本文由《水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào)》授權(quán)

　　(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第 705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安,710077; 3. 海軍裝備研究院, 北京, 100161)

　　【編者按】隨著海洋在國(guó)家安全、利益和發(fā)展中戰(zhàn)略地位expendables的日益重要, 各國(guó)海軍均致力于用于深海探測(cè)、資源開(kāi)發(fā)及水下作業(yè)等的海洋裝備的研發(fā), 安全可靠的水下通信技術(shù)已成為海洋裝備應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ)。光纖通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、信息傳輸速率高、體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn), 是水下遠(yuǎn)程大容量通信的優(yōu)選方案expendables，微細(xì)光纜作為通信載體已被廣泛應(yīng)用于線導(dǎo)魚(yú)雷、水下航行器、浮標(biāo)等領(lǐng)域。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所所屬研究團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期從事水下有線通信技術(shù)研究，先后研制出多型產(chǎn)品并得到成功應(yīng)用。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開(kāi)展深海用光纖布放及信息傳輸技術(shù)的研究，突破了全海深光纖有線通信關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了全海深光纖傳輸系統(tǒng)，搭載“海斗號(hào)”，在馬里亞納海溝首次實(shí)現(xiàn)將萬(wàn)米海底的視頻實(shí)時(shí)傳輸至水面，標(biāo)志著expendables我國(guó)水下光纖通信技術(shù)取得重大突破，技術(shù)性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平。本刊特邀該團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人高卓研究員系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外微細(xì)光纜在水下裝備應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)詳實(shí)的資料為廣大讀者呈現(xiàn)了該領(lǐng)域的最新發(fā)展成果和研究進(jìn)展。

　　摘 要:微細(xì)光纜具有重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)水下航行器的遠(yuǎn)程遙控、航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及視頻數(shù)據(jù)等大容量信息的遠(yuǎn)程傳輸, 在魚(yú)雷、潛空彈、無(wú)人水下航行器及水下光纖組網(wǎng)等水下裝備領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。文中詳細(xì)介紹了微細(xì)光纜在不同水下航行器上的最新研究成果, 并結(jié)合其應(yīng)用特點(diǎn), 分析總結(jié)了微細(xì)光纜研制中所需解決的關(guān)鍵技術(shù): 光纜制造技術(shù)、線團(tuán)繞制技術(shù)、線團(tuán)布放動(dòng)態(tài)損耗控制及光纖傳輸技術(shù)等, 并提出了具體解決途徑, 可為水下航行器遠(yuǎn)程高速通信的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

　　關(guān)鍵詞:水下航行器; 微細(xì)光纜; 信息傳輸; 線團(tuán)繞制; 損耗控制

　　0 引言

　　海洋占地球表面積的 71%以上, 蘊(yùn)藏著豐富的資源, 在國(guó)家安全、利益和發(fā)展中的地位日益重要。安全可靠的水下通信技術(shù)是海洋裝備應(yīng)用必不可少的基礎(chǔ), 目前可用的水下通信方式主要包括:水下電磁波通信、水下聲通信、水下無(wú)線光通信及水下有線光纖通信。其中電磁波在海水中衰減非?？?空中無(wú)線通信技術(shù)常采用的2.4 GHz信號(hào)在海水中的衰減約為1 695 dB/m, 僅能通信10 cm左右)[1], 超長(zhǎng)波、極長(zhǎng)波無(wú)線通信技術(shù)需要裝備龐大的天線系統(tǒng), 且通信深度局限于淺海區(qū)域[2];水聲技術(shù)是目前最成熟的水下通信技術(shù), 傳播距離較遠(yuǎn), 但受水聲信道影響, 通信延遲較大, 且在淺水區(qū)域存在復(fù)雜的時(shí)變和空變特征, 帶寬很難超過(guò)50 kHz, 多數(shù)情況下通信速率在1 kbps附近[3]; 藍(lán)綠激光在海水中的衰減值小于10-2dB/m,對(duì)海水穿透能力強(qiáng), 能達(dá)到數(shù)米到數(shù)十米的通信距離, 水下激光通信需要直線對(duì)準(zhǔn)傳輸, 通信距離較短, 水的清澈度會(huì)影響通信質(zhì)量, 適合近距離高速率的數(shù)據(jù)傳輸[4]。光纖通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、信息傳輸速率高、體積小、重量輕、可靠性高及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn), 采用經(jīng)過(guò)增強(qiáng)和防護(hù)處理的微細(xì)光纜實(shí)現(xiàn)水下航行器的遠(yuǎn)程大容量數(shù)據(jù)傳輸, 具有其expendables他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì): 1)體積小, 重量輕[5], 適合水下航行器攜帶, 微細(xì)光纜的直徑細(xì), 每千米的重量可以控制在 150 g之內(nèi), 降低了水下航行器攜帶大長(zhǎng)度微細(xì)光纜的體積和重量要求; 2) 傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn),數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1 Gbps以上、傳輸距離可以達(dá)到百千米以上[6], 為水下各種傳感信息、視頻、多用戶應(yīng)用信息等數(shù)據(jù)傳輸提供了技術(shù)途徑;3) 環(huán)境適應(yīng)性好, 經(jīng)過(guò)特殊成纜處理的微細(xì)光纜在使用中不受海水腐蝕影響, 通信能力不受水文條件和復(fù)雜的海水環(huán)境影響, 可以實(shí)現(xiàn)全海深應(yīng)用; 4) 在水下航行器上應(yīng)用范圍廣, 由微細(xì)光纜繞制成型的線團(tuán)可適用于不同航行器攜帶, 不受航行器航行速度和深度限制, 滿足航行器多種工況下的使用。微細(xì)光纜以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于水下航行器領(lǐng)域[7]。

　　1 微細(xì)光纜在水下裝備中的應(yīng)用 1.1 在魚(yú)雷中的應(yīng)用

　　世界魚(yú)雷中, 線導(dǎo)魚(yú)雷約占60%[8]。光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展為魚(yú)雷的遠(yuǎn)程線導(dǎo)技術(shù)開(kāi)辟了更為廣闊的前景。微細(xì)光纜可對(duì)發(fā)射艦艇向魚(yú)雷發(fā)出的操作控制指令以及魚(yú)雷反饋給發(fā)射艦艇的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如雷位、航速、航向、航深、自導(dǎo)參數(shù)及目標(biāo)噪聲等)進(jìn)行雙向傳輸, 且不受海水環(huán)境和艦艇電磁環(huán)境的干擾, 從而增加魚(yú)雷的作戰(zhàn)距離,增強(qiáng)魚(yú)雷的目標(biāo)識(shí)別能力, 利于控制魚(yú)雷機(jī)動(dòng)靈活地導(dǎo)向目標(biāo), 極大地提高了魚(yú)雷的通信速率和可靠性。

