魚雷光纖線導光傳輸技術研究

劉雪辰, 胡 鵬, 趙 巖

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魚雷光纖線導光傳輸技術研究

劉雪辰1, 胡 鵬2, 趙 巖3

(1. 海軍裝備部駐西安地區軍事代表局, 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光纜中實現光信息的雙向高速和遠程傳輸是提高光纖線導傳輸速率、增加傳輸距離和提高信息傳輸可靠性的關鍵。基于此, 結合魚雷光纖線導系統特點, 詳細分析了低動態損耗制導光纜、光通信模式選擇、光信號發送與接收等技術, 提出了適宜于魚雷光纖線導光傳輸的最佳模式。經工程實踐驗證, 該技術可以顯著提高魚雷光纖通信能力。

魚雷; 光纖線導; 光傳輸; 制導光纜; 光信號

0 引言

光纖傳輸技術的發展為魚雷的遠程導引提供了廣闊的應用前景, 采用光纖導線后, 魚雷的通信速率和可靠性得到了提高, 作戰距離增加, 目標識別能力增強, 且不受海水環境和艦艇電磁環境的干擾[1]。將魚雷的聲導引頭與光纖制導技術相結合, 制導光纜能夠將導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技術[2]。各國在魚雷光纖線導技術研究過程中非常重視制導光纜、高可靠的光信號、單纖雙向傳輸技術和提高系統傳輸能力等方面的研究。光纖傳輸技術中不斷提高傳輸距離與信息的傳輸速率, 成為各國競相發展的魚雷專項技術。隨著光纖和光通信新技術的發展, 也為提高魚雷光纖線導技術的能力提供了新的技術途徑[3]。

制導光纜體積小、重量輕, 易于魚雷大量攜帶, 適于高速、遠程攻擊目標, 符合現代魚雷的作戰要求。魚雷線導技術是在制導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光纜中實現光信息的雙向高速、遠程傳輸是光纖線導技術中需要解決的核心問題, 是提高光纖線導傳輸速率、增加傳輸距離和提高信息傳輸可靠性的關鍵技術, 該研究涉及低動態損耗制導光纜、光通信模式選擇和光信號發送與接收技術。本文研究經工程實踐驗證, 具有良好的應用效果。

1 低動態損耗制導光纜的應用

1.1 技術要求

光纖線導技術利用光纖來傳輸魚雷與發控平臺之間的遙控、遙測信息, 高強度制導光纜是光纖線導系統最基本、最關鍵的器件。光纖線導雙向傳輸系統可以看作是一種特殊的光纖通信系統, 其中用于信息傳輸的通道稱之為信道。

光纖線導技術的特點是, 魚雷在水下航行過程中與發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, 出現大量的傳輸誤碼, 甚至引起傳輸系統崩潰。而在制導光纜從雷上線團和艇上線團中快速剝離時往往會產生微小的彎曲, 這些微彎常使普通光纖出現傳輸損耗的大幅增加, 光纖的抗微彎性能是制導光纜研制中的關鍵技術。

制導光纜在高速釋放過程中, 受到魚雷安裝空間和質量要求的限制, 需要承受較大的外載荷。同時, 隨著魚雷航程的不斷增大, 制導光纜的無接續制造長度也越來越長。此外, 魚雷的使用環境要求制導光纜具有較好的環境適應能力。因此, 理想的制導光纜應該具有抗拉強度高、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, 其核心是要實現低動態損耗光信號傳輸[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點, 單模光纖的發展為魚雷光纖線導技術提供了可能, 魚雷制導光纜的不斷改進與單模光纖的發展密不可分。單模光纖按照國際電信聯盟(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]。

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

1.2 技術發展過程及其主要性能指標

受到光纖抗微彎性能的限制, 早期制導光纜存在較大的動態損耗, 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異的1 550 nm波長, 使得光纖線導系統的傳輸距離受到了影響, 成為制約提高光纖線導系統傳輸距離的瓶頸。隨著光纖制造技術的不斷發展, 魚雷用制導光纜的結構和成纜方式也在不斷改進, 從而最終使得光纖線導技術走向工程應用。

