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摘 要：通过光纤制导导弹(FOG-M)的工作原理和应用前景，论述光纤制导武器的独特优势、关键技术、干扰技术及其解决问题的途径等。
关键词：光纤制导导弹；反坦克；反直升机；关键技术；干扰技术
分类号：TJ765.3 文献标识码：A
TAN Xian-yu
(Huazhong Precision Instrument Factory,Zhicheng Hubei 443304)
Abstract：The author gives a brief account of working principle and application prospects of FOG-M，discusses their unique superiority,key technology and countermeassure technologies.
Key words：FOG-M；antitank;antihelicopter;key technology;countermeassure technology.
顾名思义，导弹是经无线电波、光波(可见光、红外、激光、紫外光)或导线(光纤)制导到目标的一种特殊炸弹，其命中精度取决于采用的制导技术和体制。多年来，导弹的制导体制和技术已经历了多代改进和发展，远程、中程和近程战术导弹已由分米波、厘米波及导线制导发展到毫米波、红外(1μm～3μm，3μm～5μm和8μm～12μm)、激光、可见光和紫外制导以及光纤制导；导弹上也装有了多功能高速集成电路(HSIC)微处理器和微波/毫米波集成电路(MIMIC)以及可见光TV摄像机、前视红外(FLIR)成像探测系统和红外搜索跟踪(IRST)点源探测系统，导弹本身就可以搜索、捕获、识别、分选和跟踪目标，进行自适应制导控制，实现了高性能的自主制导。而光纤制导导弹(FOG-M)具有导线制导和无线电波、红外、可见光制导及激光制导导弹所不具有的独特优点，如保密性强、隐蔽性好、制导精度高、信息传输容量大，抗电磁、核辐射和化学反应的干扰以及成本低、体积小、重量轻等，是近年来国外广泛用于对付武装直升机和坦克的一种制导技术和制导体制，颇受以美国为首的西方国家陆、海、空三军的高度重视，是很有潜力的制导体制。
光纤制导导弹发展于70年代中后期，80年代初美国开始进行演示试验，1985年美国陆军首先将光纤制导导弹(FOG-M)列入前沿区域的防空系统(FAADS)计划，采用非瞄准线FOG-M来对付武装直升机和坦克。与此同时，美、法、德、英、意、以色列、巴西、西班牙和日本等国也竞相发展光纤制导导弹(FOG-M)，其中美国休斯公司和波音公司于1988年联合研制的FOG-M被陆军导弹司令部选用后开始进入全面工程研制阶段。据报道，美陆军1987年投资约6000万美元，1988年投资5850万美元，1989年为9650万美元，1990年为1.394亿美元，用于研制光纤制导导弹(FOG-M)。目前技术较为先进的有美陆军的FOG-M和法、德、意三国联合研制的POLYPEM光纤制导导弹(FOG-M)系统，弹长1.7m，弹径0.15m，重量约37kg，所采用的光缆直径为0.25mm，抗拉强度为200kg/mm2，导弹飞行速度为100m／s～200m/s，作战距离10km～20km。光纤制导导弹的导引头由可见光TV摄像机或CCD成像探测器向前视红外探测系统方向发展，实时摄取目标图像后经光缆传送给发射制导装置，然后根据目标图像与飞行弹道的偏差形成控制指令，再经光纤送入导弹，控制导弹飞行并击中目标。据报道，90年代中后期美国休斯公司为MTCOM提供了FOG-M的256×256元PtSi红外焦平面阵列探测器，可实现车载系统的六发联装垂直发射方式，主要用于对付利用地形隐蔽的或者不在瞄准线内的武装直升机或装甲车、坦克等，定于1997年开始装备，计划购买15000枚～18000枚导弹和200个～300个发射装置。
