特种光缆及组件在武器装备领域的应用

文/杜发玉

本文综合论述了特种光缆及组件在武器装备领域的应用，并简要介绍了我国在该领域的一些应用产品。

一、引言

自20世纪70年代以后，由于光纤光缆和半导体光电器件两大基础元器件的突破性进展，光子技术迅速地和电子技术结合起来，形成具有强大生命力的信息光电子技术和产业。以光纤光缆、光电器件和集成光路为基础的信息传输、信息传感和信息处理已从实验室走向实用阶段，特别是光纤光缆通信已发展成为信息时代显著标志之一。未来通信以光为承载方式的前景将不可扭转。尽管信息传感和信息处理还存在着一些实用化问题，但近年来，以光为承载方式的通信已取得若干重大的突破性进展，相信不久将进入工程应用。

光纤光缆将广泛应用于国民经济的各个行业和领域。光纤光缆作为一种理想的信息传输、信息传感、信息处理媒质，具有

传输损耗低、传输数据速率高、带宽大、重量轻和抗电磁干扰、保密性强以及适应恶劣环境等优点，特别适于军事应用，如野战通信、机载通信、舰载通信和特殊环境的军事通信；采用Sagnac效应的光纤干涉仪是构成光纤舵螺的基础，对飞机、舰船的惯性导航和弹道导弹的制导无疑是一次技术革命；采用光纤延迟线和集成光路的信息处理是相控阵波束形成/控制和光（电）子战信息处理的崭新技术，是构成天基雷达的最高设计；以光纤、压力传感器和光纤光缆为基本构件，传输网络化组成反潜战应用的声呐阵探测灵敏度超过现行任何声呐系统的灵敏度；埋置在复合材料构件及其蒙皮内的光纤传感器、光纤传输组件和微型电路是构成智能飞行器的最高设想，是未来飞机、空间飞行器的研发目标。可以说，凡是采用电子装备的任何武器系统都有纤维光学技术的应用之地，只是由于目前技术水平的限制，好多应用领域还是空白。所以纤维光学技术的应用潜力十分广阔。军事应用将是纤维光学技术应用的先行者。

上世纪，光纤光缆技术还处于研究初期的时候就受到发达国家军方的高度重视，尤其是美国投入在光纤光缆应用的研究、开发和生产军费逐年增加。上世纪80年代后，光纤光缆技术，特别是军用光纤光缆技术的发展已举世瞩目，应用领域十分广泛，从战术系统到战略系统，从野战通信到武器装备，从太空到深海都显示出纤维光学的巨大生命力。可以这么说，今天纤维光学技术已成为改造陆、海、空军军事装备的重要内容，也是新型武器装备系统必须优先考虑的先进技术。可以相信，纤维光学技术对军事变革和作战能力的提高将产生深远的作用。

二、特种光缆及传输组件的应用领域和系统

特种光纤光缆在军事方面应用主要包含三个领域。一是军用光纤光缆通信，主要利用光纤光缆重量轻、抗电磁干扰、保密等优点，广泛使用在野战通信和雷达、导弹、卫星、运载火箭、飞机、舰船以及光缆系留飞行器等上；二是军用传感，主要利用光纤光缆的信息传感特性和小型化，广泛使用在惯性导航、反潜作战和智能蒙皮运载器等上；三是军用信息处理，主要利用光纤的延迟特性和宽带优点，用于光控相控阵天线系统和电子战系统。其主要应用系统如下。