　　21世紀(jì)初, 德國(guó)、瑞典、意大利和法國(guó)等國(guó)家的光纖制導(dǎo)魚(yú)雷相繼裝備部隊(duì)。這些魚(yú)雷的聲自導(dǎo)頭搜索范圍大, 可以任選主動(dòng)、被動(dòng)或主/被動(dòng) 3種方式搜索目標(biāo), 與光纖制導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合不僅增大了魚(yú)雷的有效射程, 同時(shí)增強(qiáng)了魚(yú)雷的反對(duì)抗能力, 保證了極高的命中率。圖 1為德國(guó)DM2A4魚(yú)雷構(gòu)成圖 [9]。

　　圖1 德國(guó)DM2A4魚(yú)雷構(gòu)成圖

　　Fig. 1 Structure of Germany torpedo DM2A4

　　應(yīng)用于魚(yú)雷上的微細(xì)光纜, 在設(shè)計(jì)上包括 2個(gè)微細(xì)光纜線團(tuán), 分別位于魚(yú)雷和發(fā)射平臺(tái)。魚(yú)雷上線團(tuán)的長(zhǎng)度基本與魚(yú)雷的航程一致, 同時(shí)需要滿足魚(yú)雷高航速下快速布放的要求; 平臺(tái)上線團(tuán)的長(zhǎng)度與在魚(yú)雷攻擊過(guò)程中平臺(tái)機(jī)動(dòng)距離相關(guān),在布放時(shí)需采用必要的保護(hù)措施, 防止布放出去的微細(xì)光纜受平臺(tái)機(jī)動(dòng)影響造成斷線。

　　如何在魚(yú)雷有限的體積和重量條件下攜帶滿足魚(yú)雷航程需求的微細(xì)光纜, 以及如何使微細(xì)光纜的布放速度適應(yīng)魚(yú)雷的整個(gè)航速范圍是光纖制導(dǎo)魚(yú)雷所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題,就需要微細(xì)光纜具有直徑細(xì)、強(qiáng)度高和無(wú)接續(xù)長(zhǎng)度大的特點(diǎn), 同時(shí)線團(tuán)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮大變速條件下的可靠低損耗布放。

　　隨著重型魚(yú)雷的不斷發(fā)展, 光纖制導(dǎo)技術(shù)將向著更遠(yuǎn)通信距離、更高布放速度方向發(fā)展。

　　1.2 在潛射防空彈上的應(yīng)用

　　自20世紀(jì)90年代末以來(lái), 歐洲國(guó)家—直致力于光纖制導(dǎo)潛射防空導(dǎo)彈的研制工作, 先后研制出“獨(dú)眼巨人”(Polyphem-SM)、潛射交互式防御和攻擊系統(tǒng)(interactive defence and armament for submarines, IDAS)潛射光纖導(dǎo)彈等[10]。

　　“獨(dú)眼巨人”是一種水下發(fā)射、光纖制導(dǎo)的潛空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。導(dǎo)彈頭部裝有電視或紅外攝像機(jī), 尾部安裝光纖放線軸, 在導(dǎo)彈飛行中放出光纖。作戰(zhàn)時(shí)潛艇通過(guò)聲吶系統(tǒng)探測(cè)到反潛直升機(jī)旋翼或反潛巡邏機(jī)螺旋槳發(fā)出的聲音, 或機(jī)載吊放式有源聲吶發(fā)出的探測(cè)信號(hào), 來(lái)確定目標(biāo)的方位和距離?！蔼?dú)眼巨人”導(dǎo)彈的發(fā)射過(guò)程為: 先通過(guò)魚(yú)雷發(fā)射筒發(fā)射導(dǎo)彈水下運(yùn)載器, 運(yùn)載器被發(fā)射后, 在水下以 15 m/s的速度向預(yù)定方向航行,此時(shí)導(dǎo)彈相當(dāng)于光纖連接的線導(dǎo)魚(yú)雷; 在離開(kāi)潛艇約1 km后, 轉(zhuǎn)入導(dǎo)彈發(fā)射的第2階段, 在出水傳感器的控制下, 導(dǎo)彈運(yùn)載器一出水就沿軸“一分兩半”, 導(dǎo)彈助推器和主發(fā)動(dòng)機(jī)先后點(diǎn)火, 導(dǎo)彈飛出水面; 出水后, 導(dǎo)彈導(dǎo)引頭把它“觀察”到的圖像通過(guò)光纖傳送給水下潛艇, 潛艇內(nèi)的導(dǎo)彈操作手根據(jù)傳回的圖像, 向?qū)棸l(fā)送控制信號(hào),控制導(dǎo)彈跟蹤、攔截并最終摧毀目標(biāo)。“獨(dú)眼巨人”所使用的光纖外徑0.24 mm, 抗拉力強(qiáng)度為40 N,可在5級(jí)海況下工作[11]。光纖傳輸容量包括1個(gè)視頻通道和32個(gè)數(shù)據(jù)通道。

　　IDAS潛射光纖導(dǎo)彈射程 15 km, 速度大于200 m/s, 單個(gè)重型魚(yú)雷發(fā)射艙可存放多達(dá)4枚該型導(dǎo)彈。IDAS在飛行過(guò)程中通過(guò)光纖鏈控制, 采用 2個(gè)線軸釋放光纖, 即 1個(gè)線軸在導(dǎo)彈上, 另一個(gè)線軸在發(fā)射設(shè)備上。由于導(dǎo)彈從水下發(fā)射,水介質(zhì)對(duì)放線的影響比空氣影響大, IDAS采用了獨(dú)特的四線軸放線: 在水下約深10 m[12]處IDSA釋放出 1個(gè)“補(bǔ)償浮標(biāo)”, “補(bǔ)償浮標(biāo)”上攜帶有2個(gè)線軸, 加上導(dǎo)彈和潛艇上的2個(gè)線軸一起完成光纖放線, 增加的 2個(gè)線軸用來(lái)對(duì)光纖在海水中的波動(dòng)和漂移進(jìn)行補(bǔ)償, 以防止斷線[13]。具體過(guò)程參見(jiàn)圖2。

　　圖 2 潛射交互式防御和攻擊系統(tǒng)(IDAS)光纖制導(dǎo)多用途導(dǎo)彈作戰(zhàn)過(guò)程示意圖

　　Fig. 2 Schematic of operation process of submarine launched fiber optic guided multipurpose missile with interactive defense and armament for submarines(IDAS)