在早期光纖線導技術研究中, 由于光纖微彎條件下損耗增加明顯, 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, 直接采用應用范圍最廣的G.652光纖往往無法滿足魚雷光纖線導系統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會使整個傳輸系統崩潰, 為此用于魚雷制導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傳輸距離的提高, 通常在魚雷與發射平臺之間的傳輸距離小于80 km。

目前, 隨著抗微彎性能優異的光纖制造技術逐漸成熟, 低動態損耗制導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, 使遠程光纖線導技術采用低本征損耗的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, 能夠將光纖線導系統的傳輸距離提高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

由于魚雷的工作環境特殊, 海水的腐蝕性強, 外壓力以及放線張力都較大, 不經過特殊處理的光纖在這種環境下根本無法有效工作。因此, 光纖制導魚雷需要采用光纜, 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。

在光纖技術逐漸滿足魚雷光信息傳輸的同時, 魚雷制導光纜的結構和形式也在不斷的改進。目前用于魚雷制導光纜的結構形式主要有3種: 芳綸編織型、聚合物材料擠塑型和芳綸復合增強型, 各種結構形式的魚雷制導光纜見圖1, 加強層根據增強材料的不同, 形成不同的結構, 其成纜方式也相差較大。

圖1 魚雷制導光纜結構圖

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

各種制導光纜各有利弊, 但在整體技術指標和性能要求上基本相同, 均需在成纜過程中對成纜應力、抗拉強度、耐腐蝕性能、結構完整性、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

魚雷光纖線導技術用于魚雷航行過程傳遞魚雷與發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控平臺之間信息傳輸速率提供了可能, 為了實現兩者之間信息的高效傳輸, 魚雷光纖線導技術通常采用全雙工通信方式。

在單根光纖中實現全雙工通信, 魚雷光纖線導系統通常采用光波分復用(wavelength division multiplexing, WDM)方式, 其技術本質是在一根光纖中同時傳輸多個不同波長光載波的技術。WDM技術按照復用的波長間隔不同分為3類: 寬波分復用(wide WDM, WWDM)、密集波分復用(dence WDM, DWDM)和粗波分復用(coarse WDM, CWDM)。WWDM指僅采用1 310 nm和 1 550 nm波長2個窗口的復用, 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]。

魚雷光纖線導系統中, 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損耗相差較大, 在保證相同傳輸距離和傳輸品質條件下, 傳輸系統兩端的光端機設計差異較大, 很難將2個通道各自的優勢發揮出來。DWDM方式雖然能夠實現大容量、多通道的信息傳輸, 但是其對光發射機波長穩定控制、波分復用器品質控制等方面要求及其嚴格, 光纖的非線性效應和魚雷苛刻的使用環境均對光端機的設計帶來很大難度。CWDM技術波長間隔易于光端機設計實現, 同時在相鄰波長范圍內魚雷制導光纜的信道特性接近, 采用較為通用的光器件就可實現遠程、大容量的雙向信息交換, 具有較好的環境適應性, 同時還具有一定的信道擴展能力, 是魚雷光纖線導系統較為適宜的光通信模式。

為降低光有源器件(光發射機和光接收機)和光無源器件(波分復用器)的使用成本, 光纖線導系統可按照國家通信行業標準規定的粗波分復用系統采用的通用波長, 該規定從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、環境適應和器件成本的基礎上, 在設計中可以間隔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, 為了統一雷上光端機和艇上光端機的設計, 宜采用相同的傳輸速率, 2個光端機的設計保持一致, 除光發射機外其他器件均可通用, 適于批量生產。

隨著魚雷與發控平臺之間信息融合技術的不斷發展, 對于未來可能出現的雷上大量原始數據信息向發控平臺回傳的要求, 光纖傳輸系統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雷上高速信息的回傳, 實現框圖見圖2。波長1為傳統遙測信息數據傳輸通道, 波長2為遙控信息傳輸通道, 波長3為高速數據專用通道。