(一）陆军战术通信系统

1.本地局域网光缆通信系统。

2.C3系统链路。

3.长距离战术光缆通信系统。

4.本地分配系统。

(二）机载光纤光缆传输系统

1.机载光纤数据总线。

2.航空电子设备互联网络。

3.空军战术空中控制系统。

4.光控飞行控制系统

5.空军C3I系统。

(三）舰载光纤光缆传输系统

1.舰载光纤数据总线。

2.舰载自适应光纤光缆通信系统。

3.航空母舰光纤光缆通信系统。

4.舰载高速光纤网络。

(四）雷达领域

1.雷达天线远程化微波光纤光缆传输系统。

2.多基地雷达网信号互连系统。

3.合成孔径天线频率基准分配系统。

4.光纤相控阵信号分配网络。

5.舰载雷达光纤光缆传输系统。

6.相控阵天线波束形成/高分辨雷达接收和电子智能搜索系统。

7.多普勒雷达噪声检测系统。

8.卫星测高雷达。

(五）制导传输应用

1.光纤制导导弹系统。

2.光纤制导鱼雷系统。

3.潜艇拖曳浮标光纤光缆系统。

(六）卫星空间站传输

1.卫星天线微波光纤（缆）线路。

2.卫星通信脉冲转发系统。

3.空间站分布光纤网络。

4.空间站光纤传感信号传输系统。

(七）火箭系统

1.火箭离地控制线路。

2.火箭壳体健康探测。

(八）导航领域

1.汽车、坦克战车导向系统。

2.飞机惯性导航系统。

3.火箭导航系统。

4.战术导弹飞行姿态控制系统。

5.舰船惯性导航系统。

(九）反潜系统

1.光纤海底水声监视。

2.潜艇光纤声呐系统。

3.潜艇光电桅杆。

(十）智能飞行器

1.飞行器损伤控制系统。

2.飞行器火警告警系统。

3.飞行器分布传感系统。

4.疲劳监测和战术损伤评估。

5.光纤传感器。

(十一）核试验

1.地下核试验近场数据检测。

2.核废料处理控制与检测。

(十二）电子对抗

1.雷达无源RF方向搜索。

2.电子对抗欺骗干扰机。

(十三）计算机系统

1.光计算机存贮器。

2.加固型光纤计算机互联组件。

三、特种光缆及传输组件的基本分类和结构

目前，国内普通通信用光缆产品已十分普及，但对特种光缆及传输组件，高端产品仍依赖进口，不同领域的应用在不断提出品种、质量水平更新的要求。今后的一个时期，整个产业不会有太大的增长，但对特种光缆及传输组件的需求将发展旺盛，目的是满足更多军事领域应用的需求和完全参与国际竞争。

(一） 特种光缆及传输组件的基本分类

1.应用于恶劣环境下的特殊光缆和传输组件。

恶劣环境定义为超常规通信应用范围环境，主要包括：

（1）超过（-40℃～75℃）范围的工作环境。

（2）剧烈震动环境。

（3）光纤制导（地-空、地-地、舰-舰、舰-空）导弹和水下鱼雷等需要的特殊要求。

（4）强电磁环境。

（5）腐蚀性环境。

（6）辐射性环境。

（7）极端压力下的环境。

（8）极难用手工安装的地方。

2.专门用途和结构特殊（包括光电混装结构、异型结构等）的光缆和组件。

主要用途是军用、海、陆、空、天领域。

3.功能化的光纤光缆及组件。

主要配套于功能型光纤传感系统、辐射诊断检测、智能电网等非通信领域。

4.具有阻燃和绿色环保要求的光缆及组件。

主要应用于矿井下、室内综合布线系统以及光纤到户（FTTH）、光纤到桌面（FTTD）、家庭智能化、办公自动化、工控网络化、车载、机载、舰载、星载数据传输多媒体和士兵穿戴式轻型计算机系统。

(二） 基本结构形式和特点

众所周知，不论光缆产品的结构形式如何，都是由缆芯、加强构件、护套三部分组成的。而缆芯通常有不同种类光纤的单纤芯和多纤芯两种。特种光缆就是一系列具有独特特性和特殊结构的产品，而特种传输组件则是满足多种特殊性能和要求的光连接、转换和传输的组合器件。

