直升机飞行控制第7章(共24页)

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1、第 7 章 光传飞行控制系统7.1 光传飞行控制系统概述7.1.1光传操纵系统概述1 发展背景自1903年莱特兄弟用机械操纵系统完成人类首次飞行以来，科学技术突飞猛进，飞机性能不断提高，飞机上各种系统也日趋完善。然而飞机操纵系统的发展相对缓慢，机械操纵系统仍在许多飞机上使用。这种系统在驾驶杆和飞机的舵机之间存在一套相当复杂的机械联动装置和液压管路。驾驶员操纵驾驶杆，通过联动装置控制舵面，以保持期望的飞行姿态和航迹。随着飞机性能的不断提高，这种单纯的机械操纵系统已远不能满足要求。于是设计者们借助于增稳系统和控制增稳系统改善飞机的操纵性能。尽管如此，机械操纵系统的固有缺点还是难以克服，如体积大、重

2、量大、存在摩擦间隙非线性等。上世纪50年代末人们提出了一种全新的方案电传操纵系统(FBW: Fly-by-Wire)，它消除了机械操纵系统中布满机身内部的连杆装置。电传操纵系统的优点是明显的，它减轻了操纵系统的重量，减少了体积，节省了设计和安装时间，提高了飞行操纵系统的可靠性、生存性，大大改善了飞机的操纵品质。但电传操纵系统也有其自身的缺陷，其中最主要的是它不能防御电磁干扰(EMI)和闪电等造成的电磁脉冲(EMP)。现代飞机性能不断提高，电子设备日趋复杂，飞机的大型化和采用余度技术等必然导致电缆用量增加、线路布局更加复杂，增加了各线路间的干扰、地环流的相互影响等，严重时系统将不能正常工作。与此

3、同时，未来的飞机期望采用复合材料代替目前使用的铝合金，这对于减轻飞机重量，从而提高飞机机动性是极为有利的，预计可减少飞机重量的15%40%。但作为飞机蒙皮的铝合金外壳起着屏蔽罩的作用，它可大大减轻飞机遭电磁干扰时对飞控系统的影响，铝合金材料应用的减少、复合材料应用的增加意味着屏蔽作用的削弱乃至消失，因此必须采取防御措施。另外，核爆炸时会产生强烈的电磁辐射，电磁场强度相当大，对金属导线及电子元器件组成的电传操纵系统的危害相当大。作为军用战术飞机，电子战的对抗也对飞机内的电子系统的生存能力提出更高的要求。解决上述问题的最基本方法是把光纤传输技术应用于飞控系统，即光传操纵系统(FBL: Fly-by

4、-Light)。所谓光传操纵，是指飞机的飞行控制，发动机控制和航空电子系统中以光纤作为信号传输媒介，以光的形式代替电信号传输。它可有效地防御EMI、EMP，防止雷击、核爆炸等引起的电磁脉冲干扰，而且具有体积小、重量轻、传输容量大等优点，从而大大改善了飞机的操纵品质，提高了飞机系统的可靠性及生存能力。可以预见的是，光传操纵系统将首先在直升机上得到广泛应用。因为相对于固定翼飞机，直升机空间更加狭小，基本上所有的电子设备均集中于机头座舱的下方，相互干扰严重。并且由于直升机特定的飞行任务，它在工作中更易受外界环境的影响。随着现代化战争的发展，直升机被越来越多的应用于电子战，信息战等非常规作战任务，光传

5、操纵系统在直升机上的应用显得更为重要。由光纤代替铜导线传输是二十世纪90年代后的必然趋势，光传操纵系统被航空界誉为第三代操纵系统。2 光传操纵系统的优点光传操纵系统采用光纤作为传输媒介，信号传输以光的形式，而不是以电的形式进行传递，因而具有许多独特的优点：1) 光纤可以有效地防御电磁干扰、电磁感应以及由闪电或雷击引起的电磁冲击，对核爆炸引起的电磁脉冲不敏感，这是光纤用于飞控系统最直接、最主要的原因。2) 光纤一般由SiO2晶体组成，纤芯很细，可以大大减轻系统的重量。如1公里长8芯光缆仅重60千克，而1公里长8芯铜缆重4.8吨。军用特制光缆每公里仅5千克左右。3) 光纤是介质材料，不向外辐射能量

