第九章光纤通信技术—11

1、第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长1000nm左右的光波作为信息的载波信号，把电话、电视、数据等电信号调制到光载波上，再通过光纤传输信息的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点，所以光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、分类和光纤通信系统的基本组成，以及光纤通信网络和光通信的新技术。9.8 光孤子通信 9.8.1 光孤子概念 光孤子（solit

2、on）是经光纤长距离传输后，其幅度和宽度都不变的超短光脉冲（ps数量级）。光孤子的形成是光纤速度色散和非线性效应相互平衡的结果。利用光孤子作为载体的通信方式成为光孤子通信。光孤子通信的传输距离可达上万千米，甚至几万千米，目前还处于试验阶段。 由前面分析可知，光纤通信的传输距离和传输速率受到光纤损耗和色散的限制。光纤放大器投入应用后，克服了损耗的限制，增加了传输距离。此时，光纤传输系统，尤其是传输速率在Gb/s以上的系统，光纤色散引起的脉冲展宽，对传输速率的限制，成为提高系统性能的主要障碍。 为了增加传输距离，在光纤线路上，每隔一定的距离，可设置一个光纤放大器，以周期地补充光功率的损耗，但是多个

3、光纤放大器产生的噪声积累又妨碍了传输距离的增加，因而要求提高传输信号的光功率，这样便 产生非线性效应。非线性效应对光纤通信有害也有利，事实表明，克服其害还不如利用其利。 光纤非线性效应和色散单独起作用时，在光纤中传输的光信号都要产生脉冲展宽，对传输速率的提高是有害的。但是如果适当选择相关参数，使两种效应相互平衡，就可以保持脉冲宽度不变，因而形成光孤子。9.8.2光孤子通信系统的组成和工作原理 光孤子通信系统如图9.96（a）所示。孤子源是一个光孤子激光器，用来发射光孤子，是光孤子通信系统的关键。光孤子源产生一列脉冲很窄且占空比很大的光脉冲，即孤子序列，作为信息的载体进入光调制器。信息通过光调制

4、器对孤子调制，使之承载信息。被调制后孤子经EDFA，向光孤子注入能量以补偿光纤的能量消耗，保证光孤子的稳定传输。在接收端通过探测器和解调装置使孤子承载的信息重现。 光孤子源是光孤子通信系统的关键。要求光孤子源提供的脉冲宽度为ps数量级，并由规定的形状和峰值。光孤子源有很多种类，如掺铒光纤孤子激光器、锁模半导体激光器等。 目前，光孤子通信系统已经有许多实验结果。例如，对光纤线路直接实验系统，在传输速率为10Gb/s时，传输距离达到1000km；在传输速率为20Gb/s时，传输距离达到350km。对循环光纤间接实验系统如图9.96（b）所示，传输速率为2.4Gb/s，传输距离达12000km。 事

5、实上，对于单信道光纤通信系统来说，光孤子通信系统的性能并不比在零色散波长工作的常规（非光孤子）系统更好。循环光纤间接实验结果表明，零色散波长常规系统的传输速率为2.4Gb/s时，传输距离可达21000km，而为5Gb/s时可达14300km。然而，零色散波长系统只能实现单信道传输，而光孤子系统则可用于WDM系统，使传输速率大幅度增加，因而具有广阔的应用前景。9.9 光纤通信技术在军事中的应用 由于众所周知的优点，光纤通信技术刚一出现，就引起了各国军方的高度重视。各工业发达国家，特别是美国军事部门早在20世纪80年代后，美国三军确定在军用系统中不仅是军事系统，而且凡是有信息传输线路的系统中都要采

6、用光纤技术，制定了许多实施计划，应用范围也日益扩展。光纤通信在军事上的应用范围包括战术光纤通信系统、光纤局域网、光纤C3I系统、舰载通信、机载通信和航空电子设备系统、卫星地球站通信、雷达信号远距离传输、战术信号远距离传输、战术制导武器系统等。可以说，在武器中几乎到处都有光纤通信技术的踪影。本节首先介绍光纤通信技术在君上的应用概况，然后重点介绍光纤通信在光纤制导中的应用。9.9.1 光纤通信技术在军事中的应用概述 目前国外光纤通信在军事中的主要应用有长距离战术通信系统、LAN系统、C3I系统、数据总线系统和本地分配系统等几个方面。 1.战术光纤通信系统 长距离战术光纤系统是美国三军战术通信网的一

