鱼雷光纤线导光传输技术研究

刘雪辰, 胡 鹏, 赵 岩



鱼雷光纤线导光传输技术研究

刘雪辰1, 胡 鹏2, 赵 岩3

(1. 海军装备部驻西安地区军事代表局, 陕西 西安, 710054; 2. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075; 3. 南海舰队装备部, 广东 湛江, 524001)

在高速布放的单芯制导光缆中实现光信息的双向高速和远程传输是提高光纤线导传输速率、增加传输距离和提高信息传输可靠性的关键。基于此, 结合鱼雷光纤线导系统特点, 详细分析了低动态损耗制导光缆、光通信模式选择、光信号发送与接收等技术, 提出了适宜于鱼雷光纤线导光传输的最佳模式。经工程实践验证, 该技术可以显著提高鱼雷光纤通信能力。

鱼雷; 光纤线导; 光传输; 制导光缆; 光信号

0 引言

光纤传输技术的发展为鱼雷的远程导引提供了广阔的应用前景, 采用光纤导线后, 鱼雷的通信速率和可靠性得到了提高, 作战距离增加, 目标识别能力增强, 且不受海水环境和舰艇电磁环境的干扰[1]。将鱼雷的声导引头与光纤制导技术相结合, 制导光缆能够将导引头采集到的目标及场景传回舰艇, 并将舰艇的控制指令与目标信息传输给鱼雷, 最终将鱼雷导向目标附近实施攻击, 这样不仅增大了有效射程, 而且可保证极高的命中率, 增强了反对抗能力。

20世纪70年代以来, 美国、法国、瑞典、德国及意大利先后开展了光纤制导鱼雷的研究工作, 90年代中后期, 德国DM2A3/A4及出口型“海鳕”、瑞典TP2000和意大利“黑鲨”光纤制导鱼雷相继装备部队使用, 这些国家目前正在研制的最先进重型鱼雷上均采用了光纤线导技术[2]。各国在鱼雷光纤线导技术研究过程中非常重视制导光缆、高可靠的光信号、单纤双向传输技术和提高系统传输能力等方面的研究。光纤传输技术中不断提高传输距离与信息的传输速率, 成为各国竞相发展的鱼雷专项技术。随着光纤和光通信新技术的发展, 也为提高鱼雷光纤线导技术的能力提供了新的技术途径[3]。

制导光缆体积小、重量轻, 易于鱼雷大量携带, 适于高速、远程攻击目标, 符合现代鱼雷的作战要求。鱼雷线导技术是在制导光缆高速布放的过程中进行大容量的信息传输, 具有无中继传输距离长, 传输信道衰减波动大的特点。在高速布放的单芯制导光缆中实现光信息的双向高速、远程传输是光纤线导技术中需要解决的核心问题, 是提高光纤线导传输速率、增加传输距离和提高信息传输可靠性的关键技术, 该研究涉及低动态损耗制导光缆、光通信模式选择和光信号发送与接收技术。本文研究经工程实践验证, 具有良好的应用效果。

1 低动态损耗制导光缆的应用

1.1 技术要求

光纤线导技术利用光纤来传输鱼雷与发控平台之间的遥控、遥测信息, 高强度制导光缆是光纤线导系统最基本、最关键的器件。光纤线导双向传输系统可以看作是一种特殊的光纤通信系统, 其中用于信息传输的通道称之为信道。

光纤线导技术的特点是, 鱼雷在水下航行过程中与发控平台进行信息交换, 鱼雷携带的光纤线团承受外部水压, 并在制导光缆释放过程中保持信息传输, 这就要求光纤线团在此过程中具有相对稳定的传输信道衰减变化, 否则将会使鱼雷在航行过程中, 出现大量的传输误码, 甚至引起传输系统崩溃。而在制导光缆从雷上线团和艇上线团中快速剥离时往往会产生微小的弯曲, 这些微弯常使普通光纤出现传输损耗的大幅增加, 光纤的抗微弯性能是制导光缆研制中的关键技术。

制导光缆在高速释放过程中, 受到鱼雷安装空间和质量要求的限制, 需要承受较大的外载荷。同时, 随着鱼雷航程的不断增大, 制导光缆的无接续制造长度也越来越长。此外, 鱼雷的使用环境要求制导光缆具有较好的环境适应能力。因此, 理想的制导光缆应该具有抗拉强度高、单根长度长、损耗低、抗疲劳、存储期长和抗微弯性能好等特点, 其核心是要实现低动态损耗光信号传输[3,4]。