　　1.3 在無(wú)人水下航行器上的應(yīng)用

　　無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)一般分遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)和自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)2種。ROV作業(yè)需要母船的支持, 母船通過(guò)臍帶纜對(duì)ROV供電并與 ROV雙向通信, 實(shí)現(xiàn)母船對(duì) ROV的遙控操作以及ROV的探測(cè)信息回傳。為配合 ROV作業(yè), 母船上配備有絞車(chē)系統(tǒng), 對(duì)于大潛深 ROV, 一般需配備中繼站。ROV隨中繼站由母船上的絞車(chē)系統(tǒng)和吊放裝置布放至設(shè)定深度, 并通過(guò)中繼站上的臍帶纜管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供電、通信和臍帶纜收放。由于ROV的運(yùn)動(dòng)和工作區(qū)域受臍帶纜的限制, 且需配備復(fù)雜大型的母船支持系統(tǒng)及昂貴的鎧裝纜和臍帶纜系統(tǒng), 造成其使用和維修的不便[7]。AUV自帶電池供電, 在設(shè)定區(qū)域自主航行進(jìn)行海洋探測(cè), 由于采用無(wú)纜工作模式, 無(wú)法與母船進(jìn)行信息交互,不能實(shí)現(xiàn)精確探索, 且不具備作業(yè)能力[14]。復(fù)合型水下航行器(autonomous remotely operated vehicle,ARV), 綜合ROV和AUV的優(yōu)點(diǎn), 采用微細(xì)光纜替代臍帶纜, 自帶電池供電, 既具備 AUV 大范圍海洋探測(cè)功能, 又可由母船實(shí)施遙控操作并能將探測(cè)信息實(shí)時(shí)回傳至母船。ARV的出現(xiàn)可使水下航行器向著更大潛深、更遠(yuǎn)距離和更具智能化的方向發(fā)展,代表了未來(lái)UUV的發(fā)展趨勢(shì)[15]。

　　1) 美國(guó)

　　美國(guó)伍茲霍爾海洋學(xué)研究所(Woods Hole oceanographic institution, WHOI)研制的“海神號(hào)”混合式遙控水下航行器(hybrid remotely operated vehicle, HROV)采用微細(xì)光纜作為通信介質(zhì), 見(jiàn)圖3。

　　圖3 “海神號(hào)”混合式遙控水下航行器

　　Fig. 3 Hybrid remotely operated vehicle(HROV) Nereus

　　圖4 “海神號(hào)”HROV工作過(guò)程

　　Fig. 4 Working process of HROV Nereus

　　在HROV及其母船緩沖裝置上分別裝有20 km繞制成團(tuán)的微細(xì)光纜, 工作時(shí)母船通過(guò)吊放裝置用鎧裝纜將緩沖裝置和 HROV吊放至設(shè)定水深,HROV與緩沖裝置分離, 在HROV下潛和水下機(jī)動(dòng)作業(yè)時(shí), 微細(xì)光纜分別從HROV和緩沖裝置線團(tuán)上布放出, 以構(gòu)建 HROV與母船間的光纖通信信道:將 HROV的探測(cè)信息實(shí)時(shí)上傳至母船, 母船同時(shí)根據(jù)需要對(duì)HROV進(jìn)行遙控操作, 見(jiàn)圖4。

　　“海神號(hào)”HROV微細(xì)光纜有2種: 一種直徑0.8 mm, 工作強(qiáng)度為133 N, 斷裂強(qiáng)度為400 N,水中重量為0.385 kg/km; 另一種直徑為0.25 mm,即在光纖上增加一層緩沖層, 工作強(qiáng)度為8 N, 斷裂強(qiáng)度108 N, 水中重量為0.016 kg/km[16]。為減小微細(xì)光纜布出后因接觸海底而產(chǎn)生的不可預(yù)期的斷線風(fēng)險(xiǎn), 通過(guò)在布放系統(tǒng)中增加張力制動(dòng)器來(lái)提高布放張力, 延遲微細(xì)光纜接觸海底的時(shí)間,從而延長(zhǎng)“海神號(hào)”水下的正常工作周期。

　　“海神號(hào)”HROV微細(xì)光纜布放系統(tǒng)從功能驗(yàn)證到實(shí)航驗(yàn)證已開(kāi)展了多項(xiàng)試驗(yàn): 2004年, 利用升降機(jī)將線團(tuán)吊至海底, 驗(yàn)證深海下線團(tuán)被動(dòng)布放性能, 結(jié)合仿真結(jié)果確定了微細(xì)光纜優(yōu)選0.25 mm帶緩沖層的光纖; 2005年, 以 ABE(autonomous benthic explorer)航行器為載體, 潛深約2 000 m, 進(jìn)行5次試驗(yàn), 驗(yàn)證了航行器上搭載微細(xì)光纜線團(tuán)的布放性能; 2006年, 通過(guò)4次航行器潛航試驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)布放系統(tǒng), 即緩沖裝置和HROV線團(tuán)兩端布放的性能[17]; 2007年, 正式搭載“海神號(hào)”進(jìn)行4次試驗(yàn)[16], 潛深達(dá)到2 270 m,工作時(shí)間接近 5 h, 兩端線團(tuán)的布放長(zhǎng)度均超過(guò)了1 km, 考核驗(yàn)證了“海神號(hào)”微細(xì)光纜布放系統(tǒng)的性能和可靠性; 2009年5月31日, “海神號(hào)”在馬里亞納海溝下潛至10 902 m水深[18], 完成了對(duì)馬里亞納海溝的探索和挑戰(zhàn)。

　　在“海神號(hào)”研究的基礎(chǔ)上, 自 2011 年起,針對(duì)極地海冰調(diào)查, WHOI開(kāi)始研制新型水下航行器HROV即Nereid UI, 見(jiàn)圖5。該航行器最大工作水深2 000 m, 攜帶20 km的微細(xì)光纜[14], 并搭載多種生物、化學(xué)傳感器, 可進(jìn)行大范圍的冰下觀測(cè)和取樣等作業(yè)。此外, 美國(guó)小型水下航行器 Flying Plug(飛行插塞)主要用于海底觀測(cè)系統(tǒng)或水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)提取[19], 見(jiàn)圖6。

　　圖5 新型HROV-Nereid UI

　　Fig. 5 New type HROV-Nereid UI

　　圖6 “飛行插塞”工作模式圖

　　Fig. 6 Working pattern of Flying Plug

　　“飛行插塞”采用微細(xì)光纜實(shí)現(xiàn)與母船信息互聯(lián), 與水下對(duì)接站對(duì)接后, 將基站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高速傳回給母船?！帮w行插塞”設(shè)計(jì)工作深度為300 m, 航行速度可達(dá)到2.5～3.5 kn, 2個(gè)微細(xì)光纜線團(tuán), 1個(gè)安裝于水下航行器, 長(zhǎng)度1.5 km, 1個(gè)安裝在母船上, 長(zhǎng)度為 20 km, 光纜均沿線團(tuán)軸向布放, 水下航行器上微細(xì)光纜沿其側(cè)后方的柔性管布放出。

