正式頒布。目前光學復用的纖維光學傳感開關組件和數據總線正在研究開發。為了滿足更高的要求，國外還研究了耐溫-65℃～150℃的航空用光纜。

(四）艦船用光纜及傳輸組件

1.艦船對光纖光纜應用的需求和迫切性。

為了說明艦船對光纖光纜的迫切需求，我們從光纖光纜對艦船的好處談起。

（1）小型化、高質量。

通過提供輕型和小直徑的光纜替代現行艦船使用的電線電纜可減輕近2/5的重量和許多有用空間，從而提高艦船的工作質量和防御能力。特別是軍艦對重量和空間的要求也和它的武器裝備同等重要。為了對付不斷增加的來自各個方面的威脅，現代軍艦需要更多的設備，如雷達、計算機、預警信息處理系統。這些設備必然增加軍艦的重量和吃水深度，使其燃料消耗增大，活動范圍、操作靈活性和速度降低。一艘典型的現代驅逐艦或巡洋艦的重量為8500～9500噸，而一艘航母的重量為8.5萬～9.5萬噸。由于現役軍艦上所有的通信都是點對點的電纜通信，所需的設備和互連電纜的重量占軍艦重量的一大部分，目前安裝在艦船甲板的通信電纜約1.6公里長，重量為500公斤，而等長光纜重量僅125公斤（減少約75%）。如果把現有艦船上的電纜信號網換成等效光纜網，重量和體積都可減少90%。

（2）纜線成本大幅降低。

一般艦載信號網使用光纜可節省費用78%。如果考慮到光纖的寬帶特性，采用復用技術還可以進一步節省費用。

此外，用光纜替代電纜還可以減少系統的元器件數。如一個點對點電纜系統需要兩根90針的雙工電纜，而光纜系統至少可減少60%的輸入/輸出（I/O）端口數。

（3）寬帶特性。

光纜系統的寬帶特性可將控制、告警、火控、監視、通信和管理集為一體，大大節省艦船的有用空間，對未來艦船或航母的大容量計算機和高速率網絡具有重要的意義。

（4）抗電磁干擾、抗雷達頻率干擾能力強。

光纜系統具有抗電磁干擾和抗雷達頻率干擾的特性，可為艦船生存提供保證。艦船上的電磁干擾主要源于電動機、發電機、繼電器、電磁閥和電磁開關、雷達和通信裝置。在電纜系統中，這些噪聲的抑制是通過使用電纜專門屏蔽材料和裝置，增加了系統的復雜性和成本。使用光纜將大大減小電磁環境影響的敏感性。

2.艦船用光纜的開發。

艦船用光纜是軍用光纜的一大分支。它是結構較復雜、要求很高的光纜種類之一。它必須滿足MIL-C-0085045D（海軍）的要求，即毒性低、低鹵或無鹵、發煙低、抗輻射阻燃、工作和儲存溫度極端、機械要求嚴格、水壓很高、耐高溫有害流體以及其他一些要求。美國SIECOR公司和AT＆T、Bell labs已分別研制成滿足上述軍用規范要求的艦船用無鹵阻燃光纜系列，并采用大芯徑、大數值孔徑和單模光纖，以滿足不同需要。其有代表性的產品有：

① 面艦船和潛艇內應用光纜。

② 下系留光纜和組件。

③ 下聲納用光電復合纜和組件。

④ 雷制導光纜。

⑤潛艇拖曳浮標（天線）光纜。

3.光纖光纜技術在艦船上的應用前景。

從目前的應用情況看，光纖光纜技術在艦船上應用有著廣闊的前景。這些前景可歸納為：

（1）艦載光纖光纜通信。包括艦內光纜電話網，指揮部、兵營專用電話網，艦載計算機母線系統，艦船雷達數據信號傳輸系統以及艦船與陸地間通信系統等。

（2）導航系統。使用光纖陀螺的導航系統。

（3）聲吶系統。包括光纖水聽器和聲吶傳輸線。

（4）光纖拖曳系統。包括潛艇浮標天線和反潛拖曳光纜系統。

（5）光纖圖像傳輸。包括光纖潛望鏡、艦內閉路電視和像增強光纖面板等。

從目前開發應用和技術水平看，替代電纜的光纜應用是艦船光纖光纜技術應用的起點。我們從事光纖光纜技術研發的人們應大力宣傳這一點。

(五）有線制導光纜

1.發展前景。

光纖制導是戰術武器領域內的一次革命，不僅取代了金屬制導技術，而且成為推動有線制導武器進一步發展的唯一技術，這一技術還可用于發展未來的外層空間衛星武器的有線制導。

雖然目前光纖制導技術及應用還沒有達到最終目的，但第一代光纖制導武器已接近實用化階段。其主要優點：（1）體積小、重量輕。用一條光纜取代原來有線制導的兩條電纜，可使導彈的防御和襲擊范圍增大，使射程增大幾倍。光纜比電纜制導線，傳輸容量可提高三個數量級以上。（2）成本低。（3）戰場生命力強。光纖制導抗電磁干擾，因而不易被其他武器擊中。（4）提高武器威懾力。由于光纖制導采用非視線瞄準或“發射后不管”制導，不必依賴眼睛或雷達觀測，可攻擊地面目標、直升機，也可穿越煙霧、小山、樹林等障礙搜索目標，不受地形、惡劣天氣、夜間因素的影響，命中率為100%，是小型撒手锏武器。

2.應用情況。

（1）反坦克武器。

光纖有線制導武器作為步兵和直升機反坦克武器具有許多優點，可保證多兵種機動性和火力支持。美國陸軍1989年就開發生產并裝備具有夜視能力和全天候工作能力的光纖制導導彈。德國、法國都研制了具有夜視能力的光纖制導導彈并于1996年投產。印度也把這種“發射后不管”的導彈放在舉足輕重的位置。