本文主要论述光纤制导导弹(FOG-M)的工作原理、应用前景、关键技术及存在的缺陷以及对光纤制导导弹实施干扰等技术。
1 光纤制导导弹的工作原理和应用前景
1.1 光纤制导导弹的工作原理
光纤制导导弹(FOG-M)工作原理如图1所示。它由发射制导系统、光缆和导弹等组成。
图1 光纤制导导弹的工作原理示意图
图中导弹从不可见目标的发射点垂直向上空发射到100m～200m(随地形或障碍物高度而定)后经光缆将导弹导引头摄取到的包括目标在内的场景图像传送到发射点，射手以此识别选择和跟踪目标或由火控计算机自动识别跟踪目标，对导弹发出控制指令，再经光缆传送到导弹并控制导弹飞向目标。由图看出：①导弹发射制导系统由激光发射接收器、双向耦合器、信号处理和指令形成及目标自动跟踪器、目标图像显示器三部分组成，其中激光发射接收器用于发射、接收1.5μm的上行信号和1.3μm的下行信号；双向耦合器是完成激光信号和电信号的相互转换；信号处理、指令形成和目标自动跟踪器用于由导弹传送给发射点的目标信息和弹上信息并将这些信息进行修正处理后，形成导弹运动控制和弹上探测器的转动控制等指令信号，对目标进行自动跟踪并控制导弹命中目标；目标图像显示器用于实时显示目标的图像和导引头的飞行轴向。②导弹由导引头、万向支架、惯性测量装置、控制器和激光发射接收器等组成，其中导引头是导弹探测目标的关键部件，一般用可见光TV摄像机、前视红外(FLIR)成像探测系统或红外搜索跟踪(IRST)点源探测系统或毫米波(MMW)雷达等，用于实时获取目标图像；万向支架用于控制和稳定导弹的飞行轴向；惯性测量装置用于测量并实时提供导弹运动状态的信息；控制器是根据地面发射制导系统的指令信息，用于控制导弹的飞行状态；激光发射接收器由向下行(地面)发送光信号的激光发射器和接收来自上行(地面)光信号的接收器以及光导纤维双向耦合界面组成，并经光纤界面发射和接收光信号，提供电信号与激光信号之间的相互转换。③光缆包括光纤卷盘和光缆两部分，其中光缆是经光纤卷盘连接导弹和地面发射制导系统之间的光导纤维，一条光缆通过两个波分复用通道可以同时发送上行1.5μm的光信号和下行1.3μm的光信号；光纤卷盘主要用于释放信息传输和指令制导的光缆。1.2 光纤制导导弹应用前景
由于光纤制导导弹具有保密性强、发射点隐蔽、抗电磁、核辐射和化学反应的干扰，制导精度高、信息传输容量大、攻击目标的变换速度快、能昼夜工作以及设备简单、体积小、重量轻、成本低和机动灵活等独特优势，深受各国军方的高度重视，应用前景极为广阔。但因制导距离受光纤长度的限制，导弹的飞行速度受光纤自身强度和光纤卷盘释放速度的限制，其制导距离理论上可以达到50km～60km，目前只能达到10km～20km；优质光纤理论上的抗拉强度应大于246kg/mm2，目前只能达到200kg/mm2；光纤制导导弹的飞行速度最大可达300m/s～320m/s，目前只能达到150m/s～200m/s。因此，光纤制导导弹目前主要用于复杂地形和复杂环境条件下对付不可瞄准的慢速运动(或飞行)目标，如武装直升机，地面坦克、装甲，海上舰艇等。