7、个组成部分，是美军开发光纤通信在军事上的应用的重要工程项目，计划用10000km的光缆来替换20世纪70年代初美军师以上部队使用的CX-11230G双同轴电缆系统以改善AN/TTC型电路交换机之间的传输性能。 美军之所以首先用光缆来更新20世纪70年代装备的野战通信系统CX-11230G同轴电缆，是由于该系统的速率低、频带窄、中继距离短，很不适应现代战争对通信的要求。为此，一些工业发达国家的军事部门从20世纪80年代初就开始组建野战光缆传输系统，用以取代这种不适应现代战争要求的同轴电缆系统。当时采用光纤通信产品代替CX-11230G同轴电缆，系统的中继间距仅有68km,最多只能设置10个中继器

8、，系统最长距离近64km,传输速率只有20Mb/s。 本地分配系统也是美军三军战术通信系统的一个组成部分，它与长距离光纤传输系统相配套，共同更新战术通信的性能。它是用光纤来替换野战通信车间信息交换机（AN/TYC-39）与信息处理设备之间的连接电缆CX-4566-26。 卫星地面光纤传输链路是地面分配系统的另一应用，主要是用于卫星地面站与数据处理中心的传输线路。美海军海洋系统中心为此开发了系列光纤传输系统，如AN/FAC-1、AN/FAC-2、AN/FAC-2ACV等 ，并已投入使用。系统的数据率分别是20kb/s和20Mb/s，传输非归零码，中继距离为0.54.5km，均采用23芯光缆地下管

9、道安装方式。 地面发射巡航导弹光纤数据传输系统是本地分配系统在基地内信息传输、野战车辆计算机互连的典型应用。主要是通过光纤数据传输将导弹的两个发射控制中心和四个可移动的发射架连接起来，用以传输数据和话音信号，并在大约100个彼此分开的终端之间传输数据。该系统对光缆的要求非常严格，要求能在-4671环境下正 常工作，不受风、雪、雨、冰雹、挂冰、沙、烟雾、太阳辐射和高空的影响，能经受核爆炸产生的热浪冲击。 美国空军战术空中控制系统（TACS）是由按地理位置分布在整个作战地区的许多指挥和控制中心组成的一种机动战术系统。构成空军战术空中控制系统的两个中心，即空中支援作战中心和控制通报中心，采用了三种型

10、号的无线通信设备。这三种设备采用光缆连接，光缆的中继传输距离在5 Km以上，最大距离可达49km。比金属光缆增加10倍，而重量减少了1.5倍。 光纤通信在雷达系统的直接应用是替换常规的波导和同轴电缆，更好地完成信号的传输和处理。世界上最早用光纤传输信号的雷达是1982年公布的安装在美国科斯特的AN/FPX-62雷达，这是一种远距离交通管制和着陆系统雷达。1987年美国西屋电气公司研制了用于AN/TPS-34战术防空雷达系统的光接口。Herris公司，ITT公司和TRW公司研制了雷达天线远程化的微波光纤线路，传输距离长达10km，数字信号传 输速率达8Gb/s，模拟信号传输速率达21Gb/s。

11、2.光纤局域网（OFLAN） 在许多现役军事通信系统中都在装备光纤局域网，以取代用金属电缆做传输介质的局域网，提高传输速度，扩大网络半径。目前的光纤局域网是按以太网标准（IEEE 8023）组建的，采用环形或者有源星形拓扑结构，工作速率为10Mb/s，这是军用电缆局域网向光纤局域网过渡的第一步，也叫军用光纤以太网，在性能上可满足军方要求。 目前开发的高性能局域网的特点是：战术方舱内或方舱之间的计算机终端和工作站实现互联；由于采用标准协议，为局域网与开放系统互联兼容提供了可能；单个部件或某个节点出现故障时，其系统仍能可靠地运行；每个节点都可以同主机通信，节点与主机之间采用双向传输方式；每个节点都

12、可以提供足够的缓冲，以保证每个主机可以同时传输和接收数据和指令信息；适应性强，可以根据用户的要求方便地增添或减少节点；网络可汇集多条链路数据库，汇集的数据总量可超过450Mb/s。 这种高性能的军用光纤局域网网络在运行中具有以下各项功能： 每一个网络接口都可以发送或接受信令信息；网络控制中心具有特殊节点，并具有下列功能：a.启动起始程序；b.监视和报告网络工作状态；c.监视和报告设备功能执行情况；d.具有远距离启动诊断功能；e.执行自我检测和诊断功能；f.周期性汇集统计数据，如链路应用情况统计、节点通过数据量等，以计算网络性能；g.定期汇集节点工作状态报告，并提出新的连接和功能矩阵程序；节点可