目前使用的光纤可分为单模光纤和多模光纤,单模光纤具有衰减小、频带宽、容量大、成本低并易于扩展等优点, 单模光纤的发展为鱼雷光纤线导技术提供了可能, 鱼雷制导光缆的不断改进与单模光纤的发展密不可分。单模光纤按照国际电信联盟(ITU-T)的分类, 有非色散位移单模光纤(G.652)、色散位移单模光纤(G.653)、截止波长位移单模光纤(G.654)、非零色散位移单模光纤(G.655)、宽带光传输用非零色散位移单模光纤(G.656)和弯曲不敏感的单模光纤(G.657)等类型。其中G.652和G.655是目前光纤通信工程中使用最广泛的单模光纤[5]。

根据鱼雷制导光缆的使用特点, 降低动态损耗是选择合适的光纤类型的主要依据, 其核心是要求光纤具有良好的弯曲损耗不敏感性。

1.2 技术发展过程及其主要性能指标

受到光纤抗微弯性能的限制, 早期制导光缆存在较大的动态损耗, 由此限制了光信号传输模式的选择, 由于光纤在1 550 nm波长上比1 310 nm波长上微弯损耗大, 造成在长距离传输上往往无法使用传输性能更加优异的1 550 nm波长, 使得光纤线导系统的传输距离受到了影响, 成为制约提高光纤线导系统传输距离的瓶颈。随着光纤制造技术的不断发展, 鱼雷用制导光缆的结构和成缆方式也在不断改进, 从而最终使得光纤线导技术走向工程应用。

在早期光纤线导技术研究中, 由于光纤微弯条件下损耗增加明显, 为了保持遥控、遥测信息传输时信道特性一致, 降低光端机设计难度, 减少传输误码率, 往往只能选择微弯损耗相对较低的1 310 nm波长作为鱼雷信息传输波长, 即使如此还需对光纤作进一步的筛选, 直接采用应用范围最广的G.652光纤往往无法满足鱼雷光纤线导系统的光纤损耗控制要求。在光纤线团绕制完成后, 由于线团绕制增加的损耗已经会使整个传输系统崩溃, 为此用于鱼雷制导光缆的光纤一般选择模场直径相对较小, 具有一定抗弯曲性能的光纤, 且选择1310 nm传输波长。由于1310 nm波长光纤本征损耗较大, 从而限制了鱼雷光纤线导传输距离的提高, 通常在鱼雷与发射平台之间的传输距离小于80 km。

目前, 随着抗微弯性能优异的光纤制造技术逐渐成熟, 低动态损耗制导光缆的制造和光纤远程传输成为可能。2006年推出的G.657B光纤的突出特点是弯曲损耗小, 使远程光纤线导技术采用低本征损耗的1 550 nm波长进行信息传输成为可能, 甚至可以采用波长更长的1625 nm窗口, 能够将光纤线导系统的传输距离提高60%以上。

目前抗微弯性能更好的G.657C光纤也处于研究中, 但是在很好地解决了光纤的抗微弯性能后, 降低光纤传输本征损耗是其进一步提高无中继传输距离的核心问题, 因此在今后鱼雷制导光缆的选择上要均衡考虑本征损耗和微弯损耗的平衡。G.657B光纤的主要性能见表1[1]。

表1 G.657B光纤主要性能指标

由于鱼雷的工作环境特殊, 海水的腐蚀性强, 外压力以及放线张力都较大, 不经过特殊处理的光纤在这种环境下根本无法有效工作。因此, 光纤制导鱼雷需要采用光缆, 也就是在单芯光纤的周围增加一些用来增加机械强度或改善其他性能的附件和加强件, 并在外围再增加保护层。

在光纤技术逐渐满足鱼雷光信息传输的同时, 鱼雷制导光缆的结构和形式也在不断的改进。目前用于鱼雷制导光缆的结构形式主要有3种: 芳纶编织型、聚合物材料挤塑型和芳纶复合增强型, 各种结构形式的鱼雷制导光缆见图1, 加强层根据增强材料的不同, 形成不同的结构, 其成缆方式也相差较大。