自1985年美国陆军首次将光纤制导导弹用于非瞄准线上对付武装直升机和坦克以来，扩大了美国各军、兵种的如下应用范围：①1992年美国防部和陆军提出，从1994年起研制出间瞄式武器系统增强型光纤制导导弹(EFOG-M)，装备快速反应部队，用于对付机动性强的武装直升机和装甲部队；②美海军海洋系统司令部提出“海光(Staray)”计划，从舰上发射光纤制导导弹(FOG-M)，于1994年从大量试验中取得了可靠数据；美海军防空系统司令部于1993年分别提出“空光(Skyray)”计划和光纤技术计划(FOT)，其中“空光”计划是从空中发射光纤制导的反舰导弹，于1994年进行了多次试验；光纤技术计划是一种从空中发射光纤制导的“白星眼”制导炸弹，从A-7“海盗”攻击机上发射“白星眼”光纤电视或红外成像制导炸弹，目前从20多次试验中取得了大量数据，待装后用于对付海上舰艇；③美国空军早于1988年与罗克韦尔公司签订了一项有275万美元的合同，用于论证光纤制导的GBU-15炸弹和研究AGM-30导弹的光纤制导系统，并于1991年经大量试验后又签订了5000万美元的研制合同，目前已进入工程研制阶段，计划本世纪末装备。
此外，德、法、意、英、以色列、日本、巴西和西班牙等国也正在加速发展光纤制导导弹(FOG-M)，其中德国航空航天(MBB)公司于1982年就开始了“独眼巨人”FOG-M的可行性研究，1984年射程为2.5km，1986年进行了反坦克演示，1988年至1989年成功地试验FOG-M的导弹射程达7km；随后1991年德、法联合研制“独眼巨人”光纤制导导弹，1994年意大利陆军加入研制，成为德、法、意三国联合研制的“独眼巨人”光纤制导导弹，1996年“独眼巨人”光纤制导导弹的射程已达16km～30km；与此同时，德国海军也着手改进“独眼巨人”光纤制导导弹，将其装备212型潜艇和新一代小型护卫舰上，用于反直升机、反舰和攻击海岸目标，并与美国西屋公司合作，加速将“独眼巨人”用来装备潜艇。从80年代末开始，巴西航空公司也正着手研制一种光纤制导多用途导弹(FOG-M)，用来对付包括武装直升机、装甲车和掩体在内的各类战场目标，并于1995年已完成FOG-MPM研制任务的80%，经过多次试验后目前的射程已达20km。据报道，以色列和日本也正在研制和试验光纤制导导弹，其中日本研制的是装有红外导引头的一类XATM-4型光纤制导导弹(FOG-M)；以色列研制的是相当于轻标枪型的光纤制导导弹(FOG-M)。此外还有英国正在研制M270运载发射车式FOG-M，用来对付坦克，射程已达10km。
国外部分光纤制导导弹型号和性能见表1。
表1 国外部分FOG-M型号和战术性能比较
| 国 别 |
导弹型号 | 作战距离 (km) |
发射方式 | 弹长 (m) |
弹径 (m) |
发射重量 (kg) |
速度 (m/s) |
导引头(或战斗部) 关键技术 |
| 美国 | 陆军 NLOS |
10 | 6联垂直发射 | 1.68 | 0.150 | 32.70 | 导引头采用CCD 摄像机 |
|
| 陆军 EFOG-M |
15 | 8联装垂直发射 或倾斜发射均可 |
1.93 | 0.165 | 15.00 | 巡航 125 |
采用640×480元 PtSi红外导引头 |
|
| 德法意 | “独眼巨人” | 30～60 | 最大发射角 60° |
0.200 | 140.00 | 最大 220 |
3.4μm～5.5μm摄像机， 视场7.5°×10°，扫描范围±30°， 探测距离9km |
|
| 巴 西 | FOG-MPM | 20 | 8联载 垂直发射 |
1.50 | 0.180 | 战斗部能穿透1m 厚的钢装甲车 |
||
| 以色列 | 2 | 类似标枪导弹 | ||||||
| 西班牙 | MACAM | 5 | 采用CCD摄像机 | |||||
| 日本 | XATM-4 | 10 | 采用红外成像导引 | |||||
