光纤制导技术的发展与应用研究

李 辉，许葆华，李永军，李洪儒

(军械工程学院 导弹工程系，石家庄050003)



光纤制导技术的发展与应用研究

李 辉，许葆华，李永军，李洪儒

(军械工程学院 导弹工程系，石家庄050003)

分析了光纤制导反坦克导弹的独特作战能力，重点研究了光纤制导的关键技术，展望了未来的技术发展趋势和可能的应用领域。

光纤制导；导弹

0 引言

光纤制导技术是指综合运用成像探测、图像跟踪、特种光纤传输等关键技术，具有独特作战能力和广泛军事应用场景的新型制导技术。将光纤应用于制导武器的想法最早出现在20世纪70年代，美国首先提出用光纤替代金属电缆，传递制导站与导弹之间的信息。光纤制导导弹最有名的研究项目有美国的EFOG-M(“增强型光纤制导导弹”)和德、法、意合作的POLYPHEM(“独眼巨人”)导弹，但由于多方面的原因都处于停滞状态或已经下马[1]。目前已研制成功并装备部队的光纤制导导弹有日本的96式“重马特”导弹，以及以色列“长钉”系列导弹中的LR和ER型。

1 光纤制导反坦克导弹作战能力分析

军事需求始终是新技术的强劲牵引力，光纤制导技术之所以受到各国重视，多年来持续不断地进行研究开发，原因就在于其赋予了制导武器许多全新的作战能力，或至少大幅度提升了某方面的作战能力。下面仅以炮兵反坦克导弹为例，分析光纤制导技术对制导武器作战能力的巨大贡献。

1.1 超视距攻击能力

非接触作战、超视距攻击能力始终是最重要的军事能力之一。光纤制导武器出现之前，第一、第二代反坦克导弹均采用直接瞄准、三点法导引和指令制导体制，要求制导站和目标之间必须具备光学通视条件，这大大限制了导弹的射程。从世界范围看，该类反坦克导弹的最大射程不大于5km，受地形和气象等条件限制，实际射程往往远小于最大射程指标。第三代反坦克导弹改用图像寻的制导体制，具备“发射后不管”能力，但前提是发射前锁定目标，因此最大射程也很有限，例如美国的“标枪”导弹射程只有2.5km。光纤制导武器则一方面利用导弹上的导引头获取目标图像，并通过光纤传送给射手，供射手观察；另一方面射手对目标的搜索、捕获、识别、锁定和跟踪等指令，又可通过光纤反向传回导弹，实现有效控制。因此，光纤导弹既可采用第三代反坦克导弹的作战样式，又可采用间接瞄准、发射后锁定目标的作战样式。对于后一种情况，导弹射程将不受光学视距的限制，目前列装水平可以达到10km，未来将可能达到30km甚至更远。

1.2 多用途能力

光纤制导反坦克导弹改用寻的制导后，机动能力提高了，因此在用途上，除可对付坦克等装甲目标、地面坚固工事目标之外，还是对付号称“树梢杀手”的武装直升机的利器。

1.3 高效毁伤能力

同样的原因，光纤制导导弹的弹道高度大幅度提高，可在地面上几十到几百米之间灵活选择，这样能够增大弹道末端的落角，以“顶攻”的方式摧毁坦克的薄弱部位，大大提高毁伤效能。

1.4 环境适应能力

一方面，抬高的弹道能提高可发射概率，以前那种借助地形地物隐蔽的战术，将变成徒劳；另一方面，“图像导引头+光纤”的模式，在信息获取和传输阶段均难以实施干扰，部分图像导引头还具有昼夜工作能力，因此光纤制导导弹具有良好的环境适应能力。

1.5 “人在回路”能力

目标自动识别技术至今仍是世界范围内的技术难题，尤其对地面目标。光纤制导则开辟了另一种解决途径，那就是利用光纤的大容量双向数据传输，由射手操纵导引头搜索目标，由射手从图像中识别目标。这种“人在回路”能力，无疑抗干扰能力最好，制导精度最高。同时，战场是瞬息万变的，“人在回路”还使得光纤导弹具有发射后更改攻击目标的能力，而这在以前是不可能做到的。

1.6 作战评估能力

作战评估是信息化条件下作战的核心能力。由于光纤的存在，从发射到命中的过程，导引头的视频信息都会反映到发射制导车上，是否命中，命中目标的什么部位都将一目了然。

2 光纤制导的关键技术

相对于传统的有线信息传输介质，如双绞线、同轴电缆等，光纤具有信息传输容量大、传输损耗低、直径小、重量轻、无电磁感应、易弯曲、耐水耐火等独特技术性能。但用于制导的光纤还必须满足一些特殊技术要求，概括起来主要有：抗拉强度要高；单根光纤直径小、长度长；传输损耗低，尤其是弯曲导致的损耗要低；抗疲劳性能好，贮存寿命长等。为满足这些特殊要求，制导用光纤必须在制造、缠绕、释放、储存等方面采用一系列特殊的技术和工艺。