6、，不存在金属导线所固有的地环流和由此引起的瞬间扰动。4) 光纤的频带很宽，传输信号速率高、容量大，利用时分复用技术和波分复用技术可实现信号的多路传输，由此可大量降低传输线缆所占的空间，减小体积。5) 光纤在机载环境下(高温、高压、振动等) 抗腐蚀性和热防护品质优良。6) 光纤的电隔离性好，避免了电火花的产生，从而消除了电火花引起爆炸的可能性。7) 传输损耗低，同轴电缆1.5公里需有中继站，而光纤可传输上百公里无需中继站。8) 与铜电缆相比，光纤具有较大的成本优势。表7-1为美国A-7飞机的飞控系统采用光纤和铜导线的比较，从中可看出光传的优势。表7-1 A-7飞机的光传、电传比较铜导线光纤比较所

7、用数量30213减少95.6%电/光缆连接器质量(千克)14.451.2减少91.7%总长度(米)576. 168. 3减少88.1%费用(美元)16301030减少58.2%3 研究概况国外对光传系统的研究早在70 年代初就已经开始，特别是以美国为首的西方国家凭借先进的科技和雄厚的资金，对光传系统的研究处于领先地位，已取得了一系列成果。1975 年，美空军飞行试验中心在A- 7D飞机上利用光纤作为数据传输线，同时备有双通道的同轴电缆传输线。数据传输可采用下列三种方法中的任一种：a) 通过光纤传输; b) 通过同轴电缆传输; c) 光纤和同轴电缆同时传输。1979 年，美国洛克希德-乔治亚公司

8、在一架卡普罗尼喷气滑翔飞机上试验了光传操纵系统，把光纤信号传输用于俯仰通道的控制，其目的是在飞行中研究和评定一种采用光纤进行指令和反馈信号传输的闭环数字飞行控制系统，于1979年9月进行了试飞，获得了满意的结果。试验表明：与电传操纵系统相比，光传操纵系统在抗电磁干扰、减轻重量、提高可靠性等方面有明显的优势。到1985 年，美空军在A - 7D飞机上用光纤系统进行了总共21次、历时110小时的飞行试验，在此期间，光纤传输系统及机载计算机没有发生信息错误。同时，美陆军也于1984年对装有先进数字式光传操纵系统(ADOCS)的UH - 60A 黑鹰直升机进行了试飞。研制ADOCS的目的是将它配备于各

9、种作战目的的飞控系统，以完成夜间飞行、贴地飞行、巡逻/攻击等任务。ADOCS计划的研制集中了美国大量的人力、物力。贝尔直升机公司、波音飞机公司、麦道公司等大公司参与开发研制，耗资上亿美元。该系统由光传感器、三余度光缆、微处理机等组成。采用光传操纵系统可使直升机飞控系统的重量减少25%左右，这对提高武装直升机的机动性等各项指标十分有利。预计全FBL系统很可能首先应用于大量使用复合材料的军用直升机。上世纪80 年代末至90 年代初，美国为保持光传系统的领先地位，国防部(DOD)和NASA主持了一系列研究开发计划，如先进数字式光传操纵系统ADOCS计划、光纤控制一体化计划(FOCSI)、未来先进控制

10、技术研究(FACTS2000) 计划等，其中ADOCS计划已基本完成，FOCSI计划也已进入第二阶段。7.1.2 光传操纵系统总体配置一般情况下，最基本的光传飞行控制系统的结构配置如图7-1所示。在该系统配置中，飞行员指令、飞机运动姿态、大气数据等信息由光学传感器感应出来，通过光纤数据总线传输给飞行控制计算机。由于目前距离纯光学计算机的实用还有相当遥远的距离，因此目前的计算任务仍由电子计算机承担。因此，计算机需要将光纤上的光信号转换成电信号后才能进行解算处理。处理完毕后的数据再经电光转换接口转换成光信号，通过光纤传递给各舵面作动器及座舱内的相应仪表。图7-1 典型光传系统配置框图7.2 光传操

11、纵系统的关键技术在目前所研制的FBL系统中，计算机发出的指令信号及电传感器的信号必须经电/光转换才能在光纤中传输，光信号也需经过光/电转换成电信号去驱动舵机。系统中各种信号的测量、放大、处理等仍依赖于电气系统。从光传系统的性能和发展趋势看，研制纯光传系统是必然趋势和最终目标，要实现这个目标还有许多关键技术需要研究。本节将讨论光传操纵系统中的几个关键技术。7.2.1 光传操纵系统的关键组件FBL 系统的性能和可靠性取决于光源、光纤、光检测器等光电器件，因此，光电器件的选择是成功设计光传系统的关键之一，不同于其他民用领域，航空领域的应用特别强调可靠性和使用寿命。下面讨论航空领域光电器件所应具有的特