　　2) 日本

　　日本已研制過(guò)多型遙控水下航行器(undersea remotely operated vehicle, UROV)系列水下航行器, UROV7K是其中最典型的UUV[20](見(jiàn)圖7)。

　　圖7 日本UROV7K

　　Fig. 7 Japanese UROV7K

　　UROV7K采用直徑不大于1 mm的微細(xì)光纜,斷裂強(qiáng)度約49 N, 布放系統(tǒng)采用3個(gè)線團(tuán)[21], 其1個(gè)安裝在母船上, 另2個(gè)安裝在水下航行器上,以串聯(lián)方式連接。每個(gè)線團(tuán)攜帶10 km微細(xì)光纜,采用特殊設(shè)計(jì)使光纜沿線團(tuán)軸向布出, 靜態(tài)釋放力約為0.098 N。為避免光纜過(guò)多布出, 采用制動(dòng)裝置來(lái)調(diào)整光纜的布放力。由于微細(xì)光纜較小的阻力, UROV7K可操控巡航距離超過(guò)30 km。在其布放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了水壓、布放張力及彎曲對(duì)光纖信道損耗的影響, 以保證航行器工作過(guò)程中與母船的可靠通信。UROV7K微細(xì)光纜布放系統(tǒng)于1998年進(jìn)行了4次潛航試驗(yàn), 工作時(shí)間超過(guò)了2 h, 最大潛深達(dá)到2111 m。

　　3) 中國(guó)

　　中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研制的小型“海箏”ARV樣機(jī), 以微細(xì)光纜為傳輸介質(zhì)進(jìn)行寬帶寬、低損耗、長(zhǎng)距離及高速率的信息傳輸, 可通過(guò)微細(xì)光纜操控 ARV對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行近距離的精細(xì)觀察、拍攝和取樣, 微細(xì)光纜直徑為3 mm, 拉斷力達(dá)到200 kg[22]。在此基礎(chǔ)上, 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心完成“海箏II型”ARV的研制, 見(jiàn)圖8。該ARV最大工作深度300 m, 最大航速3 kn, 工作時(shí)間6 h, 續(xù)航里程達(dá)10 km[23]。

　　圖8 “海箏”II型復(fù)合型水下航行器

　　Fig. 8 Autonomous remotely vehicle(ARV) Sea Kite-II

　　中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“海斗號(hào)”自主遙控水下航行器采用特種微細(xì)光纜與母船進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向信息交互(見(jiàn)圖9), 整個(gè)布放系統(tǒng)配置有2個(gè)線團(tuán)(見(jiàn)圖10), 1個(gè)安裝在“海斗號(hào)”上, 1個(gè)安裝于母船, 光纜長(zhǎng)度超過(guò)38 km, 采用軸向內(nèi)放線方式, 從線團(tuán)內(nèi)腔抽出, 并隨“海斗號(hào)”機(jī)動(dòng)航行時(shí)布放。線團(tuán)由微細(xì)光纜分層雙向緊密纏繞而成, 采用特殊成型工藝, 嚴(yán)格控制線團(tuán)內(nèi)應(yīng)力和布放張力, 以提高航行過(guò)程中微細(xì)光纜的布放可靠性。2015年,“海斗號(hào)”完成了淺海試驗(yàn)及 3 000米級(jí)深海試驗(yàn), 其最大下潛深度為 2 784 m, 工作時(shí)間 74 min[14]。2017年 3月, “海斗號(hào)”完成了深海遙控和視頻影像傳輸試驗(yàn), 工作時(shí)間接近10 h, 通過(guò)微細(xì)光纜實(shí)現(xiàn)萬(wàn)米海底的巡航遙控和實(shí)時(shí)視頻影像傳輸。

　　UUV航速較低, 一般具有大潛深需求。在全海深條件下要保證其與母船之間的可靠通信, 需考慮成團(tuán)后的微細(xì)光纜在大變深條件下的損耗控制問(wèn)題, 且微細(xì)光纜自身需在高耐壓環(huán)境下可靠使用。

　　圖9 “海斗號(hào)”復(fù)合型水下航行器

　　Fig. 9 ARV Hadal

　　圖10 “海斗號(hào)”微細(xì)光纜線團(tuán)

　　Fig. 10 Fiber optic micro-cable clew of ARV Hadal

　　1.4 水下光纖組網(wǎng)應(yīng)用

　　微細(xì)光纜繞制成為線團(tuán)后, 可以采用多種途徑進(jìn)行布放, 為水下臨時(shí)局域信息網(wǎng)的構(gòu)建提供實(shí)現(xiàn)途徑。通過(guò)布放微細(xì)光纜, 為布置在水中的通信與探測(cè)節(jié)點(diǎn)提供光纖連接, 構(gòu)建水下局域光纖網(wǎng)絡(luò), 從而實(shí)現(xiàn)在無(wú)法預(yù)先設(shè)置水下網(wǎng)絡(luò)的水域快速建立臨時(shí)的通信與監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 見(jiàn)圖11。

　　美國(guó)海洋國(guó)際公司正在開(kāi)展戰(zhàn)術(shù)海底網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)項(xiàng)目, 當(dāng)正常的通信鏈路被破壞時(shí)使用光纖和浮標(biāo)建立應(yīng)急通信系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)可在戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下提供備份連接, 旨在開(kāi)發(fā)和演示一種創(chuàng)新性的、基于光纖技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法, 在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下用水下光纖線路臨時(shí)性替代無(wú)線電射頻戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。正在開(kāi)發(fā)的微細(xì)光纜具有直徑小、強(qiáng)度高、中性浮力、耐海水壓力和較好的環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn), 可在復(fù)雜海洋環(huán)境中正常工作30天, 這一時(shí)間足以重建主要通信手段[24]。

　　圖11 臨時(shí)性水下光纖通信網(wǎng)

　　Fig. 11 Temporary undersea optical fiber communication network

　　2 微細(xì)光纜在水下應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù) 2.1 高強(qiáng)耐環(huán)境微細(xì)光纜制造技術(shù)

　　微細(xì)光纜是水下光纖有線通信的介質(zhì), 是水下航行器與母船可靠通信的保證。微細(xì)光纜的性能將直接決定整個(gè)布放系統(tǒng)的性能。微細(xì)光纜一般由光纖、加強(qiáng)層和外護(hù)層組成, 加強(qiáng)層用于保護(hù)光纖并為微細(xì)光纜提供一定的強(qiáng)度, 外護(hù)層則可提高微細(xì)光纜的表面質(zhì)量與線徑均勻性, 見(jiàn)圖12。

　　圖12 微細(xì)光纜結(jié)構(gòu)示意圖

　　Fig. 12 Structure schematic of fiber optic micro-cable

　　微細(xì)光纜各部分的選型對(duì)于其性能至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō), 微細(xì)光纜應(yīng)選擇彎曲性能較好的光纖。光纖的彎曲損耗是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起損耗的一種, 從根本上是光不滿足全內(nèi)反射條件造成的。光纖的彎曲損耗包括宏彎損耗和微彎損耗2種。

