李 輝，許葆華，李永軍，李洪儒

(軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，石家莊050003)

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光纖制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究

李 輝，許葆華，李永軍，李洪儒

(軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，石家莊050003)

分析了光纖制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈的獨(dú)特作戰(zhàn)能力，重點(diǎn)研究了光纖制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)，展望了未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和可能的應(yīng)用領(lǐng)域。

光纖制導(dǎo)；導(dǎo)彈

0 引言

光纖制導(dǎo)技術(shù)是指綜合運(yùn)用成像探測(cè)、圖像跟蹤、特種光纖傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，具有獨(dú)特作戰(zhàn)能力和廣泛軍事應(yīng)用場(chǎng)景的新型制導(dǎo)技術(shù)。將光纖應(yīng)用于制導(dǎo)武器的想法最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，美國首先提出用光纖替代金屬電纜，傳遞制導(dǎo)站與導(dǎo)彈之間的信息。光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈最有名的研究項(xiàng)目有美國的EFOG-M(“增強(qiáng)型光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈”)和德、法、意合作的POLYPHEM(“獨(dú)眼巨人”)導(dǎo)彈，但由于多方面的原因都處于停滯狀態(tài)或已經(jīng)下馬[1]。目前已研制成功并裝備部隊(duì)的光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈有日本的96式“重馬特”導(dǎo)彈，以及以色列“長(zhǎng)釘”系列導(dǎo)彈中的LR和ER型。

1 光纖制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力分析

軍事需求始終是新技術(shù)的強(qiáng)勁牽引力，光纖制導(dǎo)技術(shù)之所以受到各國重視，多年來持續(xù)不斷地進(jìn)行研究開發(fā)，原因就在于其賦予了制導(dǎo)武器許多全新的作戰(zhàn)能力，或至少大幅度提升了某方面的作戰(zhàn)能力。下面僅以炮兵反坦克導(dǎo)彈為例，分析光纖制導(dǎo)技術(shù)對(duì)制導(dǎo)武器作戰(zhàn)能力的巨大貢獻(xiàn)。

1.1 超視距攻擊能力

非接觸作戰(zhàn)、超視距攻擊能力始終是最重要的軍事能力之一。光纖制導(dǎo)武器出現(xiàn)之前，第一、第二代反坦克導(dǎo)彈均采用直接瞄準(zhǔn)、三點(diǎn)法導(dǎo)引和指令制導(dǎo)體制，要求制導(dǎo)站和目標(biāo)之間必須具備光學(xué)通視條件，這大大限制了導(dǎo)彈的射程。從世界范圍看，該類反坦克導(dǎo)彈的最大射程不大于5km，受地形和氣象等條件限制，實(shí)際射程往往遠(yuǎn)小于最大射程指標(biāo)。第三代反坦克導(dǎo)彈改用圖像尋的制導(dǎo)體制，具備“發(fā)射后不管”能力，但前提是發(fā)射前鎖定目標(biāo)，因此最大射程也很有限，例如美國的“標(biāo)槍”導(dǎo)彈射程只有2.5km。光纖制導(dǎo)武器則一方面利用導(dǎo)彈上的導(dǎo)引頭獲取目標(biāo)圖像，并通過光纖傳送給射手，供射手觀察；另一方面射手對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲、識(shí)別、鎖定和跟蹤等指令，又可通過光纖反向傳回導(dǎo)彈，實(shí)現(xiàn)有效控制。因此，光纖導(dǎo)彈既可采用第三代反坦克導(dǎo)彈的作戰(zhàn)樣式，又可采用間接瞄準(zhǔn)、發(fā)射后鎖定目標(biāo)的作戰(zhàn)樣式。對(duì)于后一種情況，導(dǎo)彈射程將不受光學(xué)視距的限制，目前列裝水平可以達(dá)到10km，未來將可能達(dá)到30km甚至更遠(yuǎn)。

1.2 多用途能力

光纖制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈改用尋的制導(dǎo)后，機(jī)動(dòng)能力提高了，因此在用途上，除可對(duì)付坦克等裝甲目標(biāo)、地面堅(jiān)固工事目標(biāo)之外，還是對(duì)付號(hào)稱“樹梢殺手”的武裝直升機(jī)的利器。

1.3 高效毀傷能力

同樣的原因，光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈的彈道高度大幅度提高，可在地面上幾十到幾百米之間靈活選擇，這樣能夠增大彈道末端的落角，以“頂攻”的方式摧毀坦克的薄弱部位，大大提高毀傷效能。