2.1 设计与制造技术

抗拉强度和直径是体现光纤制造技术先进与否的关键指标。制导光纤由高脆性和低韧性的玻璃制成，其强度主要取决于制造技术和工艺。光纤制造过程中不可避免地存在一些缺陷，如微裂纹、杂质、气泡等，这些都会造成光纤强度的下降，但关键原因还是光纤表面的微裂纹，它会因为应力集中导致光纤强度大大下降。目前采用的先进制造技术，如优质粗长预制棒制作技术、光纤拉制优化技术、气密性涂覆技术、光纤被覆技术等，可以保证制导用光纤的强度要求。据报道，美国在20世纪90年代就达到了246kg/mm2的抗拉强度水平，完全能够满足光纤导弹的要求[2]。我国在“九五”期间也已经达到136kg/mm2的水平[3]。直径也是光纤的重要指标，尤其对于远射程的制导武器来说，更小的直径意味着更小的弹上光纤线包体积和重量。据报道，国外光纤直径只有200～300μm，重量只有142g/km[2]。

2.2 拼接、缠绕与释放技术

导弹对光纤拼接、缠绕与释放的技术要求主要有四个方面：拼接后光纤的抗拉强度、信号传输损耗等不变或变化很小；光纤线包整体结构牢固，所占体积最小；导弹飞行中光纤能高速顺利释放，不缠结、不松脱、不断线；光纤变形在允许范围之内，信号传输损耗不会因此大幅度增加。线包的可靠性高，能够有足够的贮存寿命。

目前生产的单根光纤的长度只有几公里，拼接的目的就是解决单根光纤长度有限与导弹射程要求之间的矛盾。在光纤线包方面，线包绕线轴形状可选圆柱体、圆盘体等，关键要确定其直径和长度，直径太大，会增大光纤线包的体积，太小则可能增大光纤信号的宏弯传输损耗；圆柱体长度太长则线包细长，太短则线包粗短，均需权衡考虑。线包形状则以纺锤形为宜，整体结构更加牢固，有利于顺利放线。在光纤缠绕方式上，研究表明可采用光纤在线轴上绕圈紧密排列缠绕的方式。当绕满第一层后，反向跨越适当匝数的线圈，在上层光纤的沟槽内紧密排列缠绕第二层，以此类推，最终形成纺锤形的线包。同层缠绕时排列的紧密和一致性十分重要，要避免出现匝间间隙过大或过小的缺陷；缠绕下一层时反向跨越的匝数以1.5～2.5匝为宜[4]，跨越过大则浪费体积，过小则线包整体结构不易牢固。光纤缠绕时还要保证合适的缠绕张力，张力过小，放线时容易整体松脱；张力过大，一是光纤可能陷入沟槽过深，放线时容易断线，二是会增大光纤的微弯变形，增加其微弯传输损耗，三是会增大光纤的静态疲劳，降低其可靠性和寿命。另外，因为光纤很光滑，在缠绕时需在其表面涂覆粘接剂，粘结剂的特性、用量和涂覆工艺是保证光纤平行密绕、线包的贮存稳定性和放线时不会局部松脱的关键之一。以上的技术和工艺都需要大量实验才能确定。

光纤放线时，通常采用放线与缠绕垂直的方式放线。该方式所谓的“剥落点”，即光纤由螺旋缠绕状到被轴向拉直的交点。在该点处存在一次半径较小的弯曲，这一方面会增加信号传输的微弯损耗，另一方面也是承受张力最大、最容易断线的地方。二是承受的最大张力还与放线速度有关，研究表明，“剥落点”处张力大小与光纤被拉出速度的平方成正比[5]。

2.3 双向信息传输技术

对于制导武器，光纤中一定存在双向的信息传输，一方面是导引头获取目标图像向制导站传输，另一方面是制导站对导弹的控制信息向弹上传输。从技术角度，这里的信息传输与其他通信应用是一致的，只是在具体技术指标上有特殊要求，如光信号的发射功率、传输带宽、动态范围、灵敏度和信噪比等。光纤制导传输系统为了解决传输中“串音”，一般采用双向耦合器的光域波分复用(WDM)技术来区分信息的传递方向，用电域的时分复用(TDM)技术来实现各路信息的传递。另外需要重点解决的问题是光纤的宏弯和微弯所导致的传输损耗要符合技术要求[6]。