　　1) 宏彎損耗

　　宏彎損耗與光纖結(jié)構(gòu)、光纖中傳輸光的波長(zhǎng)及彎曲半徑共同決定。將單模光纖看作是纖芯,即無(wú)限包層的結(jié)構(gòu), 則宏彎損耗[25-26]

　　2) 微彎損耗

　　微觀彎曲指光纖在正常位置附近以微小偏移做隨機(jī)振蕩。微觀彎曲主要是由在制造和纏繞過(guò)程中應(yīng)變以及溫度變化引起的光纜材料尺寸變化引起的。且微彎損耗[27]

　　式中: N為隨機(jī)微彎的個(gè)數(shù); h為微彎凸起的高度; a為纖芯半徑; b為包層半徑; Δ為纖芯包層相對(duì)折射率差; E為包層楊氏模量; fE 為光纖的楊氏模量。

　　光纖的截止波長(zhǎng)受彎曲直徑和光纖長(zhǎng)度的影響, 即

　　式中: 2cλ和1cλ分別是在彎曲直徑2D和長(zhǎng)度2L與彎曲直徑 1D和長(zhǎng)度 1L時(shí)的截止波長(zhǎng); C和S分別為長(zhǎng)度、彎曲相關(guān)常數(shù)。

　　由式(3)可看出, 彎曲半徑越小, 截止波長(zhǎng)越小, 且單模光纖彎曲(包括宏彎和微彎)靈敏度中

　　式中, 模場(chǎng)直徑(mode field diameter, MFD)越小,MAC值越小, 對(duì)彎曲損耗越有利。可以看出, 截止波長(zhǎng)大而模場(chǎng)直徑小的光纖更耐彎曲。

　　目前高性能彎曲不敏感光纖主要依靠減小模場(chǎng)直徑來(lái)實(shí)現(xiàn), 而減小模場(chǎng)直徑會(huì)導(dǎo)致光纖的衰減常數(shù)增大, 并降低光纖鏈路的傳輸距離, 且這種光纖相較于普通光纖成本大幅增加, 在水下航行器光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 需根據(jù)傳輸距離和彎曲性能要求綜合考慮選擇光纖。

　　加強(qiáng)層材料的選擇主要根據(jù)微細(xì)光纜抗拉強(qiáng)度確定加強(qiáng)層的彈性模量, 由于外護(hù)層較薄, 可忽略外護(hù)層對(duì)微細(xì)光纜抗拉強(qiáng)度的影響, 并兼顧考慮微細(xì)光纜的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度性能?？砂聪率竭x擇加強(qiáng)層材料

　　式中: F為微細(xì)光纜承受的力; ε為與F對(duì)應(yīng)微細(xì)光纜的應(yīng)變; gE為光纖的彈性模量; gA為光纖的截面積; zA為加強(qiáng)層的截面積。

　　外護(hù)層材料需根據(jù)加強(qiáng)層材料和粘接劑材料確定, 既要與加強(qiáng)層緊密粘合, 又能與粘接劑有良好的粘接性能。加強(qiáng)層與外護(hù)層材料的選擇還需要考慮在海水惡劣環(huán)境下的使用性能, 且需致密, 在大水壓下水不能滲入光纜使光纖腐蝕產(chǎn)生氫損。

　　2.2 低應(yīng)力線團(tuán)繞制技術(shù)

　　微細(xì)光纜線團(tuán)是由2個(gè)端板、殼體和光纜線包組成[28], 見(jiàn)圖13。

　　2個(gè)端板和殼體組成線團(tuán)容器, 光纜線包在兩端板之間, 線包內(nèi)部為圓形空腔, 光纜從內(nèi)腔沿線團(tuán)軸線布放。線團(tuán)用專用纏繞設(shè)備將微細(xì)光纜分層雙向緊密纏繞在繞線軸上, 安裝殼體并卸除繞線軸和軸套后使用。

　　圖13 微細(xì)光纜線團(tuán)組成示意圖

　　Fig. 13 Schematic of fiber optic micro-cable clew component structure

　　微細(xì)光纜纏繞時(shí)需要施加一定的張力, 纏繞張力是微細(xì)光纜線團(tuán)緊密纏繞的保證, 而張力的存在會(huì)使內(nèi)層光纜承受徑向擠壓力, 且由于端板的限制, 會(huì)使光纜承受沿線團(tuán)軸向的擠壓力。2個(gè)方向擠壓力會(huì)改變光纜沿自身軸線方向的變形[29], 即

　　式中: Δri,n為第n層纏繞時(shí)第i層光纜的徑向變形; Δxi,n為第n層纏繞時(shí)第i層光纜沿線包的軸向變形; dFNri,n、dFNxi,n和ΔNxi,n為光纜上的受力;Er為光纜的徑向彈性模量; W r為光纜的徑向彈性系數(shù)。

　　光纜徑向變形使各層光纜產(chǎn)生徑向變形, 使其沿光纜的軸向長(zhǎng)度減小, 從而改變光纜中光纖的應(yīng)變, 即

　　式中: ,zinFΔ為第n層纏繞時(shí)第i層光纜的張力減小量; xE為光纜的軸向彈性模量; xA為光纜截面積; iR為第i層光纜的半徑; ,inRΔ為半徑減小量, 與該層和以下各層光纜的徑向變形量相關(guān)。

　　對(duì)于定張力纏繞方式, 光纖隨纏繞層數(shù)呈類拋物線變化趨勢(shì)。光纖應(yīng)力的存在會(huì)影響線團(tuán)的傳輸性能, 降低線團(tuán)的貯存、使用壽命。由實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出(見(jiàn)圖14), 在線團(tuán)內(nèi)層和外層光纖應(yīng)力較大, 而中間層應(yīng)力較小。圖中, 橫坐標(biāo)代表光纜線團(tuán)長(zhǎng)度, 縱坐標(biāo)為線團(tuán)中微細(xì)光纜應(yīng)變與纏繞張力施加在微細(xì)光纜上產(chǎn)生的應(yīng)變的比值。為減小線團(tuán)內(nèi)、外層光纖應(yīng)力, 可采用變張力纏繞方式, 在內(nèi)層纏繞和外層纏繞時(shí)適當(dāng)減小張力, 能夠有效降低線團(tuán)內(nèi)、外層應(yīng)力。同時(shí)每層光纜在纏繞時(shí)應(yīng)避免排線過(guò)程施加沿線團(tuán)軸向的擠壓力, 并在線團(tuán)成型后采用特殊處理工藝改變線團(tuán)應(yīng)力分布狀態(tài), 降低線團(tuán)整體應(yīng)力。