13、定期自我诊断，并向网络控制中心报告运行状态信息。这些信息包括：a.节点部件工作状态； b.主机节点和节点的连接状态；c.网络工作状态工作变化情况；e.节点优先权（根据其主机节点优先权）；f.节点的数据和指令平均通过量。 性能更好、速率更高的光纤分布数据接口网络也投入了使用，它采用令牌双环结构，速率达10Mb/s，是在IEEE802.5基础上发展起来的新一代局域网接口标准。网络可适于同步或异步数据传输，使用宽带实时通信。网络充分利用光纤固有的宽带能力，并能增强系统的抗毁性，是提高 战术通信性能的有效手段。 美国研究较多的光纤局域网是星形LAN和以太LAN。前者可较好地传输数字和模拟信号，后者可通

14、过自动文件搜索，信息处理和图像状态显示，为战略决策提供准确实时的情报。光纤分布数据接口（FDDI）对实现军用通信指挥自动化更有效。 美国光通公司研制具有容错功能的、用于地对空战场雷达信息系统连接的 环形以太光纤网，工作速率为10Mb/s；性能更好、速率更高的FDDI网络也已应用，它采用令牌双环结构，速率达100Mb/s，站间距离最长可达2km，总长可达100km，500个节点，网络可适于同步或异步数据传输，适用于宽带实时通信。 典型的舰载高速光纤网是美国海军Aegis巡洋舰的光纤网络，它采用FDDI网络中的双光纤环网更新舰上的金属缆通信系统，可以把舰上的传感、武器、电子设备和计算机等数据综合到

15、本网中进行传输和处理。 Aegis巡洋舰上的光纤网络是符合实战要求的现代 化通信网，可承担多达100个有源传输站相互间的业务传输。 德国西门子公司也在致力于研究军事环境条件下可传输声音、图像、数据、图表的光纤网络，目前已完成第一代和第二代网络的研制。正在开发功能更多、更经济的第三代光纤网络系统。德国Deustsche系统技术研究所开发的用于海军或陆军系统的光纤LAN可以高质量、高可靠地传输数据、声音和图像信息。目前8Mb/s的网络已经装备部队，正在研制34Mb/s的系统。3.光纤 系统 美国的 系统在海湾战争中对赢得战争的胜利发挥了重要作用。尤其是美三军联合战术通信系统、MSE和改进型陆军战术

16、通信系统都发挥了重要作用。所谓光纤 系统就是用光缆来代替同轴电缆将指挥、控制和通信与三军联合战术通信系统各单元连接起来，这样可大大改善这种战术通信系统的性能。由于光纤信息带宽很宽，因此光纤 容量很大，可以处理更多的图像和活动图像信息，保密性更强。目前已有战区光纤 系统、3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I 战术武器光纤 系统、舰载光纤 系统、机载光纤 系统、雷达系统光纤 系统、卫星光纤 系统、导弹光纤 系统在应用或研制。 最早建成的光纤 系统是美国Artel通信公司为美国陆军提供的电视、电话会议和数据交换系统VBITS

17、，该系统是环形和星形结构，有18个站点，战距6km。最大的系统则是美国空军导弹司令部1979年与GET公司签订合同，193C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I 81年建成的MX导弹发射控制用的MX导弹光纤 系统，该系统全长15000km，连接两个作战指挥中心，4个区域支援中心，4800个有人/无人站，200个发射架。该系统可传输指挥与状态数据、仪表遥测数据和飞行控

18、制中心闭路电视的视频信息。美国佛罗里达州电子系统公司研制的光纤 网络，速率达3Gb/s，可以传输声音、图像和数据，用于各种路基、天基、舰船平台的 系统。英国皇家信号研究所也开展了基于光纤技术的光纤 系统研究工作。3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I3C I4. 光纤数据总线系统 光纤通信在飞机上的应用对减少通信设备的重量和体积起到重要作用，目前在飞机上大部将光纤通信用作数据总线。美国早在1974年就在A-7飞机上进行试验，后来分别在F-15、F-16、F-18战斗机上做过试验，同时还在DC-10，波音737-200做过多次试验，在实验中突出机载通信的特点，在线路上采用大芯径