| 英国 | FOG-M | 10 | 6联装垂直 或倾斜发射 |
采用CCD摄像机或 红外成像导引 |
除上述应用外，光纤制导还可用于：①用来拦截隐蔽物遮挡悬停或飞行的武装直升机，这一点其它导弹很难做到；②在地形相当复杂的条件下，用于从天顶攻击和摧毁目标，这一点其它导弹也无法实现；③与光纤陀螺和光纤水声探测器一起为光纤制导鱼雷提供一种理想的声光转换器件，其制导距离达20km；④用光纤的数据传输来遥控排除地雷及其它障碍物；⑤用光纤遥控来进行战区前沿的侦察监视、探雷排雷、坦克等武器系统的运送以及弹药补给等，从而有效地减少了操作人员的伤亡。
2 光纤制导导弹的关键技术及存在的缺点
图1中光纤制导导弹(FOG-M)的关键技术主要是光缆和导弹导引头，其次是导弹的发射制导系统。但其本身存在无法克服的缺点。
2.1 光缆
光缆是传输大容量指令信息和将导弹精确制导到目标的唯一通路，其制导体制的保密性、隐蔽性、抗干扰性、精度、信息传输、变换速率、昼夜工作以及机动灵活等独特优点都取决于光缆。而光缆的芯线是光纤(光导纤维)，其制导导弹的性能直接受光纤制作工艺水平的限制。因此，光导纤维决定了光纤制导导弹的发展前景和应用前景。
2.1.1 光纤类型及其传输性能
目前光纤通信和FOG-M均采用单模和多模两类光纤。单模与多模光纤相比，频带宽100倍，芯径约小10倍，损耗低2倍且传输性能好，抗辐射能力强、抗拉强度高。但单模光纤对耦合器的对接要求严格，光纤本身及所用光电元器件的价格较高。多模和单模光纤的技术性能比较见表2。
表2 多模和单模光纤的技术性能比较
| 光纤类型 | 芯径 (μm) |
外径 (μm) |
损耗 (dB/km) |
带宽 (GHz×km) |
| 多 模 | 50 | 125 | 0.8 | 1 |
| 单 模 | 5 | 125 | 0.4 | 100 |
2.1.2 抗拉强度 光纤制导导弹(FOG-M)用光缆要求全长任何部位的抗拉强度大于246kg/mm2即光纤承受的压强为1.39GPa且无任何裂纹。目前美国休斯公司推出的无缓冲层光纤唯一能满足这一要求，其玻璃芯径为6μm～35μm，光纤芯包一层玻璃后直径增至125μm，再加聚合体包层后直径达200μm～300μm，重量为0.142g/m，释放光缆的工作压强为1.4Gpa～2.1GPa，光纤压强可达4.2GPa，完全能满足要求，但价格昂贵。据报道，美国科宁玻璃公司采用新技术研制出一种FOG-M的专用光纤，除能达到休斯公司目前强度4.2GPa外，还可随意弯曲和伸展且不产生信号衰减，是未来FOG-M用的最理想光纤。 2.1.3 光纤长度及其对接 光缆的长度应满足表1中导弹作战距离如10km，15km，20km和30km～60km的要求，目前生产整根光纤的连续长度只有几公里，必须对接(或拼接)后才能制成数十公里长的光缆。而FOG-M用光纤对接处的直径和抗拉强度应与原光纤完全相同，其制作工艺极为复杂，成本比光纤通信用光缆高10倍。 2.1.4 光纤卷盘的绕线和放线 光纤制导导弹用光缆通常缠绕在专用卷盘上，在导弹制导过程中能顺利地释放，以满足导弹飞行速度要求。光缆在制造过程中是大批连续生产和绕制，随着生产技术的发展，一盘光缆在高温条件下用卷盘绕制的时间可以从20h缩减至3h；而卷盘在光纤制导导弹过程中释放光缆的温度是随导弹的作战环境温度变化，通常大大低于用卷盘绕制光缆的温度。如何解决光缆在高温密绕过程中保持各条光缆的间隔和各层光缆之间的粘合力，以满足FOG-M释放光缆的速度要求，是一项有待解决的关键技术。据报道，美国休斯公司提出解决这一关键技术之一是采用一种工作温度极宽且不影响光缆释放的新型单模光纤；其二是分别在导弹和发射制导装置上各装一盘光缆释放，以避免光缆拉得过紧及减轻导弹的负载。