　　圖14 微細(xì)光纜線團(tuán)應(yīng)變分布曲線

　　Fig. 14 Strain distribution curve of fiber optic microcable clew

　　2.3 線團(tuán)布放動(dòng)態(tài)損耗控制技術(shù)

　　微細(xì)光纜全程可靠布放是水下航行器光纖通信的關(guān)鍵問(wèn)題, 布放過(guò)程中光纜從線包上帶扭剝離、從放線通道釋放時(shí)承受的拉力及布放彎曲狀態(tài)均會(huì)增大線團(tuán)的傳輸損耗, 且該損耗會(huì)隨剝離角和布放力的變化而動(dòng)態(tài)改變, 將線團(tuán)布放損耗控制在一定范圍以保證光纖信道傳輸?shù)目煽啃允撬鹿饫|布放技術(shù)的難點(diǎn)。

　　線團(tuán)纏繞時(shí)應(yīng)在微細(xì)光纜層間、匝間涂抹粘接劑, 將各層、各匝微細(xì)光纜粘接成一體, 提高卸除芯軸后光纜線包的整體性。采用特殊粘接劑涂抹方法, 以涂抹均勻性為目標(biāo), 可保證微細(xì)光纜逐匝逐層順次從線包內(nèi)腔剝離。剝離角是在剝離點(diǎn)處已布出光纜微元與未布出光纜圓切線的空間夾角, 與布放速度、粘接力及布放位置相關(guān)。剝離角較小時(shí), 微細(xì)光纜呈現(xiàn)小彎曲狀態(tài), 會(huì)增大光纖信道的傳輸損耗, 甚至?xí)斐蓴嗑€。在布放速度設(shè)定的條件下, 可通過(guò)調(diào)整粘接力來(lái)控制剝離角。粘接力越大, 剝離角較小, 且粘接力還影響光纜的布放力值。粘接力調(diào)整需要綜合考慮不同位置、不同速度狀態(tài)下光纜的布放狀態(tài), 可采用分層變粘接力控制方法, 將剝離角控制在一定范圍內(nèi), 有效限制因剝離角產(chǎn)生的附加損耗。

　　微細(xì)光纜的布放張力與布放速度、粘接力、放線通道形式相關(guān)。粘接力設(shè)置過(guò)大, 會(huì)造成剝離角的減小而引起損耗的增加, 粘接力一般遠(yuǎn)小于布放張力。在水下航行器設(shè)計(jì)時(shí), 設(shè)計(jì)放線通道將微細(xì)光纜的布放點(diǎn)設(shè)置在航行器流場(chǎng)影響區(qū)以外, 微細(xì)光纜經(jīng)過(guò)放線通道后布入水中, 放線通道的構(gòu)型也會(huì)影響光纜的損耗, 一般通過(guò)對(duì)放線通道進(jìn)行大圓角過(guò)渡設(shè)計(jì), 降低放線通道對(duì)布放附加損耗的影響。

　　2.4 大海深線團(tuán)承壓低損耗控制技術(shù)

　　對(duì)于大深度水下航行器而言, 要實(shí)現(xiàn)與母船的可靠通信, 除仍需微細(xì)光纜安全可靠布放外,還要求線團(tuán)在大耐壓條件下能將水壓引起的傳輸信道損耗控制在一定范圍內(nèi), 使光纖信道總的傳輸損耗低于通信系統(tǒng)最大允許傳輸損耗。

　　光纜線團(tuán)纏繞時(shí)應(yīng)施加一定的張力, 光纜線包層間、匝間致密且填充有粘接劑, 光纜線團(tuán)在水下使用時(shí), 水很難進(jìn)入線包內(nèi)部。兩側(cè)端板通過(guò)粘接劑與光纜線包兩側(cè)面粘接成一個(gè)整體, 水也很難滲入光纜線包與端板的接合面。光纖線團(tuán)內(nèi)腔中空, 兩側(cè)端板與殼體連接成整體, 在水壓作用下, 由于端板未形成均壓, 使端板內(nèi)圓處向線包側(cè)變形, 對(duì)光纜線包施加擠壓力, 導(dǎo)致線包內(nèi)部光纜應(yīng)力增大, 光纖信道損耗增加, 甚至造成通信中斷。具體的解決措施為: 增大光纜線包接觸水的面積, 使線包兩側(cè)面能盡可能多的接觸水, 并改善粘接劑材料和用量, 使光纜線團(tuán)在大水壓條件下, 水能滲入至線包內(nèi)部, 降低水壓形成的附加損耗, 同時(shí)優(yōu)化線團(tuán)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是兩側(cè)端板的設(shè)計(jì), 需選擇合適的端板材料, 減小線包軸向變形增大時(shí)因兩側(cè)端板限制而產(chǎn)生的擠壓力。

　　優(yōu)化后線團(tuán)的耐水壓傳輸性能主要依靠微細(xì)光纜自身保證, 然而當(dāng)光纖與加強(qiáng)層同軸度不好時(shí), 水壓下對(duì)光纜周向的擠壓力會(huì)使光纖產(chǎn)生微觀彎曲, 同樣會(huì)增大光纖信道的損耗, 因此, 對(duì)于深海使用條件, 需進(jìn)一步提高微細(xì)光纜的制造精度。

　　2.5 遠(yuǎn)程無(wú)中繼數(shù)據(jù)融合光纖傳輸技術(shù)

　　隨著水下航行器動(dòng)力技術(shù)的提升以及信息感知途徑的增加, 對(duì)水下光纖通信距離和速率的要求日益增加。電信通信領(lǐng)域可以在傳輸過(guò)程中通過(guò)電中繼或光中繼提升通信距離, 但是在水下光纖通信中, 光纜處于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)釋放之中, 光纜為整根纏繞組成, 不易添加中繼節(jié)點(diǎn), 因此通常采用長(zhǎng)距離的無(wú)中繼通信。光纖通信中影響光纖通信距離的主要參數(shù)為傳輸損耗和光纖色散。

　　光纖傳輸損耗主要由吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗組成, 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗; 散射損耗是由于光纖介質(zhì)不均勻, 傳輸光以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗; 彎曲損耗是由于光纖的彎曲,造成模式轉(zhuǎn)換, 增加傳輸損耗。由于水下航行器用微細(xì)光纜未釋放前為緊密纏繞的線團(tuán), 其彎曲損耗更為嚴(yán)重。衡量光纖損耗特性, 采用損耗系數(shù)α表示, 即傳輸單位長(zhǎng)度光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù), 數(shù)學(xué)表達(dá)式[30]