图1 鱼雷制导光缆结构图

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

各种制导光缆各有利弊, 但在整体技术指标和性能要求上基本相同, 均需在成缆过程中对成缆应力、抗拉强度、耐腐蚀性能、结构完整性、温度特性和附加损耗性能进行合理控制。

2 光通信模式的选择

鱼雷光纤线导技术用于鱼雷航行过程传递鱼雷与发控平台之间的交互信息, 光纤的大容量、高速传输能力为提高鱼雷与发控平台之间信息传输速率提供了可能, 为了实现两者之间信息的高效传输, 鱼雷光纤线导技术通常采用全双工通信方式。

在单根光纤中实现全双工通信, 鱼雷光纤线导系统通常采用光波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)方式, 其技术本质是在一根光纤中同时传输多个不同波长光载波的技术。WDM技术按照复用的波长间隔不同分为3类: 宽波分复用(wide WDM, WWDM)、密集波分复用(dence WDM, DWDM)和粗波分复用(coarse WDM, CWDM)。WWDM指仅采用1 310 nm和 1 550 nm波长2个窗口的复用, DWDM指波长间隔小于2 nm的使用方式, CWDM指波长间隔为20 nm的使用方式[6]。

鱼雷光纤线导系统中, WWDM由于1 310 nm和1 550 nm波长上光纤传输信道的本征损耗和动态损耗相差较大, 在保证相同传输距离和传输品质条件下, 传输系统两端的光端机设计差异较大, 很难将2个通道各自的优势发挥出来。DWDM方式虽然能够实现大容量、多通道的信息传输, 但是其对光发射机波长稳定控制、波分复用器品质控制等方面要求及其严格, 光纤的非线性效应和鱼雷苛刻的使用环境均对光端机的设计带来很大难度。CWDM技术波长间隔易于光端机设计实现, 同时在相邻波长范围内鱼雷制导光缆的信道特性接近, 采用较为通用的光器件就可实现远程、大容量的双向信息交换, 具有较好的环境适应性, 同时还具有一定的信道扩展能力, 是鱼雷光纤线导系统较为适宜的光通信模式。

为降低光有源器件(光发射机和光接收机)和光无源器件(波分复用器)的使用成本, 光纤线导系统可按照国家通信行业标准规定的粗波分复用系统采用的通用波长, 该规定从1 271~ 1 611 nm共有18个通道波长可以使用。在综合考虑通用性、环境适应和器件成本的基础上, 在设计中可以间隔20 nm, 也可以间隔40 nm[6]。在通用遥控、遥测信息传输中, 选择2个波长进行传输, 为了统一雷上光端机和艇上光端机的设计, 宜采用相同的传输速率, 2个光端机的设计保持一致, 除光发射机外其他器件均可通用, 适于批量生产。

随着鱼雷与发控平台之间信息融合技术的不断发展, 对于未来可能出现的雷上大量原始数据信息向发控平台回传的要求, 光纤传输系统可在保留原传输模式的条件下, 增加一路专用光传输通道实现雷上高速信息的回传, 实现框图见图2。波长1为传统遥测信息数据传输通道, 波长2为遥控信息传输通道, 波长3为高速数据专用通道。

图2 光纤通信模式框图

3 光信号发送与接收技术

衡量信道传输能力的重要指标是信道容量和信道带宽等。信道容量指的是单位时间内信道上所能传输的最大信息量, 信道带宽则是信息通路上每个传输介质或设备应具有的最低信号带宽要求。在光纤双向传输系统中, 光纤的信道带宽可达数千赫兹, 而光接收机部分的信道带宽则受到动态范围、灵敏度和信噪比等几个重要的关联指标的影响, 为了确保一个给定信道所要求的信道容量, 既可以通过增加信道带宽减少发射功率, 也可以通过减少信道带宽增加信号发射功率来实现。实现光信号的发送与接收的核心器件包括光发射机、光接收机和光波分复用器。在光发射机、光纤和光接收机之间可以通过提高光发射机的发射功率和降低信道带宽来保证要求的信道容量。然而增加输入光功率的方法是不明智的, 因为这是以减小数字光纤通信的中继距离为代价的, 因此必须采取一切可行的有效措施, 既能保证在满足宽动态范围及高灵敏度, 又能实现信道带宽的降低并有助于实现远距离传输。