对于量大面广的普通光缆而言，军用特种光缆及传输组件具有技术含量高、使用条件严酷、批量相对较小，但附加值较高等特点，往往要采用新材料、新结构、新工艺和新的设计计算方法。

四、特种光缆及传输组件技术发展概况

(一）海底光缆

特种光缆中最具代表性的是海底光缆。由于对可靠性的要求特别高，所以海底光缆的结构和工艺技术是光缆中最复杂者之一。1988年年底世界上第一条跨大西洋光缆（TAT-8）的敷设和开通标志着海底光缆的制造技术已趋成熟。中国电子科技集团公司第八研究所1990年研制成功中国第一根实用化海底光缆和海底光缆连接器，填补了国内空白，目前已开发成功第四代海底光缆，单根制造长度大于50公里。可带中继的海底光缆及连接器和柔软型海底光缆接头技术已经实用化。

(二）野战（战术）光缆及组件

军用特种光缆在欧美国家得到了大力发展。早在1973年美国就开始野战光缆的研究，其技术规范分短距离野战光缆（1～2公里）和长距离战术光缆（6～8公里中继距离）两种。其适用的军用规范为DOD-0-85045/2B。其应用系统主要有C3I（指挥、控制、通信和情报）系统、局域网（LAN）系统、短距离本地分配系统、长距离战术通信系统和飞机快速布缆系统等。典型的野战光缆有：

1.阻燃野战光缆（AT＆T公司生产）。

这种光缆采用内外聚氨脂护套，保证阻燃要求，适用DODSTD-1678方法5010，燃烧试验。2.耐低温野战光缆（Siecor公司研制）。

光缆最低工作温度可达-55℃、25毫米冷弯曲附加损耗为0分贝/公里。

3.耐压野战光缆（英国BICC公司研制）。

该光缆采用双护层结构，内护层采用发泡材料（气泡直径60微米，占体积的40%），其作用是将光缆芯紧束在一起，提供缆芯光纤的抗侧压保护能力。采用发泡材料降低了光缆的重量。外护套采用阻燃的聚氨脂材料。

4.德国Philips Kommunikation Industrie AG公司研制的抗拉野战光缆、英国标准电信实验室为美军FOTS-LH计划开发的抗核加固光缆都具代表性。

随着光纤技术的发展，光纤光缆制造技术和连接技术的改进、制备具有兼容性野战光缆和传输组件的条件早已成熟。快速连接、用户分支接续技术的研究受到足够重视。

(三）航空用光缆及组件

美国早在上世纪70年代初就开始机载光纤光缆的应用研究，直至今天从未终止，其最突出的理由就是光纤光缆具有体积小、重量轻、带宽和抗电磁干扰的优点。如用光缆取代电缆，可使B-1轰炸机的重量减少1吨，同时大大降低几个数量级的电磁干扰源和成本。

随着航空复合材料的发展，以复合材料制造的隐形飞机已成为各国军方加紧研制的秘密武器。但是，若用电缆作为机内的互连网，不能使之成为真正的隐形飞机；而采用光纤布线，则可达到静噪目的，如果采用光纤数据总线，再将各种光纤传感器（如应变、温度、压力光纤传感器）和信息处理器埋置在复合材料构件内，便可构成智能蒙皮飞机。

目前，飞机应用的光纤线路可分为三类，即传感和电子战用的宽带线路，传感器、信号处理器和其他部件之间的互连高速数字信号线路，雷达应用的窄带线路。其实际应用项目包括点对点机载光纤数据总线、光纤传感系统、光控飞行系统、光控武器系统和光纤陀螺仪及传输组件。

早在1974年，美国空军就在A-7飞机上进行光纤应用试验，首先对机载光纤光缆及通信系统的技术性能作了评价。A-7飞机用13根光缆取代了原来传输115个系统信号的同轴电缆和对绞高温导线，使原传输线缆的重量由18公斤减少到1.2公斤。下表给出A-7飞机的电缆和光缆比较。