12、性。1 光源及调制技术1）光源众所周知，航空光电系统是在非常恶劣的环境下工作的，温度从-55125，且振动很大。发光器件一般采用发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。发光二极管的特点是寿命长、温度特性较好、价格低廉、可靠性高、适用于低、中速短距离传输系统。其缺点是与光纤耦合比较困难，耦合效率较低。激光二极管的特点是功率较大，发射角小、光谱特性好、适用于高速长距离传输系统。缺点是工作寿命短、存在模式干扰、可靠性一般并且制造工艺难度大、成本高。使用激光二极管时，还需要增加自动温度控制（ATC）、自动功率控制（APC）和寿命监测报警等辅助电路，从而使得调制电路结构比较复杂。2）光源调制技术目前广

13、泛使用的光纤通信系统均为强度调制直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即内调制和外调制。(I) 内调制技术内调制，即直接对光源进行调制，又称为直接调制，它通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱。内调制方式的特点是：简单、损耗小、成本低、输出功率调制电流成正比。但由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度变化，从而引起发射激光的波长随调制电流线性变化，即产生调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长(频率)抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的线宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离10

14、0km，传输速率2.5Gb/s。(II)外调制技术外调制，即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际起到一个开关的作用。这种调制方式又称作间接调制。恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源，在发光的过程中，不受电调制信号的影响，因此不产生调制频率啁啾，光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁正”通过的方式进行处理，在调制的过程中，对光波的频谱特性不会产生任何影响，保证了光谱的质量。与内调制激光器相比，大大压缩了谱线宽度，一般能够做到100MHz。 外调制方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高。但

15、调制频率啁啾很小或接近于无，可以应用于2.5Gbit/s的高速率传输，而且传输距离也超过300km以上。2 光纤光纤是一种传导光波的介质传输线。普通光纤是一种透明的圆柱形细丝，其核心部分由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套。实用光纤为保持足够的强度，还在纤芯包层外涂有环氧树脂和硅胶保护层。其典型结构如图7-2所示。图 7-2 光纤的结构图 7-3 几种主要的光纤传输方式 按照纤芯折射率分布和光纤传导模式不同，可把光纤分为三类，如图7-3所示。一般光纤纤芯折射率和包层的折射率都为一常数，且，在纤芯和包层的交接面处折射率成阶梯型变化，如图7-3(a)、(b)所示。光纤纤芯

16、的折射率随着直径的增加按一定的规律减少，到纤芯与包层的交界处为包层的折射率，称之为渐变折射率光纤，如图7-3(c)所示。当光纤的纤芯很细时，光纤只允许与光纤轴一致的光波射入光纤端面，并在光纤中传播，这种光纤称为单模光纤（SMF），如图7-3(a)所示；当光纤的纤芯较粗时，则可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，这种光纤称为多模光纤（MMF），如图7-3(b)、(c)所示。3 光电转换器光电转换组件担负光/电和电/光信号的互相转换工作，是当前光电混合系统中的关键部件。一般情况下，光收发器由发送端机和接收端机组成。发光二极管(LED)和激光管发射器及接收器的原理电路如图7-4示。

17、(a) LED收发器原理(b) LD收发器原理图7-4光发射端机及接收端机原理框图光发射端机的偏置电路将LED的工作点偏置到其临界发光点附近，以增加传输速率。输入的TTL数字信号电流经过晶体管放大后，流经LED，使其发出一定功率的光。LD光发射端机除了上述驱动电路外，还增加了自动温度控制（ATC）、自动功率控制（APC）和寿命监测报警等辅助电路。光接收端机的PIN二极管接收来自发射端的光，先经过低噪声跨阻前置放大器放大，然后再经过主放大器调节到合适的电压，经比较器后转变为TTL数字信号输出。光传系统中对光检测器的性能要求较高，必须具有足够高的灵敏度，对信号响应速度要快、噪声小。目前光检测器主要