1.4 環(huán)境適應(yīng)能力

一方面，抬高的彈道能提高可發(fā)射概率，以前那種借助地形地物隱蔽的戰(zhàn)術(shù)，將變成徒勞；另一方面，“圖像導(dǎo)引頭+光纖”的模式，在信息獲取和傳輸階段均難以實(shí)施干擾，部分圖像導(dǎo)引頭還具有晝夜工作能力，因此光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

1.5 “人在回路”能力

目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)至今仍是世界范圍內(nèi)的技術(shù)難題，尤其對(duì)地面目標(biāo)。光纖制導(dǎo)則開辟了另一種解決途徑，那就是利用光纖的大容量雙向數(shù)據(jù)傳輸，由射手操縱導(dǎo)引頭搜索目標(biāo)，由射手從圖像中識(shí)別目標(biāo)。這種“人在回路”能力，無疑抗干擾能力最好，制導(dǎo)精度最高。同時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)是瞬息萬變的，“人在回路”還使得光纖導(dǎo)彈具有發(fā)射后更改攻擊目標(biāo)的能力，而這在以前是不可能做到的。

1.6 作戰(zhàn)評(píng)估能力

作戰(zhàn)評(píng)估是信息化條件下作戰(zhàn)的核心能力。由于光纖的存在，從發(fā)射到命中的過程，導(dǎo)引頭的視頻信息都會(huì)反映到發(fā)射制導(dǎo)車上，是否命中，命中目標(biāo)的什么部位都將一目了然。

2 光纖制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于傳統(tǒng)的有線信息傳輸介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜等，光纖具有信息傳輸容量大、傳輸損耗低、直徑小、重量輕、無電磁感應(yīng)、易彎曲、耐水耐火等獨(dú)特技術(shù)性能。但用于制導(dǎo)的光纖還必須滿足一些特殊技術(shù)要求，概括起來主要有：抗拉強(qiáng)度要高；單根光纖直徑小、長(zhǎng)度長(zhǎng)；傳輸損耗低，尤其是彎曲導(dǎo)致的損耗要低；抗疲勞性能好，貯存壽命長(zhǎng)等。為滿足這些特殊要求，制導(dǎo)用光纖必須在制造、纏繞、釋放、儲(chǔ)存等方面采用一系列特殊的技術(shù)和工藝。

2.1 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

抗拉強(qiáng)度和直徑是體現(xiàn)光纖制造技術(shù)先進(jìn)與否的關(guān)鍵指標(biāo)。制導(dǎo)光纖由高脆性和低韌性的玻璃制成，其強(qiáng)度主要取決于制造技術(shù)和工藝。光纖制造過程中不可避免地存在一些缺陷，如微裂紋、雜質(zhì)、氣泡等，這些都會(huì)造成光纖強(qiáng)度的下降，但關(guān)鍵原因還是光纖表面的微裂紋，它會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致光纖強(qiáng)度大大下降。目前采用的先進(jìn)制造技術(shù)，如優(yōu)質(zhì)粗長(zhǎng)預(yù)制棒制作技術(shù)、光纖拉制優(yōu)化技術(shù)、氣密性涂覆技術(shù)、光纖被覆技術(shù)等，可以保證制導(dǎo)用光纖的強(qiáng)度要求。據(jù)報(bào)道，美國在20世紀(jì)90年代就達(dá)到了246kg/mm2的抗拉強(qiáng)度水平，完全能夠滿足光纖導(dǎo)彈的要求[2]。我國在“九五”期間也已經(jīng)達(dá)到136kg/mm2的水平[3]。直徑也是光纖的重要指標(biāo)，尤其對(duì)于遠(yuǎn)射程的制導(dǎo)武器來說，更小的直徑意味著更小的彈上光纖線包體積和重量。據(jù)報(bào)道，國外光纖直徑只有200～300μm，重量只有142g/km[2]。

2.2 拼接、纏繞與釋放技術(shù)

導(dǎo)彈對(duì)光纖拼接、纏繞與釋放的技術(shù)要求主要有四個(gè)方面：拼接后光纖的抗拉強(qiáng)度、信號(hào)傳輸損耗等不變或變化很小；光纖線包整體結(jié)構(gòu)牢固，所占體積最??；導(dǎo)彈飛行中光纖能高速順利釋放，不纏結(jié)、不松脫、不斷線；光纖變形在允許范圍之內(nèi)，信號(hào)傳輸損耗不會(huì)因此大幅度增加。線包的可靠性高，能夠有足夠的貯存壽命。