光纤线导传输距离需要与鱼雷的航行距离相匹配, 鱼雷与发控平台间的信息速率与其交互的信息内容相关, 传统鱼雷遥测信息量少, 遥测通道可以把雷上的主要航行信息和探测信息发送至发控平台, 在鱼雷的航行过程中即可知道鱼雷的全部航行和探测效果, 即使这样相对于光纤传输能力来说, 这些信息传输量也是较小的。在满足信息传输容量的要求下, 降低信道带宽, 可降低光发射机的发射功率, 提高光接收机接收灵敏度, 易于光端机的设计实现, 提高传输可靠性, 同时降低功耗、延长光发射机寿命、创造良好的环境适应性并减少光纤非线性效应影响。

由于相同接收灵敏度的高带宽光接收机的制造难度大于低带宽的光接收机, 因此在满足传输速率的条件下优先选用低带宽光接收机, 即在满足传输速率的条件下优先选用低带宽光接收机, 可以带来接收灵敏度高的益处。

表2为目前市场上通用的光接收机带宽与接收灵敏度关系。

表2 带宽和接收灵敏度对应关系

如果遥测通道传输雷上大量原始数据信息, 那就需大幅提升光纤传输速率, 并且需要在光发射机和光接收机设计上采取相应控制措施, 光纤线导传输系统还需考虑光纤的色散、偏振和非线性效应的影响。光发射机和光接收机的优选和增加光放大器成为未来超高速、大容量和长距离的光纤通信传输系统的技术关键。

随着光纤放大器技术的发展, 为光纤无中继传输距离的提高提供了技术途径。光纤通信中光接收机的作用就是将经过光纤传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光-电转换变换成电脉冲信号, 并将其放大、均衡与定时再生还原成标准的数字脉冲信号。光接收机的优化过程中尽可能提高接收灵敏度是自始至终的原则, 前置放大器电路并结合前置放大器噪声产生的机理在电路上采取切实有效的措施, 以降低其噪声, 从而获得接近于最大的输出信噪比, 达到尽可能高的接收灵敏度, 其中光接收机前置放大器设计成多级才能综合解决带宽和噪声之间的矛盾。

光放大器通过提高光信号发射光功率和补偿光纤线路中的传输损耗, 既延长了光纤线路无电中继的传输距离, 又大大简化了系统设计、降低了系统成本, 同时还提高了传输系统的可靠性。使用最广泛的主要是掺铒放大器和光纤拉曼放大器。光放大器的具体应用形式有4种: 后置放大器、在线放大器、前置放大器和补偿器件损耗放大器, 其中前置放大器安装在光接收机PIN管光检测器前面, 主要用于提高接收机灵敏度, 延长信号传输距离, 适合在鱼雷光纤线导系统中使用, 其最大增益可以达到30～40 dB[7]。

鱼雷光纤线导采用CWDM技术时, 光发射机中心波长和光波分复用器的性能要在全工作温度范围内相匹配, 否则将造成光功率的大幅损失。为使光发射机满足鱼雷的使用环境要求, 往往需要采用自动温度控制和自动功率控制电路,使其在全温度工作范围内中心波长漂移在光波分复用器的通带范围内。

4 结束语

随着光纤通信技术的发展, 光纤制造技术、光有源和无源器件性能的提升, 结合鱼雷光纤线导系统的特点, 采用这些新技术将使鱼雷光纤线导信息传输能力不断提高, 以适应鱼雷远程大容量数据传输的要求。本文对鱼雷光纤线导信息传输技术进行了研究, 分析了制导光缆、光信号传输模式和处理方式, 对鱼雷光纤通信能力的提升提出了有效实现途径。这些技术措施经过工程验证, 可显著提高光纤线导系统传输性能。

[1] 沈明学, 崔维成, 徐玉如, 等. 微细光缆的水下应用研究综述[J]. 船舶力学, 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.

[3] Black Shark. Jane′s Underwater Warfare Systems: Seehecht (DM2A4)/Seahake Mod4[M]. Janes Information Group: 2008.

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

[5] 曹自强. 光纤制导技术及其应用[J]. 光子学报, 2007, 36 (s1): 53-55.

[6] 胡先志, 李永红, 胡佳妮, 等. 粗波分复用技术及其工程应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005.

[7] 胡先志. 光纤通信有/无源器件工作原理及其工程应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 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.

刘雪辰(1980-), 女, 工程师, 主要研究方向为鱼雷研制及生产过程质量监督.

(责任编辑: 杨力军)