18、有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。APD需高压偏置，而且还需要温度控制器和增益控制器，这大大增加了接收电路的复杂性，降低了可靠性。因为飞机中存在非常强的电磁干扰，通过电源改变APD的高压偏置在多路信号中产生冲击噪声。而使用PIN不存在这些问题，所以在飞控系统中一般采用PIN作为收发器光探测器。4 光学传感器普通飞机的控制系统需要为数众多不同类型的传感器，分别用于线位移、角位移、温度、气压、速度、加速度等参数的测定和监控。光纤的研究和应用极大推动了光传感器的发展，但目前还没有生产出大量可为先进飞机使用的光传感器。光传感器按功能可分为以下七类a. 速率陀螺b. 线性加速度计c. 线性位

19、置传感器d. 旋转位置传感器e. 大气数据温度传感器f. 大气数据压力传感器g. 旋转轴速传感器在所有传感器中以惯性导航装置最为重要，通过它可获得飞机位置、角速度等信息。近几年，利用激光束的环形激光陀螺逐渐实用化，已用于波音767 等飞机上。但环形激光陀螺在低角速度范围内存在不灵敏区，解决该问题的最佳途径是研制光纤陀螺。光纤陀螺已研制成功，技术日渐成熟。光纤陀螺没有机电转子和机械联动装置，测量范围大，可靠性高，能承受强振动和冲击，且能直接输出数字信号，因而是飞机导航设备的理想选择。此外，由于无源时分复用（TDM）传感器及电光接口等在光学测量方面性能良好，也很适合于飞行控制。图7-5所示为一种典

20、型的光纤位置传感器。由于采用了波分复用(WDM: Wavelength Division Multiplexing)技术使得光电装置和远程传感器之间的光纤数量减少了许多。来自发光二极管LED的宽谱光线经远程波分复用后被分成小的波长带照射到编码盘上的每个反射条上。反射光信号再经WDM重组后返回到光电装置，该光电装置通过匹配的WDM将光信号拆分，并照射到光检测器阵列上。接收电路对光谱进行解码后即可得到线性位置传感信息。图7-5典型光纤位置传感器如图7-6为一种典型的转速传感器。它的电子接口和处理算法与光纤位置传感器相同。其工作原理是，以正比于转速的频率调制光的强度。这种思想可通过在光纤和反射镜之间

21、加装断路转盘实现，也可通过具有反射区/非反射区交替出现的代码盘实现。传感器的反射光会在输出端产生一个强脉冲，通过测量强脉冲的频率即可得知转轴的角速率。图7-6 转速光纤传感器5 光学舵机系统为进一步提高光传操纵系统的可靠性，更大程度地减轻重量，增强抗EMI和EMP的能力，有必要用光传作动系统代替现有的电传作动系统。未来的纯光传系统应采用激光舵机，即由光信号来控制输出大功率的机械装置(中间不经过光电变换)。目前已研制成功了小功率的光化学反应舵机，利用光的亮、灭使化学物质(如NO2)分解，产生压力差驱动机械机构。但是此类舵机目前还不足以投入应用，仍有待于进一步开发验证。由于纯粹的光驱动舵机尚不能投

22、入实用，所以目前的光传舵机一般采用光/电混合控制方式，如图7-7所示。控制器接收到经光电转换后的上位飞控计算机的控制指令后，根据控制算法向相应的功率驱动芯片发出一定宽度的PWM脉宽调制信号，从而驱动光传伺服舵机的摆臂偏转。该系统抗干扰、抗负载扰动能力强，实时性、快速响应性好。图7-7 光/电混合式舵机6 光学计算机光学计算机是一种高科技产品，它以光子作为主要信息载体，以光学系统为主体，以光运算作为基本运算方式。其工作原理和电子计算机相类似，不同之处是以光子代替电子，用光纤连接代替导线连接。光计算机以其超高速、超并行性、强抗干扰性、宽频带等特性预示其具有很高的应用价值，特别适合于航空航天等高科技

23、领域，实现信号的高速处理、高速图像处理和模式识别等。特别是它可以与光纤数据总线、光传感器、光作动器等互联以实现纯光传操纵系统。目前，可以投入实用的光学计算机还没有出现，各国在这方面的研究都在如火如荼的进行。预计光学计算机在飞控系统中的应用将成为实现纯光传操纵系统的最后一道门槛。7.2.2 光纤数据总线光纤数据总线是由连到光纤传输线上的若干终端构成的，每个终端可通过光纤数据总线得到信息，并能通过总线向任何终端和中央控制器发送信息。光纤数据总线与目前飞机上的飞控系统所使用的金属导线数据总线不同，它不存在地回流，因而不存在地回流引起的振荡，同时具有频带宽、损耗低、数据传输率高和无中继传输距离长等优点