目前生產(chǎn)的單根光纖的長(zhǎng)度只有幾公里，拼接的目的就是解決單根光纖長(zhǎng)度有限與導(dǎo)彈射程要求之間的矛盾。在光纖線包方面，線包繞線軸形狀可選圓柱體、圓盤體等，關(guān)鍵要確定其直徑和長(zhǎng)度，直徑太大，會(huì)增大光纖線包的體積，太小則可能增大光纖信號(hào)的宏彎傳輸損耗；圓柱體長(zhǎng)度太長(zhǎng)則線包細(xì)長(zhǎng)，太短則線包粗短，均需權(quán)衡考慮。線包形狀則以紡錘形為宜，整體結(jié)構(gòu)更加牢固，有利于順利放線。在光纖纏繞方式上，研究表明可采用光纖在線軸上繞圈緊密排列纏繞的方式。當(dāng)繞滿第一層后，反向跨越適當(dāng)匝數(shù)的線圈，在上層光纖的溝槽內(nèi)緊密排列纏繞第二層，以此類推，最終形成紡錘形的線包。同層纏繞時(shí)排列的緊密和一致性十分重要，要避免出現(xiàn)匝間間隙過大或過小的缺陷；纏繞下一層時(shí)反向跨越的匝數(shù)以1.5～2.5匝為宜[4]，跨越過大則浪費(fèi)體積，過小則線包整體結(jié)構(gòu)不易牢固。光纖纏繞時(shí)還要保證合適的纏繞張力，張力過小，放線時(shí)容易整體松脫；張力過大，一是光纖可能陷入溝槽過深，放線時(shí)容易斷線，二是會(huì)增大光纖的微彎變形，增加其微彎傳輸損耗，三是會(huì)增大光纖的靜態(tài)疲勞，降低其可靠性和壽命。另外，因?yàn)楣饫w很光滑，在纏繞時(shí)需在其表面涂覆粘接劑，粘結(jié)劑的特性、用量和涂覆工藝是保證光纖平行密繞、線包的貯存穩(wěn)定性和放線時(shí)不會(huì)局部松脫的關(guān)鍵之一。以上的技術(shù)和工藝都需要大量實(shí)驗(yàn)才能確定。

光纖放線時(shí)，通常采用放線與纏繞垂直的方式放線。該方式所謂的“剝落點(diǎn)”，即光纖由螺旋纏繞狀到被軸向拉直的交點(diǎn)。在該點(diǎn)處存在一次半徑較小的彎曲，這一方面會(huì)增加信號(hào)傳輸?shù)奈潛p耗，另一方面也是承受張力最大、最容易斷線的地方。二是承受的最大張力還與放線速度有關(guān)，研究表明，“剝落點(diǎn)”處張力大小與光纖被拉出速度的平方成正比[5]。

2.3 雙向信息傳輸技術(shù)

對(duì)于制導(dǎo)武器，光纖中一定存在雙向的信息傳輸，一方面是導(dǎo)引頭獲取目標(biāo)圖像向制導(dǎo)站傳輸，另一方面是制導(dǎo)站對(duì)導(dǎo)彈的控制信息向彈上傳輸。從技術(shù)角度，這里的信息傳輸與其他通信應(yīng)用是一致的，只是在具體技術(shù)指標(biāo)上有特殊要求，如光信號(hào)的發(fā)射功率、傳輸帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和信噪比等。光纖制導(dǎo)傳輸系統(tǒng)為了解決傳輸中“串音”，一般采用雙向耦合器的光域波分復(fù)用(WDM)技術(shù)來區(qū)分信息的傳遞方向，用電域的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各路信息的傳遞。另外需要重點(diǎn)解決的問題是光纖的宏彎和微彎所導(dǎo)致的傳輸損耗要符合技術(shù)要求[6]。

2.4 成像導(dǎo)引頭技術(shù)

能實(shí)時(shí)傳輸目標(biāo)圖像是光纖制導(dǎo)的重要特點(diǎn)，因此與光纖配套的一定有成像導(dǎo)引頭。目前攝像機(jī)式導(dǎo)引頭已經(jīng)被淘汰；CCD成像電視導(dǎo)引頭技術(shù)作為成熟技術(shù)，已廣泛應(yīng)用到制導(dǎo)武器中，但缺點(diǎn)是不能在夜間和不良?xì)庀髼l件下使用；焦平面陣列紅外成像導(dǎo)引頭則是當(dāng)前的高新技術(shù)，只有少數(shù)先進(jìn)國家掌握，在裝備上也有較多成功應(yīng)用，如上文提到的標(biāo)槍、長(zhǎng)釘?shù)取?/p>