19、和大数值孔径光纤。在A-7上试验网络采用星形结构，传输速率为1Mb/s和10Mb/s。在F-15战斗机上，美 国罗姆航空发展中心在AN/GYQ-21（V）数据处理中采用光纤数据总线，能以多种组合方式进行数据处理，该系统采用光纤数据总线后，外围设备的间距可达2000m，速率达60Mb/s。美国空军还进行了航天系统光纤数据总线研究计划，它将低损耗的19芯塑料包层二氧化硅光纤作为数据总线，在RC-135飞机上进行试验。美海军小石域号航母上的雷达数据总线汇总到中央控制室，其传输容量达1Gb/s。 1986年，美军将军标MIL-STD-1773的1Mb/s速率提高到STANAG-3910所要求的 速率2

20、0Mb/s，1986年后制定和开发了高速环形总线（HSRB）标准SAE-AS4074，2FDDN（光纤数据分布网），速率又从20Mb/s提高到50100Mb/s。 法国的Thoson-CFS公司也研制过与光纤数据总线连接的R-NAY光纤时分复用系统，作为飞机的水平和垂直导航用。9.9.2 光纤制导系统 光纤制导技术是用光纤来取代金属线制导武器的新技术，它将成为推动有线制导武器进一步发展的唯一技术，还可用于未来的外层空间卫星武器的有线制导。光纤制导武器被称为“智能兵器”，最主要的是由于它采用了光纤线路、光纤传感器和小型光纤红外寻的器，这使得它的信息数据传输质量得到很大改善，因而性能格外优良，以至

21、达到“智能”水平，从而获得了“第一代智能兵器”的美誉。 1.光纤制导系统基本组成与工作原理 光纤制导系统根据图像的不同，目前的光纤制导武器有两种类型：一类是白天使用的昼光型，采用光纤电视制导系统；另一类是全天候使用的昼夜型，采用红外成像制导系统。光纤制导系统由图像导引头和光纤双向信息传输系统组成。其中，导引头由图像传感器、稳定系统、控制电路以及力矩伺服系统、图像跟踪器等组成。光纤双向传输系统由弹上光电端机、弹上波分复用器、光缆线管、地面波分复用器、地面光端机等组成，如图9.97所示。 制导基本原理如图9.98所示，光纤制导导弹（FOG-M），它是一种非直视武器，可以从一个隐蔽的位置发射，先垂直

22、飞行到200m左右的高度，然后点火转向，转入巡航飞行，导弹即按控制台发出的指令飞向目标区上空，装在弹体末端线轴上的光缆随之放出。导弹头部的电视（或红外成像）导引头在光纤传来的指令信号控制下搜索目标，将所“看”到的图像和收集到的各种信息数据通过连接于导弹与地面控制装置之间的双向光纤指令系统反馈到地面控制台，经信息处理后显示在控制台屏幕上。射手根据收到的 图像信息分析战场情况，并通过同一根光缆向导弹发出控制指令，遥控导弹飞行，并按一定的制导律控制导弹向目标方向飞行，直至命中目标。 2.光纤制导的关键技术 光纤制导的关键技术包括制导光缆强度与细径化，光缆拼接、缠绕与高速释放，光纤双向信息传输以及导引

23、头等。 （1）制导光缆强度与细径化 制导光缆释放机构安装在导弹尾部，光缆的长度一般略大于导弹的最远射程（最远为 60km）。制导光缆有别于普通的通信光缆，必须满足制导应用的特定要求，属于特种光纤。这些特定要求主要包括：强度高、光学传输性能稳定、光缆直径细。制导用光纤一般是在普通或特种光纤的基础上经过加强、被覆后制成的，要求强度筛选张力为1.38MPa。另外，为了增加射程，需要考虑制导光缆的细径化问题。光缆直径变细可使同样结构导弹的射程增加一倍。根据不同用途直径在0.31mm。 （2）光纤拼接、缠绕与高速释放 为了增加导弹的射程，制导光缆拼接是不可避免的，对制导光缆拼接的要求是拼接处的光缆直径与

