秦叔敏,田兴科,王 伟
(中国北方车辆研究所,北京 100072)
光纤在遥控武器站火控系统中的应用
秦叔敏,田兴科,王 伟
(中国北方车辆研究所,北京 100072)
通过对光纤及光纤通讯关键技术和设备的介绍,提出在遥控武器站火控系统中利用光纤传输方式实现系统高速、高带宽视频、总线、IO信号的传输方式。通过光电转换单元的模块化设计,与系统部件有效集成,减少部件数量,优化系统网络。基于CPLD技术的电路设计,有效减小电路板尺寸,缩短设计周期,提高工作可靠性。设计紧凑、合理的光纤旋转连接器及光纤链路形式,有效保证链路的插入损耗,高质量完成信息传输。运用时分复用/解复用技术拓展传输带宽,为系统的升级和扩展预留了充分的空间。结合工程实际提出光纤通讯目前存在的主要问题并给出相应的解决方案。
火控系统,光纤,信道,遥控武器站
信息化条件下,武器装备要采集自身配置的多种传感器数据,同时要实时接收车内、车际以及上级作战指挥系统的战场态势信息和指挥信息,这对系统的信道和通信容量提出了巨大的挑战,能否成功接收并迅速处置各种信息成为衡量系统技术水平、提高战斗力和战场生存能力的重要指标。光纤及光纤通讯技术在诸多民用领域都广泛应用并取得了良好的效果,随着各种关键技术的日臻完善,光纤通讯技术逐渐被应用到陆军武器装备中。本文通过对光纤通讯的相关知识的介绍,系统阐述了光纤通讯技术在某遥控武器站中应用的成功案例。
按照传输点模式分类,光纤分为单模和多模两种。单模光纤的纤芯直径很小,在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大;多模光纤是在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输,相对于单模光纤,多模光纤的传输性能较差。
按照折射率分布方式分类,光纤分为跳变式和渐变式。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面,折射率呈现阶梯型变化;渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按照一定的规律减小,在纤芯和保护层交界处减小为保护层的折射率,纤芯的折射率变化近似于抛物线。
光互连的优越性:①有极高的空间和时间的带宽积;②抗干扰能力大幅度提升;③互联数大,互联密度高;④无触点方式互联提高可靠性及互联密度;⑤等程性能良好;⑥大幅降低系统功耗。
在很多军事装备中需要完成相对静止部分到转动部分的连续信号传输,电旋转连接器完成普通电信号的传输,光纤旋转连接器完成光信号的传输。光纤旋转连接器根据组成分为单纯光纤和光电混合两种类型,每种类型又包括有源光纤旋转连接器和无源光纤旋转连接器。有源旋转连接器上包含光电转换模块,在体积和抗干扰能力方面要逊色于无源旋转连接器[1]。
单通道光纤旋转连接器通过精密机械机构保证两根光纤直接耦合或通过光学辅助器件完成光纤的耦合,具有结构紧凑,插入损耗低的优点,同时带来传输可靠性低、加工制作工艺要求高、不满足双向传输、光信号数量和种类有限等缺点。
多通道光纤旋转连接器解决不同光信号同时传输和双向传输的问题。通过对称结构光学机构、dove棱镜机构、菲涅耳透镜结构等方式实现,具有传输信道宽、能够双向传输等优点,同时具有辅助光学机构复杂、成本高昂、插入损耗高等缺点。
对光纤旋转连接器必须力争极低的插入损耗,很高的串扰特性,不能存在传输盲点。资料显示对光纤旋转连接器的测试双通道旋转连接器总插入损耗2 dB,国内现有的加工及装配精度产生的机械误差损耗<0.5 dB[2]。单路光纤旋转连接器单模光纤的插入损耗≤4dB,多模光纤的插入损耗≤2dB;多路光纤旋转连接器单模光纤的插入损耗≤6dB,多模光纤的插入损耗≤4dB。