　　式中: α為損耗系數(shù); L為光纖長(zhǎng)度; 1P和 2P分別為光纖的輸入和輸出光功率。

　　當(dāng)只考慮光纖損耗時(shí), 可知

　　式中: Imax為無(wú)中繼光纖通信的最大距離;PTmax為光發(fā)射機(jī)最大平均發(fā)射光功率; Pr為光接收機(jī)接收靈敏度。

　　光纖色散是影響無(wú)中繼傳輸距離的另一個(gè)重要因素, 不同波長(zhǎng)或者不同模式的光由于傳輸速度不同, 經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端的傳輸時(shí)間不同, 導(dǎo)致光信號(hào)以不同光頻率成分或不同模式先后到達(dá)接收端, 產(chǎn)生波形失真。光纖的色散主要分為模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散,遠(yuǎn)距離傳輸一般采用單模光纖, 不存在模式色散,極化色散很小, 一般忽略不計(jì), 因此對(duì)于單模光纖, 光纖的總色散

　　式中: mτ為材料色散, Wτ為波導(dǎo)色散。

　　表征色散大小采用色散系數(shù), 定義為單位線寬光源在單位長(zhǎng)度光纖上所引起的時(shí)延差

　　式中: D(λ)為材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù);τ( λ)為光纖的群延遲。

　　對(duì)于單模光纖, 通信帶寬

　　式中: B為通信帶寬; λΔ為光源的譜線寬度。

　　從上式可以看出, 無(wú)中繼光纖通信系統(tǒng)的帶寬和距離成反比關(guān)系。

　　影響水下無(wú)中繼光纖通信距離和速率的主要因素為傳輸損耗和光纖色散, 且通信距離和通信速率成反比關(guān)系。目前主要通過(guò)提高發(fā)射機(jī)發(fā)射光功率, 使用高靈敏度的光接收機(jī)提升傳輸距離, 后續(xù)使用光纖放大器進(jìn)行性能提升也是目前的研究熱點(diǎn)。

　　隨著水下航行器功能的日益強(qiáng)大, 攜帶的傳感器數(shù)量和種類大幅增加, 特別是由于保密和小型化的要求, 越來(lái)越多水下航行器將原始傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)微細(xì)光纜直接傳輸, 由發(fā)射平臺(tái)進(jìn)行解算和處理, 再將操控信息回傳至水下航行器, 從而進(jìn)一步提高了對(duì)光纖通信系統(tǒng)傳輸帶寬和接口種類的要求。水下航行器攜帶的傳感器種類眾多:視頻傳感器、姿態(tài)傳感器、深度傳感器及聲學(xué)傳感器等, 通過(guò)信源級(jí)別的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)壓縮和冗余處理, 結(jié)合多模式接口協(xié)議轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)大容量多傳感器數(shù)據(jù)的融合傳輸。水下航行器作業(yè)過(guò)程中, 微細(xì)光纜處于高速動(dòng)態(tài)釋放過(guò)程, 傳輸光功率會(huì)發(fā)生瞬間波動(dòng), 造成誤碼。水下微細(xì)光纜傳輸必須設(shè)計(jì)合適的糾錯(cuò)編碼技術(shù), 進(jìn)行信道糾錯(cuò)和補(bǔ)償, 減小傳輸過(guò)程錯(cuò)誤概率, 提升傳輸效率。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　微細(xì)光纜具有重量輕、成本低、水下傳輸距離遠(yuǎn)、通信速率高的優(yōu)勢(shì), 能夠?qū)崿F(xiàn)全海域、各種速度下的水下遠(yuǎn)程高速通信, 在水下航行器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文中介紹了微細(xì)光纜在水下裝備中的最新研究成果及發(fā)展方向, 分析了不同使用要求下需要解決的關(guān)鍵技術(shù), 并提出了具體的解決途徑?？蔀槲⒓?xì)光纜在水下不同使用條件及環(huán)境下的應(yīng)用提供參考。

　　不過(guò), 由于微細(xì)光纜一般采用布放后不回收的使用方式, 超過(guò)一定航程通常一次性使用, 使其受到應(yīng)用成本限制。此外, 為避免水下航行器本身機(jī)動(dòng)對(duì)已布入水中的微細(xì)光纜可能造成的刮碰等損傷, 還需結(jié)合微細(xì)光纜在水中的布放性能,合理規(guī)劃水下航行器的航行路徑。

　　隨著微細(xì)光纜制造工藝和光纖通信技術(shù)的提升, 低成本、遠(yuǎn)距離、大容量信息傳輸將為微細(xì)光纜的水下應(yīng)用提供更為廣闊的前景, 這也是下一步研究的重點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 魏巍, 陳楠楠, 張曉暉, 等. 用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線光通信研究概況[J]. 傳感器世界, 2011, 17(3): 6-12.Wei Wei, Chen Nan-nan, Zhang Xiao-hui, et al. Survey on Optical Wireless Communications for Underwater Sensor Networks[J]. Sensor World, 2011, 17(3): 6-12.

　　[2] 張建華, 孫衛(wèi)華. 潛艇水下隱蔽通信技術(shù)研究[J]. 船舶電子工程, 2010, 30(2): 24-26.Zhang Jian-hua, Sun Wei-hua. Research on Underwater Covert Communication Technology for Submarines[J].Ship Electronnic Engineering, 2010, 30(2): 24-26.

　　[3] Catipovic J. Performance Limitations is Underwater Acoustic Telemetry[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,1990, 15(3): 205-216.

　　[4] 王毅凡, 周密, 宋志慧. 水下無(wú)線通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].通信技術(shù), 2014, 47(6): 589-594.Wang Yi-fan, Zhou Mi, Song Zhi-hui. Development of Underwater Wireless Communication Technology[J]. Communications Technology, 2014, 47(6): 589-594.

　　[5] 劉雪辰, 胡鵬, 趙巖. 魚(yú)雷光纖線導(dǎo)光傳輸技術(shù)研究[J].魚(yú)雷技術(shù), 2013, 21(1): 34-38.Liu Xue-chen, Hu Peng, Zhao Yan. An Optical Transmission Technique for Fiber Wire-guided Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2013, 21(1): 34-38.

　　[6] 張?jiān)蕽? 光纖通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(9): 18-21.Zhang Yun-jie. Application and Development of Optical Fiber Information Transmission[J]. Ship Electronic Engineering, 2013, 33(9): 18-21.

　　[7] 沈明學(xué), 崔維成, 徐玉如, 等. 微細(xì)光纜的水下應(yīng)用研究綜述[J]. 船舶力學(xué), 2008, 12(1): 146-156.Shen Ming-xue, Cui Wei-cheng, Xu Yu-ru, et al. Overview of Underwater Applications of Fiber Optical Micro Cable[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(1): 146-156.

　　[8] 高繼和. 線導(dǎo)魚(yú)雷放線系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2008.

　　[9] 郝保安, 孫起, 楊云川, 等. 水下制導(dǎo)武器[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2014.