24、原直径相同，同时还具有很强的抗拉力。拼接要求制导光缆既具有最低损耗，又不损失强度，扩延到几十千米至100km以上长度而无疵痕，这是相当困难的。 光缆的绕放机理和绕放机构对导弹顺利发射并满足飞行速度要求至关重要。在导弹飞行过程中，为了保证光缆不断线和可靠地信号传输，光缆的缠绕技术十分重要。 高速释放技术与线轴设计及光缆缠绕技术密切相关，这两项技术是高速释放的基础，但是通过放线试验也可以为线轴设计、光缆缠绕和光纤技术提供改进的依据。高速释放技术包括地面模拟放线、飞行放线试验以及相关的测试技术。 （3）光纤双向信息传输系统是FOG-M系统的一个重要组成部分，是由单根制导光缆构成的双向全双工传输系统。

25、作用是进行弹上与地面制导站之间信息的传输。在一根光缆里有两个传输信道，由导弹到地面控制站的信道叫下行线，由地面控制站到导弹的信道 叫上行线。实现光缆双向传输系统有模拟传输和数字传输两种方案。下行线传输由弹上摄像机摄取的目标背景的图像信号到地面控制站后，地面控制站的图像处理单元通过计算机运算产生控制指令（或介入闭环的人工手动产生控制指令），控制指令由上行线传输到弹上，控制导弹的飞行，把导弹引向目标。 （4）导引头 FOG-M的另一关键部件是安装在头部的热成像导引头。在智能制导中，毫米波与红外成像相结合是最佳的技术途径，它能大 大提高制导导弹的作战能力，具有全天候作战能力强、制导精度高和抗干扰能力

26、强的特点。随着光电技术、微电子技术和超大规模集成技术的发展，寻的制导将向更多模式的复合形式发展。 在以上关键技术中，光纤双向传输系统是光纤制导导弹系统中一个重要标志性的组成部分。下面介绍光纤制导双向信息传输系统的特点、构成及工作原理。9.9.3 光纤制导双向信息传输系统 1.光纤制导双向信息传输系统总体构成及工作原理 系统由如下几部分构成：弹上发射端机、弹上接收端机、弹上双向耦合器、制导光缆、地面双向耦合器、地面接收端机、地面发射端机，其方框图如图9.99所示。 由电视导引头产生的视频信号经预处理和调制后，驱动弹上激光器发光，经弹上双向耦合器进入制导光缆。光信号传到地面 以后，经地面双向耦合器

27、分离，进入地面的下行线光接收端机。在地面光接收端机经前放、主放、解调、视放等环节输出视频信号。 地面控制站产生的控制指令，进入地面发射端机，经信号处理、编码，驱动激光器发光。光信号经地面双向耦合器耦合进入制导光缆，上传到弹上后，由弹上双向耦合器分离出来，再经光接收机前放、主放、信号解码后分路输出，驱动弹上的操作单元。 光纤双向信息传输系统采用高强度单模光纤经被覆加强以后制成的高强度制导光缆作为 传输介质。 系统采用 单模双通道波分复用器作双向耦合器构成双向传输系统。利用其对 和 两种波长不同的光的耦合/分离作用，实现单根光纤双向传输。上行线工作波长为1550nm，下行线工作波长为1310nm。

28、 下行线上来自电视导引头的视频信号经阻抗匹配网络后进入预处理电路。预处理电路包括放大、同步分离、钳位、非线性校正四个部分。经过预处理以后的视频信号进行方波频率调制（SWFM），产生SWFM脉冲流驱动激光器（1300nm）发光。激光器发出的光信号经弹上双12/1212/1212/1 向耦合器进入制导光缆。光信号由制导光缆传到地面控制站以后经地面的双向耦合器分离出来，经光接收前放、主放、判决以后经单稳倍频电路形成倍频的等宽PFM脉冲，由后续的低通滤波器滤出视频信号，经视放电路以后输出。下行线弹上发射机采用差分驱动电路，激光器带有APC环节。为了压缩弹上电路规模，省去激光器的ATC电路。系统采用热稳定性比较好的激光器。在设定驱动状态下，可以取得0dBm（1mW）左右的出纤平均信号光功率。接受前放电路采用PIN FET模块，主放电路、比较判决电路和 倍频单稳电路都由集成电路构成由7阶平衡切比雪夫低通滤波器，滤出倍频等宽PFM脉冲流中的视频信号后，经视频放大后输出。 上行线中，地面图像跟踪器（或手动跟踪器 ）以并行的数字格式把控制导弹飞行调整量X和Y的数字