圖2 光纖通信模式框圖

3 光信號發送與接收技術

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信道上所能傳輸的最大信息量, 信道帶寬則是信息通路上每個傳輸介質或設備應具有的最低信號帶寬要求。在光纖雙向傳輸系統中, 光纖的信道帶寬可達數千赫茲, 而光接收機部分的信道帶寬則受到動態范圍、靈敏度和信噪比等幾個重要的關聯指標的影響, 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射功率, 也可以通過減少信道帶寬增加信號發射功率來實現。實現光信號的發送與接收的核心器件包括光發射機、光接收機和光波分復用器。在光發射機、光纖和光接收機之間可以通過提高光發射機的發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范圍及高靈敏度, 又能實現信道帶寬的降低并有助于實現遠距離傳輸。

光纖線導傳輸距離需要與魚雷的航行距離相匹配, 魚雷與發控平臺間的信息速率與其交互的信息內容相關, 傳統魚雷遙測信息量少, 遙測通道可以把雷上的主要航行信息和探測信息發送至發控平臺, 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, 可降低光發射機的發射功率, 提高光接收機接收靈敏度, 易于光端機的設計實現, 提高傳輸可靠性, 同時降低功耗、延長光發射機壽命、創造良好的環境適應性并減少光纖非線性效應影響。

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先選用低帶寬光接收機, 即在滿足傳輸速率的條件下優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系。

表2 帶寬和接收靈敏度對應關系

如果遙測通道傳輸雷上大量原始數據信息, 那就需大幅提升光纖傳輸速率, 并且需要在光發射機和光接收機設計上采取相應控制措施, 光纖線導傳輸系統還需考慮光纖的色散、偏振和非線性效應的影響。光發射機和光接收機的優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的技術關鍵。

隨著光纖放大器技術的發展, 為光纖無中繼傳輸距離的提高提供了技術途徑。光纖通信中光接收機的作用就是將經過光纖傳輸后衰減變形的微弱光脈沖信號通過光-電轉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字脈沖信號。光接收機的優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合前置放大器噪聲產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, 又大大簡化了系統設計、降低了系統成本, 同時還提高了傳輸系統的可靠性。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系統中使用, 其最大增益可以達到30～40 dB[7]。

魚雷光纖線導采用CWDM技術時, 光發射機中心波長和光波分復用器的性能要在全工作溫度范圍內相匹配, 否則將造成光功率的大幅損失。為使光發射機滿足魚雷的使用環境要求, 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中心波長漂移在光波分復用器的通帶范圍內。

4 結束語

隨著光纖通信技術的發展, 光纖制造技術、光有源和無源器件性能的提升, 結合魚雷光纖線導系統的特點, 采用這些新技術將使魚雷光纖線導信息傳輸能力不斷提高, 以適應魚雷遠程大容量數據傳輸的要求。本文對魚雷光纖線導信息傳輸技術進行了研究, 分析了制導光纜、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途徑。這些技術措施經過工程驗證, 可顯著提高光纖線導系統傳輸性能。

[1] 沈明學, 崔維成, 徐玉如, 等. 微細光纜的水下應用研究綜述[J]. 船舶力學, 2008, 12(1): 146-156.

Shen Ming-xue, Cui Wei-cheng, Xu Yu-ru, et al. Overview of Underwater Applications of Fiber Optical Micro Cable[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(1): 146-156.

[2] Black Shark. Jane′s Underwater Warfare Systems[M].Janes Information Group, 2009.

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[4] Jane′s Naval Weapon Systems[M]. Janes Information Group, 2008: 61-62.

[5] 曹自強. 光纖制導技術及其應用[J]. 光子學報, 2007, 36 (s1): 53-55.

[6] 胡先志, 李永紅, 胡佳妮, 等. 粗波分復用技術及其工程應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

[7] 胡先志. 光纖通信有/無源器件工作原理及其工程應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

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過程質量監督.

(責任編輯: 楊力軍)