这一方案美国在夏威夷群岛的海军海洋系统中心用BGM-34作为靶机的光纤制导导弹试验中已得到了验证；同时，德、法联合研制的光纤导弹“独眼巨人”演示中，为利于光缆从弹尾卷盘释放，导弹采用侧向排气的火箭发动机，从而避免了发动机的气流损伤光缆，保证了光纤制导导弹的正常作战。 2.2 导弹导引头 导引头是决定导弹能否发现、识别、跟踪和命中目标的关键部件。根据其工作原理是用光纤来传输导引头与地面发射制导系统之间的全部信息，而光纤的传输性能具有任何一种能产生视频图像信号或由探测器转换成视频图像的传输能力。因此，在光纤制导导弹导引头中可以装可见光TV摄像机、CCD(Charge Coupled Devices)摄像机、前视红外成像器和毫米波(MMW)雷达等，以提供足够分辨率的视频图像来搜索、发现和识别跟踪目标并制导导弹命中目标。 2.2.1 可见光TV导引头 TV导引头是光纤制导导弹初期试验中装的导引头。由于结构简单、技术成熟、成本很低，据估计，未来的FOG-M仍将有2/3的导引头装备TV摄像机。美国在FOG-M初期作战鉴定试验(IOE)中用的导引头是仙童公司生产的CCD摄像机，阵列象元为484×510，其灵敏度接近红外波段。 2.2.2 红外成像导引头 红外成像导引头是把3μm～5μm波段或者8μm～12μm波段工作的前视红外(FLIR)线列或焦平面阵列探测器装于FOG-M的导引头中，并由探测器转换成视频图像信号，操作手仅借视频TV图像来发现、识别和跟踪目标并制导导弹命中到目标。这种导引头不仅能有效地增大探测目标的距离，还可全天候工作，是光纤制导导弹的第二代导引头。1986年美国休斯公司的第二代FOG-M的试验演示，采用镶嵌式凝视红外焦平面阵列256×256元探测器装于导引头后，与可见光TV摄像机导引头相比较，探测和发现目标的距离增大了4倍，灵敏度提高了一个数量级，分辨率提高了2倍并能全天候工作，证明凝视红外焦平面阵列探测器用于FOG-M的突出优点。若凝视红外焦平面阵列探测元越多，其探测视场越大，灵敏度和分辨率也越高。据报道，到本世纪末将研制出高于1024×1024探测元的凝视红外焦平面阵列导引头，为FOG-M的发展和应用开辟了广阔的前景。但探测元越多，凝视芯片越复杂，高速多路信息处理是有待解决的关键技术。此外，凝视红外焦平面阵列导引头易受烟尘、雾和湿度等气候条件的影响，使其性能有所下降。 2.2.3 毫米波雷达导引头 毫米波位于微波和红外光波之间，大气传输性能与微波接近，受烟幕、雾和雨的影响很小，具有准全天候工作的能力；同时又具有红外光波的传输数据容量大，探测、识别和跟踪目标的精度高，图像分辨率接近红外光谱。技术上，目前在阴极摄像管的屏幕上显示毫米波雷达的图像也不存在特殊困难。因此，毫米波雷达导引头是FOG-M中很理想的导弹导引头，其发展前景相当广阔。 2.3 导弹发射制导系统 光纤制导导弹的发射制导系统包括信息传输、导弹发射制导、数字地图发生及其校正。 信息传输的作用是传输发射控制中心与运载升降发射架之间的数据。其作用包括：与掩体内的仪器进行信号对接；将这些信号进行多路转换，使之成为连续的数据流，便于在光纤内将电信号转换成光信号；给掩体接收台的仪器分离和信号分配等。整个系统的设计突出了插件电平的自检测和故障隔离。信息传输系统在发射控制中心与每个运载升降发射架之间有三条同时双向传输的信道：第一条连接数据处理器；第二条运载数字化声频信号；第三条发射关键性的指令、安全和控制等信号。全部信号均多路传输到编码串联基带的传输格内。因此，光纤发射器和接收器的全部插件均相同。 