24、，光纤数据总线可广泛应用于飞行控制、战斗指挥、控制、通信和情报系统。1 数据总线的结构形式光纤总线是光传操纵系统各部分交换信息的枢纽。为了适应各种不同应用条件，它的结构形式也是多种多样的。光纤总线的典型结构形式分为以下几种：点-点链路，交叉通道，星型结构等。1) 点-点链路 点-点链路光纤总线是一种结构和实现技术都比较简单而灵活的方案，适用于点-点之间进行高速多路数据的传输。点-点链路不需要总线控制器，且点-点之间的信号传输可以使用不同的传输速率和不同的数据格式。其结构框图如图7-8所示。 图7-8 点-点链路2) 交叉通道 交叉通道光纤总线是组成基本光传余度系统的一种布局形式，如图7-9所示

25、。交叉通道即以点-点链路形式通过光纤将各个节点相互连接起来。它可以实现余度飞控计算机间的数据交换，以校验余度飞控系统中功能独立的飞控计算机所有数据的正确性，以光传方式实现故障检测、隔离及故障安全等余度功能。图7-9 交叉链路结构举例3) 星型结构 星型结构光纤总线是一种在总线控制器作用下的时分指令/响应型总线方案。它特别适用于多设备之间复杂的飞行综合信息的传输，是实现飞机内部信息和功能综合化的基础，其结构如图7-10所示。 星型拓扑由星型耦合器和通过点-点链路接到星型耦合器的各终端节点组成。星型耦合器执行集中式通信控制策略，为节点间的数据交换提供服务，因此星型耦合器相当复杂。由于星型耦合器一旦

26、出现故障，整个网络的通信都会受到影响，因此星型网络对星型耦合器的可靠性及冗余度要求相当高。图7-10 星型拓扑结构2 典型光纤数据总线1) MIL-STD- 1773光纤数据总线1973年8月美国军方制定时分制指令/响应式多路传输数据总线军用标准MIL-STD-1553，以后逐步完善，推出了MIL-STD-1553A、MIL-STD-1553B，是迄今最成功、应用最广泛的数据总线，装备了美国所有80年代以来研制或改装的飞机，如F-14D、F-15、F-16、F/A-18、EF-111、F-22、B-l、B-2、SAH-60 等。以此为蓝本，北约颁布了NATO STANG 3838和ASCC 5

27、0/2标准，英国发布了OK DEF STAN 00-18标准，我国也制定了GJB 289A标准。MIL-STD-1553总线采用指令/响应式协议，属于集中式控制，通信系统由一个总线控制器(BC)和最多30个远程终端(RT)组成，数据交换完全由BC控制，RT执行完总线命令后，通过状态字报告消息传输情况，响应时间限定在4-12微秒以内，保证系统良好的时钟同步能力。而MIL-STD-1553数据总线的变压耦合方式和余度方案，使其有较高的故障隔离能力和容错能力，提高了可靠性。为了充分利用光纤的高带宽、低功耗、抗干扰等优点，并提高数据传输率，涌现出一系列MIL-STD-1553总线家族的新成员：MIL-

28、STD-1773光纤数据总线。MIL-STD-1773总线是MIL-STD-1553总线的光纤版本，通信协议、数据传输率、消息格式与MIL-STD-1553总线完全相同，唯一的区别是光收发器取代电收发器，以光纤取代双绞线作为传输介质。MIL-STD-1773增强型光纤数据总线采用双速率工作方式，命令和状态在低速总线(1Mbps)上传输，而数据则在高速总线(8Mbps或20Mbps)上传输，分别将数据传输率提高到8Mbps和20Mbps。MIL-STD-1773光纤数据总线的星型拓扑结构如图7-11所示。图7-11 MIL-STD-1773星型拓扑结构2) 线性令牌传递总线(LTPB)线性令牌传

29、递总线LTPB(Linear Token Passing Bus)是由美国自动化工程协会(SAE)制定的军用数据总线，定义了令牌消息、站管理消息、数据消息三种消息类型，数据传输速率为50Mbps ，最多可连接128个终端，消息最大长度为4096个字。从物理上看，LTPB是星型拓扑结构，易于监控网络上信息的传送及整个网络的状态；但从逻辑上来看，它按节点地址递增顺序形成环型拓扑结构。图7-12给出了 LTPB 物理和逻辑拓扑结构。图7-12 LTPB总线物理和逻辑拓扑结构LTPB采用限时令牌多优先级传递协议，它定义了四级消息优先级，高优先级消息优先发送。此外，每个节点都设有三个令牌旋转定时器和一个