光电转换单元是在一端将高精度数字化后的视频信号、音频信号、IO信号并串转换成高速数字信号流,通过时分复用或波分复用技术通过信道容量大的光发射模块发射出去,在另外一端接收、解复用、串并转换成原始数字化信息流,在通过DA转换或其他方式恢复信号源的格式,为系统所用。波分复用技术就是把不同种类的信号转变为不同波长的光信号,经过波分复用技术和波到一根光纤,经过旋转连接器后在经过波分复用技术还原信号[3]。
遥控武器站目前在世界各国军队都得到广泛的装备和应用。不同于传统装备的信息获取形式,遥控武器站为了更好地保护乘员安全,提高战斗力和战场生存能力,射手远离武器在承载车辆内部布置,通过安装在武器站顶部的视频采集传感器采集战场视频,经旋转连接器传输到车体内部,在射手显示操作终端上进行显示。为了提高射手的临场感,降低视觉疲劳,就要采用彩色高清摄像机来提高视频的分辨率和显示帧频,因此,必然带来视频数据量的剧增。我国自行研制的某型遥控武器站采用光纤传输方案,实现了多种视频信息、总线信息和多路数字IO量的高速、实时传输,取得良好的效果。
4.1 总体方案
在本应用案例中,系统多种视频信息、总线信息及多路数字IO量需要经过旋转连接器从武器站旋转部分传输到车内进行数据处理及图像显示。系统为满足作战使用要求,图像传感器选用数字化高清摄像机,同时有多路模拟视频摄像机也进行视频传输。综合考虑传输带宽、实时性及图像的质量,将各种信息光电转换后通过光线旋转连接器进行传输。
4.2 光纤链路形式
图1 光纤链路形式
如图1所示,系统信号传输自上而下完成电光转换和光电转换,实现高速信号的实时传输。其中光电转换单元以板卡的形式安装于部件内,简化系统的网络形式,同时提高了可靠性。光电转换模块通过矩形板间光电混装连接器与其他板卡连接,在母线板上完成相关信号的调理和分配。部件采用标准型谱的光电混装圆形连接器而不是光纤单独走线,方便系统布线并提高光纤的可靠性、有利于光纤的维护及保养。
4.3 光电转换单元原理
图2 电光转换原理框图
电光转换原理框图如图2所示,设计中充分运用CPLD技术。模拟视频经过隔离滤波、AD转换处理后传送到CPLD,数字视频、总线、串行通讯等数字信号通过专用的物理接口芯片转换以及经过相应的信号调理后变成CPLD能够处理的电平信号进行调制处理,标准电平的数字IO量直接接到CPLD接口,CPLD将上述信号按照规定的时序、格式处理成高速并行数据流,通过并串转换电路转换成高速串行数据,经电光转换模块调制成两种不同波长的光信号在波分复用器处合成为一束光经光纤传输到旋转连接器下端,下端采用与上端相反的处理方式,最终在信息处理单元获取与数据源格式一致、实时性有保证、稳定可靠的视频、总线及数字IO量,完成系统的显示及操作控制。方案中采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现数字光电转换的设计,通过CPLD实现时钟分频、并串转换和通讯功能。不仅减小了电路体积同时降低电路硬件设计的复杂度,提高电路工作稳定性[4]。
4.4 实际应用情况
本系统方案经过实际工程设计、试验调试测试及行驶、射击等使用条件的考核,满足设计要求。光纤链路虽然存在较多的转接环节,经测试链路总插入损耗为7.1 dB,两路1 024×768分辨率的数字视频传输速度达到30帧/s,画面显示连续无滞后,模拟视频无明显噪声出现,串口、CAN总线工作稳定,测试误码率低于2×10-10。
5.1 存在的问题
5.1.1 光纤连接器的选择
军用条件下,普通的FC、ST等连接器在冲击、振动等方面难以满足要求,带螺纹或锁紧机构方能满足。同时插入损耗、回波损耗、环境温度、抗拉力等参数要综合考虑。
遥控武器站视频传输信号源为车外安装的综合光电传感器,其组成中含有精密光学机构,需要在内部充氮气等以防止光学器件的氧化,这样在壳体上安装的连接器需要气密性良好以防止气体泄漏。而目前光纤产品不满足连接器的玻璃烧结工艺要求,通过一定的技术途径降低泄漏率来保证其密封性。
5.1.2 光纤的高温操作