数字地图发生器(DMG)是用来选择导弹的飞行线路即计划从发射点到进入目标区的可行路线，以提供导弹飞行路线下面的地貌特征。它可采用两种地图方式：一种是根据文献数据(Cultural Data)来进行数字特征分析；另一种是根据现代地图即经数字处理后的地图。 数字校正器是把导引头监视到的各段线路与所存储的数据进行比较。当导弹飞行到战区末段时即对导引头输送多种基准数据，引导导弹飞向并命中目标。 2.4 光纤制导导弹存在的缺点 光纤制导导弹的独特优点都集中在光纤的信息传输和导弹的发射制导，但光纤本身如光缆长度、卷盘的释放速度以及光纤自身的抗拉强度等存在以下无法克服的缺点，从而限制了导弹的作战距离、飞行和攻击目标的速度等。 a 光缆经卷盘释放，卷盘的运转速度限制了导弹的飞行速度。据估算，光纤制导导弹的飞行速度最高可达300m／s～320m/s，实际作战中，目前只能达到125m／s～220m/s。这样低的飞行速度，不仅容易受地空导弹或空空导弹的攻击，更容易受其它武器系统的干扰。 b 光缆长度及其抗拉强度限制了光纤导弹的制导距离。据估算，理论上优质光纤的抗拉强度应大于246kg/mm2，实际作战中大多仅能达到200kg/mm2左右，加上导弹的飞行速度慢等原因，若要攻击光纤导弹能达到的较远距离(如飞机和坦克等)就需要较长时间，在此情况下，导弹发射点的生存能力将受到威胁。 c 装有可见光TV导引头的光纤制导导弹易受战场环境烟幕和雾、雨等自然环境条件的影响；装有红外成像导引头的光纤制导导弹易受烟尘、雾和湿度等自然环境条件的影响。 3 对光纤制导导弹的干扰 根据光纤导弹战术要求规定的安全性指标，攻击目标的最近距离应在3km左右。当导弹发射升空至200m后以100m／s～200m/s的速度水平飞行到3km距离的目标时，若不考虑信息传输、目标识别和指令形成的延迟时间，经计算，攻击目标的时间至少需要14s～28s才能命中目标。按此计算，发射点离目标的距离越远，攻击目标的时间也越长。光纤制导导弹对不同目标距离的攻击时间见表3。 表3 光纤制导导弹对不同目标距离的攻击时间 |
| 不同目标 距离(km) |
3 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 50 | 60 |
| FOG-M的 攻击时间(s) |
14～28 | 24～48 | 49～98 | 74～148 | 99～198 | 149～298 | 249～498 | 299～598 |
随着光电探测制导武器的发展，光电对抗手段也日益完善，采用全波段、多功能的复合型发烟剂不仅可以干扰光纤制导导弹，还可干扰可见光、激光、红外、紫外以及毫米波雷达等复合制导导弹。其中采用烟幕弹来干扰光纤制导导弹是有效的方法之一，且成本低，干扰效果好，即以小的代价来保护昂贵的武器设备；而采用大功率压制式有源干扰设备是干扰光纤制导导弹用的现代光电对抗手段，虽然成本较高，技术较复杂，但可以用来干扰多种体制制导的导弹，应用范围和应用前景极为广阔，是目前对抗各类来袭导弹的发展方向。
作者简介：谭显裕(1943-)，男，湖南人，现任湖北华中精密仪器厂高级工程师，主要从事相位激光测距仪、脉冲激光测距仪整机、电路及光电子技术和标准化方向的研究。
作者单位：谭显裕（华中精密仪器厂 湖北枝城 443304）
参考文献：
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［5］ Gianni uda,Development and Application of FOG-M,SPIE［C］.1997
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