30、令牌持有时间定时器，它们能有效地降低总线上高优先级消息的延迟时间，并防止任意节点长时间地占用总线。LTPB为双余度路径结构且实行同步冗余机制，因此具有很强的容错和系统重构能力。LTPB协议最新版本 AS4074.1，以光纤为传输媒介，目前已应用于F-22战斗机和RAH-66直升机。3) 光纤分布式数据接口FDDI光纤分布式数据接口FDDI (Fiber Distributed Data Interface)是以光纤为传输媒介的局域网标准，1982年美国国家标准化组织(ANSI)就开始对标准的制定工作，1991年ANSI发布了站管理(station Management) 标准后，FDDI协议全

31、部制定完成，标准号为ANSI X3.229。与其它局域网标准不同的是，FDDI标准是在没有事实标准的前提下从头开始制定的，使得 FDDI互操作性好，提供了切实可行的向高网络带宽转移的途径。FDDI采用双环拓扑结构，主环进行正常的数据传输，次环为冗余的备用环，因此具有较强的容错能力。FDDI拓扑结构如图7-13所示。数据传输率为100Mbps，最多可连接500个节点，节点间最大距离2千米，消息最大长度2250个字。图7-13 FDDI拓扑结构大量实践证明，FDDI可应用于强实时高可靠性环境中。美国军方在确定新一代军机航空电子数据总线时，美国三军联合航空电子系统工作小组(JIAWG)根据研究结果制

32、定了AS4074.2。美国海军下一代资源(NGCR)计划、波音777、“自由号”空间站、“华盛顿号”核动力航空母舰(CVN73)、DDG-51、宙斯盾(AEGIS)导弹驱逐舰都使用了FDDI，研究资料及数据表明，即使对华盛顿号核动力航空母舰这样的美国海军目前最强大和最复杂的舰载作战系统，FDDI技术不仅可行、可靠，而且能大大提升整体通信能力。4) 光通道FC光通道FC ( Fiber Channel)技术是ANSI的X3Tll委员会于1993年制定的数据通信标准，是将计算机通道技术和网络技术有机结合起来，具有全新概念的通信机制。光通道标准共分五层：物理媒体层、数据编码层、传输层、综合服务层和高

33、层服务层。光纤作为传输媒体，传输速率从132.8Mbps到1062.5Mbps不等。最大节点数126个，节点间距离可达几千里，有效负荷为98.3% ，延迟固定为10ps。光通道的拓扑结构灵活多样，按网络功能和带宽的不同要求构成环型、交换网、集中器环等结构，图7-14给出了典型的FC结构图。图7-14 典型的FC结构FC支持限时发送，用以满足传感器信息和视频信息的高实时性要求，同LTPB和FDDI一样，支持优先级调度。光通道技术受到国外尤其是美国军方的重视，美国军方专门成立了FC-AE (Fiber Channel for Avionics Environment)小组，制定了航空电子版光通道(

34、FC-AE)标准。美国的F/A-18E/F，B-1B的改型计划已经使用FC技术。波音公司和洛克希德马丁公司竞争JSF飞机研制合同时，都将光通道技术作为高速网络的选择方案之一。7.3 光纤多路复用技术光纤传输系统采用多路复用方式可成倍地提高传输效率，提高传输容量。在飞机上应用多路传输技术，可减轻飞机上传输线的重量，减少体积，便于维修和增加系统的灵活性，而且有利于多余度传输，提高系统的可靠性。光纤传输系统主要采用以下三种多路复用方式s 空分复用(SDM：Space Division Multiplex)s 时分复用(TDM：Time Division Multiplex)s 波分复用(WDM：Wa

35、velength Division Multiplex)s 时分波分联合复用7.3.1 空分复用(SDM)空分复用是一种传统的多路传输方式，依靠增加光纤根数的方式线性地增加传输容量，同时传输设备亦线性增加。光空分复用方式与多管同轴电缆传输十分相似，即以多根光纤维组成一根光缆，利用不同的光纤传输不同的光信号。此种传输方式常用于模拟电信号的传输。空分复用原理简单，实现方便。在器件选择方面可以选用相对于激光器来说价格便宜、性能稳定的LED。无须辅助电路，使得驱动电路变得简单。所需光纤也可相应地选用多模光纤。其缺点是由于光纤数量的增加，增加了飞机的重量的同时也给系统维护带来了不便；另一方面是没有充分利