（2）前沿防空系統（FAADS）。

FAADS的重要組成部分——光纖制導導彈（FOG-M）通常部署在近戰地地域內遠離機動合成部隊的后方或接近己方部隊前沿隱蔽陣地上，通過地面和空中探測設備組成C3I系統向FOG-M提供目標預警信息。

（3）反直升機武器系統。

FOG-M被稱為直升機的克星，特別是帶有“發射后不管”的FOG-M是克制直升機的重要武器系統。1991年11月在阿拉伯聯合酋長國舉行的迪拜航空展會上，巴西首次展出了新型的光纖制導反直升機、反坦克FOGMMBM武器。

（4）潛射防空光纖制導武器。

光纖制導武器不僅可在地面和直升機上發射，還可在水下發射。法國和德國聯合研制的潛-空光纖制導武器（“獨眼巨人”）可在海水下300米深處的潛艇上發射，射程大于10公里。

（5）光纖制導魚雷。

美國研制的輕型光纖制導魚雷可用于遠程反潛，最長距離可達100公里。

3.制導光纜的繞放線技術。

繞放線技術是光纖制導武器系統的另一個十分重要的技術。由于制導光纜是繞在放線裝置上，是要隨著彈體高速飛行的，光纜的繞線和放線技術就顯得特別重要。

光纜纏繞的控制參數包括纏繞基層、纏繞張力分布、光纜纏繞超前角、后退和交疊控制纏繞時的附著力大小等。為了減少纏繞致使光纖產生的微彎損耗，必須采用精確纏繞方法。這種方法所用的轉軸稍帶錐形，使光纜纏在錐形圓柱體上形成一軸向層，然后以相反的軸向繞另一層，繞在前后兩圈之間。在放線時，由于光纜隨著彈體高速飛行，除要求光纜具有1.4～2.1吉帕的強度外，還需給光纜施加外力，如采用氣動方法等。

五、我國軍用特種光纜及傳輸組件產品的應用

我國軍用特種光纖光纜產品研制起步于1975年。1978年國內第一根核試驗近場診斷光纜研制成功。該產品是光纖光纜在我國國防軍事領域成功應用的首創。1985年軍內第一個無中繼電話和彩電光纜傳輸系統開通，為我軍指揮機關提供了有效的視頻圖像及電話會議等保密通信手段。中國電子科技集團公司第八研究所從1984年開始研制第一代海底光纜和光纖魚雷制導光纜，1989年成功地進行了魚雷制導系統實驗。1990年國內第一個實用化海底光纜通信系統建成后，中國電子科技集團公司第八研究所又先后開發成功多種不同結構、用于不同海域和水域的海底光纜和連接器，多種產品通過部級產品定型鑒定，現已形成系列產品的批生產能力，先后為國防和武器裝備系統配套。其可帶中繼的淺海光纜及連接器、單根制造長度大于50公里的純硅芯輕型跨海光纜及柔軟連接頭都代表了當今國際水平。其超大長度制導光纜填補了國內空白。其雷達專用光纜組件和加固型光纖計算機互聯組件等產品都已實用化并裝備部隊。

“八五”以來我國軍用特種光纜的新品及預研任務迅速增加，用戶范圍日益擴大，表明用戶對軍用特種光纜及組件的先進性和重要性的認識日益提高，對應用的迫切性日漸明顯，這也表明早期研制的軍用特種光纜及組件的應用證明了優越性。外軍光纖光纜技術應用和裝備的發展趨勢也激發了我國軍方的應用熱情。

我國軍用特種光纜的應用領域和品種已經相當廣泛，例如：1.地下核試驗氣密光纜、耐高溫防泄漏光纜、地下核試驗全水位深井吊裝光纜和組件、耐輻照光纜等。

2.核裂變技術研究用閃爍光纖陣

列輻射探測器等光纖傳輸傳感組件也早已配套系統。3.野戰光纜及組件。

4.地-空光纖制導光纜及組件。5.魚雷制導光纜和組件。

6.系留光纜和旋轉連接器。

7.潛艇拖曳浮標（天線）光纜。

8.雷達專用光纜和組件。

9.艦載光纜和組件。

10.光電旋轉傳輸組件。

11.潛艇用外鎧甲集束混裝水下光電纜組件。

12.反潛應用聲吶陣光纜系統。13.機載光纜和組件。

上述各品種及應用領域涉及相當多的軍用特種光纜及組件。軍用環境的嚴酷性和對可靠性及性能穩定性的高要求使這些產品的研制難度很高。對于元器件產品本身而言，從預研、新品向實用化、穩定生產的技術發展有一個艱苦的過程。從應用部門而言，上機、試飛、試航到上裝備同樣有一個過程。這兩個過程的完成將帶來軍用光纖光纜和光電元器件市場的快速發展和國防現代化的躍升。應當說目前這一過程正在進行中。我們必須努力縮短這一過程的時間。這需要光纖光纜研制機構和應用機構的共同努力和配合，更需要上級部門的支持。特種光纜及組件的推廣應用尚需武器裝備平臺設計應用單位與研制單位配合，共同努力，協力推廣。

六、結束語

特種光纜和傳輸組件在武器裝備領域的應用已進入商品化、實用化階段，代表了新型武器裝備的先進水平。為進一步縮小與國外先進水平的差距，提高我國特種光纜和組件產品研發水平和自主創新能力，滿足日益增長的國內需求和參與國際競爭，應建立光電子領域內具有國際先進、國內領先水平的開放式研發平臺，突破一批重大關鍵技術，培養一支優秀的科技創新隊伍，取得自主知識產權，加強應用和工程化力度，加速國產化進程，為國防和武器裝備現代化作出貢獻。