光纤的环境使用温度为-40℃~80℃,满足军标要求。但是光电混装连接器在成缆过程中要进行高温的焊接和外部防护套的热缩加工,高温作用时间稍长可能对光纤本身造成较大影响或导致损坏。因而光纤电缆加工过程中要充分注意操作工艺,降低工具的温度,缩短不必要的高温作用时间,确保光纤完好。
5.1.3 光纤旋转连接器的抗冲击振动特性
试验室环境下,光纤传输能够很好地满足要求。在军用条件下的车辆冲击、振动以及武器的射击冲击,都对光纤旋转连接器中有精密的光学机构及机械机构产生不容忽视的影响,振动的形变和位置偏差会直接影响传输质量,因而在系统设计和应用过程中要充分注意使用条件并针对性的提高设计水平。
5.1.4 光纤的机械强度
光纤的机械强度相对传统电缆有很大差异。φ3光纤的抗拉强度为90N,φ2光纤的抗拉强度为70N,φ0.9光纤对抗拉强度不做要求。军用环境恶劣,拉拽或者踩踏都会对光纤造成致命的损伤,单光纤线束很难满足使用要求,即使采用铠装形式的光纤也会存在一定的风险。
5.1.5 纤使用及维护
光纤连接对灰尘比较敏感,必须注意光纤插头座的防尘。可以用清洁的脱脂棉蘸无水酒精对光纤插针的端面轻轻擦拭干净。避免用手或不清洁的物品触碰或擦拭插针端面,以防止端面弄脏或擦伤,影响连接质量。
断开连接时,应该将设备接口的防尘帽和光纤插头的防尘帽戴上。
光纤组件应存放在没有酸、碱和其他有害气体侵蚀的库房里,并注意防潮、防尘、防鼠咬。
5.1.6 光纤链路的插入损耗
根据系统的结构形式,在光纤传输链路中有多级连接,每个环节都存在着必然的插入损耗,而累积的插入损耗值是必须要充分重视的参数。就光纤本身而言,多模50/125光纤在传输1 300 nm波长时候的损耗为0.8dB/km,多模62.5/125光纤在传输1 300 nm波长时候的损耗为1 dB/km,对于车载使用条件,光纤长度的损耗可以忽略不计。但是各个连接器环节的损耗就不能忽略,一般单光纤连接器的插入损耗≤1dB,多光纤或光电混装连接器的插入损耗会更大,甚至达到几个分贝。
光纤的弯曲会带来一定的辐射损耗,曲率半径越小,损耗越大,一般认为,曲率半径大于10 cm时,弯曲辐射损耗可以忽略[5]。在使用过程中,尽可能满足光纤的弯曲半径不小于直径的25倍。
5.2 本方案中的解决办法
本方案中,通过DOVE棱镜的方式实现光信号的传输,有效提高可靠性和抗冲击、振动特性。选择光电混装的圆形以及矩形连接器,光纤组件本身选用铠甲形式,与普通电缆混合走线,通过铠甲有效保护光纤的同时,提高光纤束的抗拉特性以及防止踩踏造成损伤,也可以有效保护成缆过程中高温对光纤的危害。光纤连接器都配备防尘盖,在电缆断开情况下有效防止灰尘进入。系统电缆在敷设中充分注意不出现小半径弯曲,避免造成不必要的损耗。
光纤通讯技术日新月异,新工艺低损耗传输窗口的单模光纤已经达到25 THz的传输带宽,这为武器装备的信息化提供了广阔的发展空间,通过对关键技术的不断攻关和改进,在未来可以预见,光纤通讯技术将为高速、高带宽实时信号提供更加稳定、可靠、高性价比的传输环境。通过在遥控武器站火控系统中的成功应用,此项技术可以在其他火控系统的发展中充分发挥其优越性,让数据传输不再是系统发展的瓶颈。
[1]贾大功.无源光纤旋转连接器的发展[J].仪器仪表学报,2003,24(4):199-202.
[2]徐峰.新型棱镜型双通道光纤旋转连接器的设计[J].光学精密工程,2008,10(16):1836-1839.
[3]徐明,李超.光电组合式滑环在雷达系统中的应用[J].电子机械工程,2011,2(27):44-47.
[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[5]陈志奇,王松坡.光纤应用浅析[J].中国有线电视,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,辽宁凌源人,高级工程师。研究方向:坦克装甲车辆火控系统及其部件。