上世纪80年代以后，各国都开展光纤光缆机载应用的开发研究，主要研制机构有罗思罗普ITT、美空军光谱电子公司、美国罗姆航空发展中心、法国汤姆逊-CSF公司、美宇航技术研究所、波音飞机公司、道格拉斯飞机公司、Eldec公司。美国海、陆、空军都进行过机载光纤光缆及系统试验。1982年军用标准MILSTD-1773标准光纤数据总线正式颁布。目前光学复用的纤维光学传感开关组件和数据总线正在研究开发。为了满足更高的要求，国外还研究了耐温-65℃～150℃的航空用光缆。

(四）舰船用光缆及传输组件

1.舰船对光纤光缆应用的需求和迫切性。

为了说明舰船对光纤光缆的迫切需求，我们从光纤光缆对舰船的好处谈起。

（1）小型化、高质量。

通过提供轻型和小直径的光缆替代现行舰船使用的电线电缆可减轻近2/5的重量和许多有用空间，从而提高舰船的工作质量和防御能力。特别是军舰对重量和空间的要求也和它的武器装备同等重要。为了对付不断增加的来自各个方面的威胁，现代军舰需要更多的设备，如雷达、计算机、预警信息处理系统。这些设备必然增加军舰的重量和吃水深度，使其燃料消耗增大，活动范围、操作灵活性和速度降低。一艘典型的现代驱逐舰或巡洋舰的重量为8500～9500吨，而一艘航母的重量为8.5万～9.5万吨。由于现役军舰上所有的通信都是点对点的电缆通信，所需的设备和互连电缆的重量占军舰重量的一大部分，目前安装在舰船甲板的通信电缆约1.6公里长，重量为500公斤，而等长光缆重量仅125公斤（减少约75%）。如果把现有舰船上的电缆信号网换成等效光缆网，重量和体积都可减少90%。

（2）缆线成本大幅降低。

一般舰载信号网使用光缆可节省费用78%。如果考虑到光纤的宽带特性，采用复用技术还可以进一步节省费用。

此外，用光缆替代电缆还可以减少系统的元器件数。如一个点对点电缆系统需要两根90针的双工电缆，而光缆系统至少可减少60%的输入/输出（I/O）端口数。

（3）宽带特性。

光缆系统的宽带特性可将控制、告警、火控、监视、通信和管理集为一体，大大节省舰船的有用空间，对未来舰船或航母的大容量计算机和高速率网络具有重要的意义。

（4）抗电磁干扰、抗雷达频率干扰能力强。

光缆系统具有抗电磁干扰和抗雷达频率干扰的特性，可为舰船生存提供保证。舰船上的电磁干扰主要源于电动机、发电机、继电器、电磁阀和电磁开关、雷达和通信装置。在电缆系统中，这些噪声的抑制是通过使用电缆专门屏蔽材料和装置，增加了系统的复杂性和成本。使用光缆将大大减小电磁环境影响的敏感性。

2.舰船用光缆的开发。

舰船用光缆是军用光缆的一大分支。它是结构较复杂、要求很高的光缆种类之一。它必须满足MIL-C-0085045D（海军）的要求，即毒性低、低卤或无卤、发烟低、抗辐射阻燃、工作和储存温度极端、机械要求严格、水压很高、耐高温有害流体以及其他一些要求。美国SIECOR公司和AT＆T、Bell labs已分别研制成满足上述军用规范要求的舰船用无卤阻燃光缆系列，并采用大芯径、大数值孔径和单模光纤，以满足不同需要。其有代表性的产品有：