3 光纖制導(dǎo)的發(fā)展展望

3.1 技術(shù)發(fā)展展望

3.1.1 目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)始終是制導(dǎo)武器研究的熱點(diǎn)，但同時(shí)也是研究的難點(diǎn)。由于地面背景復(fù)雜，所以針對(duì)地面目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別更是難上加難。未來的“智能”武器，目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)將是必須攻克的關(guān)鍵技術(shù)；如果用到光纖導(dǎo)彈上，將不會(huì)再因人工識(shí)別目標(biāo)的需要而限制導(dǎo)彈的飛行速度。

3.1.2 光纖技術(shù)

必須需要在光纖的制造、纏繞、釋放等方面采用更先進(jìn)的技術(shù)，以進(jìn)一步提升光纖的技術(shù)性能。例如，已列裝的光纖導(dǎo)彈仍然多次出現(xiàn)光纖斷裂的嚴(yán)重事故，所以進(jìn)一步提高其抗拉強(qiáng)度仍然是一個(gè)重要課題。為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈射程的增大，光纖直徑尺寸、彎曲損耗等指標(biāo)的要求將進(jìn)一步提高。為減小光纖承受的張力，也為減小彈上光纖線包的體積和質(zhì)量，可以將彈上一端放線，改為彈上和制導(dǎo)站兩端放線；甚至還可以采用萬向支架結(jié)構(gòu)改善放線角度[7]；也可將光纖繞線軸設(shè)計(jì)為可轉(zhuǎn)動(dòng)[2]；同樣可以降低放線時(shí)光纖承受的張力。

3.1.3 導(dǎo)引頭技術(shù)

未來毫米波雷達(dá)成像導(dǎo)引頭將是重要的發(fā)展方向，原因是它既有接近微波雷達(dá)的全天候能力，又有紅外成像探測(cè)器的高分辨率和高精度。

3.2 應(yīng)用領(lǐng)域展望

鑒于對(duì)武器作戰(zhàn)能力的巨大貢獻(xiàn)，除了上文所提到的炮兵反坦克導(dǎo)彈外，光纖制導(dǎo)技術(shù)完全可能應(yīng)用到廣泛的軍事領(lǐng)域。例如：①航空兵的空地導(dǎo)彈或炸彈，與炮兵反坦克導(dǎo)彈相比，武器平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力大大提高，其他特性則類似。②空艦或艦艦導(dǎo)彈，優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)圖像選擇目標(biāo)的要害部位進(jìn)行攻擊，進(jìn)一步提高毀傷效能。③光纖制導(dǎo)魚雷(FOG-T)，歐洲多國已經(jīng)成功研制TP200等多款先進(jìn)的光纖制導(dǎo)魚雷[8]。④光纖制導(dǎo)潛空導(dǎo)彈，第一次使?jié)撏Ь邆淞藵摵綘顟B(tài)下主動(dòng)反擊其天敵——反潛飛機(jī)的能力，“獨(dú)眼巨人”的潛射型即是最典型代表[9]。⑤光纖制導(dǎo)無人水下航行器，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，有的已經(jīng)研制成功[5]。⑥光纖制導(dǎo)誘餌，用于向敵方發(fā)送虛假信息，目前西方國家已有多款實(shí)裝。⑦光纖地面遙控戰(zhàn)車等。

4 結(jié)束語

光纖制導(dǎo)技術(shù)為制導(dǎo)武器的發(fā)展提供了一種全新的模式，目前還存在飛行速度比較慢、制導(dǎo)距離不夠遠(yuǎn)、對(duì)時(shí)間敏感目標(biāo)攻擊困難等缺點(diǎn)，例如導(dǎo)彈飛行速度還不能超過200m/s，制導(dǎo)距離還在10km以下，還只能攻擊低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等。但展望未來，該技術(shù)的研究前景是光明的，以上的技術(shù)缺點(diǎn)完全可能克服，必將在未來的制導(dǎo)武器家族和戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演重要角色，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

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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。

李輝(1972 - )，男，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

E-mail：jxgcxylihui@sina.com

TN818

A

2095-8110(2015)05-0005-04