　　[10] 林玉琛. 世界潛空導(dǎo)彈發(fā)展的現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代軍事,2005(5): 38-41.

　　[11] 張曉強(qiáng). 細(xì)看獨(dú)眼巨人 歐洲光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈時(shí)代來(lái)臨[J].國(guó)際展望, 2004(13): 62-67.

　　[12] 林玉琛. 潛艇面臨的威脅及潛空導(dǎo)彈[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2005, 33(1): 19-27.Lin Yu-chen. Threats to Submarine and Submarine to Air Missiles[J]. Modern Defence Technology, 2005, 33(1):19-27.

　　[13] 錢(qián)東, 孫正杰. 新型孔潛攻防武器及其對(duì)反潛戰(zhàn)的影響[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2008, 16(6): 1-9.Qian Dong, Sun Zheng-jie. Anti-submarine Warfare(ASW)Weapons and Sub-to-air Missile with Influences on Future ASW[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(6): 1-9.

　　[14] 李一平, 李碩, 張艾群. 自主/遙控水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J]. 工程研究——跨學(xué)科視野中的工程, 2016, 8(2):217-222.Li Yi-ping, Li Shuo, Zhang Ai-qun. Research Status of Autonomous & Remotely Operated Vehicle[J]. Journal of Engineering Studies, 2016, 8(2): 217-222.

　　[15] 王磊, 劉濤, 楊申申, 等. 深海潛水器ARV關(guān)鍵技術(shù)[J].火力與指揮控制, 2010, 35(11): 6-8.Wang Lei, Liu Tao, Yang Shen-shen, et al. Key Techniques of Deep-sea Submersible ARV[J]. Fire Control &Command Control, 2010, 35(11): 6-8.

　　[16] Fletcher B, Young C, Buescher J, et al. Proof of Concept Demonstration of the Hybrid Remotely Operated Vehicle(HROV) Light Fiber Tether System[C]//IEEE Oceans Conference. Quebec, Canada: IEEE, 2008: 1-6.

　　[17] Young C, Fletcher B, Buescher J, et al. Field Tests of the Hybrid Remotely Operated Vehicle(HROV) Light Fiber Optic Tether[C]//IEEE Oceans Conference. Boston, MA,USA: IEEE, 2006: 1-6.

　　[18] Louis L, Whitcomb. Navigation and Control of the Nereus Hybrid Underwater Vehicle for Global Ocean Science to 11 000 m Depth: Preliminary Results[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation, Berlin Heidelberg: IEEE, 2010.

　　[19] Steve Cowen. Flying Plug: A Small UUV Designed for Submarine Data Connectivity[C]//Submarine Technology Symposium Symposium. Baltimore: SUBTECH, 1997.

　　[20] Aoki T, Murashima T, Tsukioka S, et al. Development of Deep Sea Free Swimming ROV "UROV7K"[C]//IEEE Oceans Conference. Seattle: IEEE, 1999: 1307-1311.

　　[21] Aoki T, Tsukioka S, Hattori M, et al. Development of Expendable Optical Fiber Cable ROV "UROV"[C]//IEEE Oceans Conference. Genoa: IEEE, 1992: 813-818.

　　[22] 徐鵬飛, 崔維成, 謝俊元, 等. 遙控自治水下機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].中國(guó)造船, 2010, 51(4): 100-110.Xu Peng-fei, Cui Wei-cheng, Xie Jun-yuan, et al. Control System Design for Autonomous and Remotely-operated Vehicle[J]. Shipbuilding of China, 2010, 51(4): 100-110.

　　[23] 王瑤, 徐鵬飛, 胡震.“海箏II型”遙控自治水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究[J]. 船舶電子工程, 2014, 34(3): 56-60.Wang Yao, Xu Peng-fei, Hu Zhen. Motion Control of"SeaKite-II" Autonomous and Remotely-operated Vehicle[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(3): 56-60.

　　[24] 張海燕, 叢鍵, 羅秋霞.水下戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)和安全技術(shù)研究[J]. 通信技術(shù), 2017, 50(5): 944-949.Zhang Hai-yan, Cong Jian, Luo Qiu-xia. Undersea Tactical Network and Security[J]. Communications Technology, 2017, 50(5): 944-949.

　　[25] Renner H. Bending Losses of Coated Single-mode Fibers:A Simple Approach[J]. Journal of Lightwave Technology,1992, 10(5): 544-551.

　　[26] Gerd Keiser. 光纖通信[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2002.

　　[27] 薛夢(mèng)馳. 光纖彎曲損耗的研究與測(cè)試[J]. 電信科學(xué),2009, 25(7): 57-62.Xue Meng-chi. Research and Measurement of Optical Fibre Macrobend Loss[J]. Telecommunications Science,2009, 25(7): 57-62.

　　[28] 趙金才, 湯偉江, 孫鐵繩. 有線通信浮標(biāo)光纖線團(tuán)受力分析及仿真[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2016, 24(5): 384-389.Zhao Jin-cai, Tang Wei-jiang, Sun Tie-sheng. Force Analysis and Simulation of Optical Fiber Clew for Wired Communication Buoy[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(5):384-389.

　　[29] 湯偉江, 劉衛(wèi)東, 陳剛, 等. 水下通信用光纜線包纏繞力學(xué)建模及仿真[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 34(6):996-1003.Tang Wei-jiang, Liu Wei-dong, Chen Gang, et al. Winding Mechanical Modeling and Simulation of Fiber Optic Cable Spool for Underwater Communication[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(6):996-1003.

　　[30] 鄧大鵬. 光纖通信原理[M]. 北京: 人民郵電出版社,2009.

　　Overview of Applications of Fiber Optic Micro-cable in Undersea Vehicle and Key Technologies

　　GAO Zhuo1,2, TANG Wei-jiang1,2, ZHU Yun-zhou1, ZHANG Xi-shun3

　　(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China; 3. Naval Armament Academy, Beijing 100161,China)

　　Abstract:Fiber optic micro-cable has the advantages of light weight and low cost, and it can realize high-capacity and long-distance information transmission of remote control, navigational status, video, and so on between undersea vehicle and mother ship. It has extensive applications in torpedo, submarine-to-air missile, unmanned undersea vehicle, and underwater fiber optic network. This paper introduces the applications of fiber optic micro-cable to various types ofundersea vehicles, and analyzes the application-concerned key technologies, such as cable manufacturing technology,spool winding technology, wire releasing dynamic loss control and optical fiber transmission technology. In addition,specific solutions to these key technologies are offered. This study may provide a reference for development of undersea vehicle’s remote high-speed communication.

　　收稿日期:2017-09-30;

　　修回日期:2017-11-01.

　　作者簡(jiǎn)介:高 卓(1971-), 男, 碩士, 研究員, 主要研究方向?yàn)樗峦ㄐ偶夹g(shù).