① 面舰船和潜艇内应用光缆。

② 下系留光缆和组件。

③ 下声纳用光电复合缆和组件。

④ 雷制导光缆。

⑤潜艇拖曳浮标（天线）光缆。

3.光纤光缆技术在舰船上的应用前景。

从目前的应用情况看，光纤光缆技术在舰船上应用有着广阔的前景。这些前景可归纳为：

（1）舰载光纤光缆通信。包括舰内光缆电话网，指挥部、兵营专用电话网，舰载计算机母线系统，舰船雷达数据信号传输系统以及舰船与陆地间通信系统等。

（2）导航系统。使用光纤陀螺的导航系统。

（3）声呐系统。包括光纤水听器和声呐传输线。

（4）光纤拖曳系统。包括潜艇浮标天线和反潜拖曳光缆系统。

（5）光纤图像传输。包括光纤潜望镜、舰内闭路电视和像增强光纤面板等。

从目前开发应用和技术水平看，替代电缆的光缆应用是舰船光纤光缆技术应用的起点。我们从事光纤光缆技术研发的人们应大力宣传这一点。

(五）有线制导光缆

1.发展前景。

光纤制导是战术武器领域内的一次革命，不仅取代了金属制导技术，而且成为推动有线制导武器进一步发展的唯一技术，这一技术还可用于发展未来的外层空间卫星武器的有线制导。

虽然目前光纤制导技术及应用还没有达到最终目的，但第一代光纤制导武器已接近实用化阶段。其主要优点：（1）体积小、重量轻。用一条光缆取代原来有线制导的两条电缆，可使导弹的防御和袭击范围增大，使射程增大几倍。光缆比电缆制导线，传输容量可提高三个数量级以上。（2）成本低。（3）战场生命力强。光纤制导抗电磁干扰，因而不易被其他武器击中。（4）提高武器威慑力。由于光纤制导采用非视线瞄准或“发射后不管”制导，不必依赖眼睛或雷达观测，可攻击地面目标、直升机，也可穿越烟雾、小山、树林等障碍搜索目标，不受地形、恶劣天气、夜间因素的影响，命中率为100%，是小型撒手锏武器。

2.应用情况。

（1）反坦克武器。

光纤有线制导武器作为步兵和直升机反坦克武器具有许多优点，可保证多兵种机动性和火力支持。美国陆军1989年就开发生产并装备具有夜视能力和全天候工作能力的光纤制导导弹。德国、法国都研制了具有夜视能力的光纤制导导弹并于1996年投产。印度也把这种“发射后不管”的导弹放在举足轻重的位置。

（2）前沿防空系统（FAADS）。

FAADS的重要组成部分——光纤制导导弹（FOG-M）通常部署在近战地地域内远离机动合成部队的后方或接近己方部队前沿隐蔽阵地上，通过地面和空中探测设备组成C3I系统向FOG-M提供目标预警信息。

（3）反直升机武器系统。

FOG-M被称为直升机的克星，特别是带有“发射后不管”的FOG-M是克制直升机的重要武器系统。1991年11月在阿拉伯联合酋长国举行的迪拜航空展会上，巴西首次展出了新型的光纤制导反直升机、反坦克FOGMMBM武器。

（4）潜射防空光纤制导武器。

光纤制导武器不仅可在地面和直升机上发射，还可在水下发射。法国和德国联合研制的潜-空光纤制导武器（“独眼巨人”）可在海水下300米深处的潜艇上发射，射程大于10公里。

（5）光纤制导鱼雷。

美国研制的轻型光纤制导鱼雷可用于远程反潜，最长距离可达100公里。

3.制导光缆的绕放线技术。

绕放线技术是光纤制导武器系统的另一个十分重要的技术。由于制导光缆是绕在放线装置上，是要随着弹体高速飞行的，光缆的绕线和放线技术就显得特别重要。

光缆缠绕的控制参数包括缠绕基层、缠绕张力分布、光缆缠绕超前角、后退和交叠控制缠绕时的附着力大小等。为了减少缠绕致使光纤产生的微弯损耗，必须采用精确缠绕方法。这种方法所用的转轴稍带锥形，使光缆缠在锥形圆柱体上形成一轴向层，然后以相反的轴向绕另一层，绕在前后两圈之间。在放线时，由于光缆随着弹体高速飞行，除要求光缆具有1.4～2.1吉帕的强度外，还需给光缆施加外力，如采用气动方法等。