2.4 成像导引头技术

能实时传输目标图像是光纤制导的重要特点，因此与光纤配套的一定有成像导引头。目前摄像机式导引头已经被淘汰；CCD成像电视导引头技术作为成熟技术，已广泛应用到制导武器中，但缺点是不能在夜间和不良气象条件下使用；焦平面阵列红外成像导引头则是当前的高新技术，只有少数先进国家掌握，在装备上也有较多成功应用，如上文提到的标枪、长钉等。

3 光纤制导的发展展望

3.1 技术发展展望

3.1.1 目标自动识别技术

目标自动识别技术始终是制导武器研究的热点，但同时也是研究的难点。由于地面背景复杂，所以针对地面目标的自动识别更是难上加难。未来的“智能”武器，目标自动识别技术将是必须攻克的关键技术；如果用到光纤导弹上，将不会再因人工识别目标的需要而限制导弹的飞行速度。

3.1.2 光纤技术

必须需要在光纤的制造、缠绕、释放等方面采用更先进的技术，以进一步提升光纤的技术性能。例如，已列装的光纤导弹仍然多次出现光纤断裂的严重事故，所以进一步提高其抗拉强度仍然是一个重要课题。为实现导弹射程的增大，光纤直径尺寸、弯曲损耗等指标的要求将进一步提高。为减小光纤承受的张力，也为减小弹上光纤线包的体积和质量，可以将弹上一端放线，改为弹上和制导站两端放线；甚至还可以采用万向支架结构改善放线角度[7]；也可将光纤绕线轴设计为可转动[2]；同样可以降低放线时光纤承受的张力。

3.1.3 导引头技术

未来毫米波雷达成像导引头将是重要的发展方向，原因是它既有接近微波雷达的全天候能力，又有红外成像探测器的高分辨率和高精度。

3.2 应用领域展望

鉴于对武器作战能力的巨大贡献，除了上文所提到的炮兵反坦克导弹外，光纤制导技术完全可能应用到广泛的军事领域。例如：①航空兵的空地导弹或炸弹，与炮兵反坦克导弹相比，武器平台的机动能力大大提高，其他特性则类似。②空舰或舰舰导弹，优点是可以根据图像选择目标的要害部位进行攻击，进一步提高毁伤效能。③光纤制导鱼雷(FOG-T)，欧洲多国已经成功研制TP200等多款先进的光纤制导鱼雷[8]。④光纤制导潜空导弹，第一次使潜艇具备了潜航状态下主动反击其天敌——反潜飞机的能力，“独眼巨人”的潜射型即是最典型代表[9]。⑤光纤制导无人水下航行器，是当前研究的热点之一，有的已经研制成功[5]。⑥光纤制导诱饵，用于向敌方发送虚假信息，目前西方国家已有多款实装。⑦光纤地面遥控战车等。

4 结束语

光纤制导技术为制导武器的发展提供了一种全新的模式，目前还存在飞行速度比较慢、制导距离不够远、对时间敏感目标攻击困难等缺点，例如导弹飞行速度还不能超过200m/s，制导距离还在10km以下，还只能攻击低速运动目标等。但展望未来，该技术的研究前景是光明的，以上的技术缺点完全可能克服，必将在未来的制导武器家族和战争中扮演重要角色，其应用前景将十分广阔。

[1] 岳松堂，张更宇.远程光纤制导导弹会“偃旗息鼓”吗[J].现代军事，2004，11：37-39.

[2] 谭显裕.光纤制导导弹的发展与应用概况[J].光电子技术与信息，2000，02：8-14.

[3] 蔡春平，高秀敏.制导光纤强度的依赖关系[J].应用光学，2003，11：21-26.

[4] 康葳蕤，马保吉，陈瑞宁.光纤精密缠绕的缺陷及其原因分析[J].弹箭与制导学报，2005，08：246-249.

[5] 吴静，商海英，韦正世.光纤制导技术及器件的发展[J].光纤与光缆及其应用技术，2006，04：7-11.

[6] 成煜，雷道玉，汪庆样，张强，杨伟民.光纤制导用抗弯光纤的研究[J].鱼雷技术，2006，04：26-28.

[7] 丁庞明.多方向放线光纤导线储线装置[J].鱼雷技术，1998，02：44-47.

[8] 吴和声，徐杏钦，夏冰峰.水中蛟龙展英姿-现代鱼雷武器的发展[J].现代军事，2004，06：34-36.

[9] 周军.使潜艇反败为胜的光纤制导导弹[J].飞航导弹，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。

李辉(1972 - )，男，副教授，研究领域为导航、制导与控制。

E-mail：jxgcxylihui@sina.com

TN818

A

2095-8110(2015)05-0005-04