五、我国军用特种光缆及传输组件产品的应用

我国军用特种光纤光缆产品研制起步于1975年。1978年国内第一根核试验近场诊断光缆研制成功。该产品是光纤光缆在我国国防军事领域成功应用的首创。1985年军内第一个无中继电话和彩电光缆传输系统开通，为我军指挥机关提供了有效的视频图像及电话会议等保密通信手段。中国电子科技集团公司第八研究所从1984年开始研制第一代海底光缆和光纤鱼雷制导光缆，1989年成功地进行了鱼雷制导系统实验。1990年国内第一个实用化海底光缆通信系统建成后，中国电子科技集团公司第八研究所又先后开发成功多种不同结构、用于不同海域和水域的海底光缆和连接器，多种产品通过部级产品定型鉴定，现已形成系列产品的批生产能力，先后为国防和武器装备系统配套。其可带中继的浅海光缆及连接器、单根制造长度大于50公里的纯硅芯轻型跨海光缆及柔软连接头都代表了当今国际水平。其超大长度制导光缆填补了国内空白。其雷达专用光缆组件和加固型光纤计算机互联组件等产品都已实用化并装备部队。

“八五”以来我国军用特种光缆的新品及预研任务迅速增加，用户范围日益扩大，表明用户对军用特种光缆及组件的先进性和重要性的认识日益提高，对应用的迫切性日渐明显，这也表明早期研制的军用特种光缆及组件的应用证明了优越性。外军光纤光缆技术应用和装备的发展趋势也激发了我国军方的应用热情。

我国军用特种光缆的应用领域和品种已经相当广泛，例如：1.地下核试验气密光缆、耐高温防泄漏光缆、地下核试验全水位深井吊装光缆和组件、耐辐照光缆等。

2.核裂变技术研究用闪烁光纤阵

列辐射探测器等光纤传输传感组件也早已配套系统。3.野战光缆及组件。

4.地-空光纤制导光缆及组件。5.鱼雷制导光缆和组件。

6.系留光缆和旋转连接器。

7.潜艇拖曳浮标（天线）光缆。

8.雷达专用光缆和组件。

9.舰载光缆和组件。

10.光电旋转传输组件。

11.潜艇用外铠甲集束混装水下光电缆组件。

12.反潜应用声呐阵光缆系统。13.机载光缆和组件。

上述各品种及应用领域涉及相当多的军用特种光缆及组件。军用环境的严酷性和对可靠性及性能稳定性的高要求使这些产品的研制难度很高。对于元器件产品本身而言，从预研、新品向实用化、稳定生产的技术发展有一个艰苦的过程。从应用部门而言，上机、试飞、试航到上装备同样有一个过程。这两个过程的完成将带来军用光纤光缆和光电元器件市场的快速发展和国防现代化的跃升。应当说目前这一过程正在进行中。我们必须努力缩短这一过程的时间。这需要光纤光缆研制机构和应用机构的共同努力和配合，更需要上级部门的支持。特种光缆及组件的推广应用尚需武器装备平台设计应用单位与研制单位配合，共同努力，协力推广。

六、结束语

特种光缆和传输组件在武器装备领域的应用已进入商品化、实用化阶段，代表了新型武器装备的先进水平。为进一步缩小与国外先进水平的差距，提高我国特种光缆和组件产品研发水平和自主创新能力，满足日益增长的国内需求和参与国际竞争，应建立光电子领域内具有国际先进、国内领先水平的开放式研发平台，突破一批重大关键技术，培养一支优秀的科技创新队伍，取得自主知识产权，加强应用和工程化力度，加速国产化进程，为国防和武器装备现代化作出贡献。