36、用光纤的高带宽传输特性，造成资源浪费。常用模拟电信号调制方式的分类如表7-2所示。表7-2模拟电信号调制方式分类模拟调制调幅（AM）双边带（BSB）单边带（SSB）残留边带（VSB）调 频（FM）调 相（PM）脉冲调制数字脉冲调制脉冲编码调制（PCM）脉冲数调制（PNM）增量调制（M）模拟脉冲调制脉冲幅度调制（PAM）脉冲宽度调制（PWM）脉冲位置调制（PPM）脉冲频率调制（PFM）为适应LED驱动、信号传输质量及信噪比的需要，一般采用脉冲调制方式。而PFM方式由于其结构简单，实现方便，可靠性好等优点，被广泛采用。图7-15所示是PFM方式的调制原理图。用基带信号对某一电脉冲序列进行脉冲频率调

37、制(PFM)后再对光源发出的光载波进行光强度调制的方式，称为PFM方式。假设输入基带信号为正弦波，经信号变换后，送入锁相环（PLL）电路进行频率调制，锁相环的脉冲振荡频率将按输入正弦信号电压幅度的变化而作相应变化(PFM)，可得PFM电信号，再对光源进行光强度调制，就可获得PFM光信号，这就是PFM方式的基本原理。在接收端情况正好相反，经光电转换获得的PFM信号经解调电路及信号调整电路，复原成与输入信号相同的模拟电信号输出。图7-15 空分复用(SDM)实现方案锁相环是一种能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。它在无线电技术的各个领域都得到了广泛的应用。CD4046集成环路部件以其低成本、性能

38、优良、使用简便而得到了青睐。由CD4046构成脉冲频率调制（PFM）与解调电路如图7-16所示。 a）频率调制电路 b）频率解调电路图7-16 由CD4046组成的调制与解调电路此空分复用系统主要突破了信息变换、调制、解调、频率锁定等技术难点，可以实现在320Hz带宽内，信号稳定、无失真传输。7.3.2 时分复用(TDM)时分复用是将一个采样周期T分为若干时隙，每一时隙传输一路信号，各个信道的数据按照一定的时间顺序组成时分复用帧进行传输，即利用不同的时间间隔传送不同信道信号的复用方式。在图7-17中，在时刻，模拟开关、同时和通道1接通，此时信道中传输的是通道1的信号。经过时间T后，模拟开关、同

39、时和通道2接通，传输通道2的信号，依此类推，从而实现了多路传输。图7-17 时分复用原理图使用微处理器（CPU）控制的时分复用多路传输硬件结构如图7-18所示。图7-18 时分复用系统结构图在发送端，多路模拟信号在CPU的控制下，通过模拟开关接入系统，经信号处理电路变换为05V信号，通过采样保持，由AD转换器进行AD转换，转换结束后读入CPU进行码型变换，生成Manchester码从串口输出，通过LED驱动电路转换为光脉冲信号，在串行口发送信息的同时，接入下一路模拟信号进行相同的过程，从而实现时分复用。在接收端，PIN光电二极管将检测到的光脉冲信号转换为微弱的电流信号，经过放大后，恢复成TTL

40、信号，此信号由CPU的串行口接收并进行解码。在此过程中，微处理器不断判断是否有帧同步信息，若有则进行DA转换，并送入约定的数据通道。在上述过程中，存在如下技术难点：对信号采样的多路模拟开关严格同步；开关的转换速率严格同步；采用Machester码，以提高信息传输的可靠性。整个传输系统的数据、地址和控制都有单片机中央处理器CPU根据事先固化于ROM中的程序进行控制，以确保系统正常工作。经技术开发，减小了零位输出，提高了线性度，减小了波形失真度，展宽了工作频带，减小误码率，提高了抗电磁能力。7.3.3 波分复用(WDM)所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤的低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信

41、道光波的频率(或波长)不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端由波分复用器(合波器)将不同波长的信号光载波合并起来送入一根光纤传输，再在接收端由波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，现在商用化的一般是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图7-19为波分复用原理

42、框图。图7-19波分复用技术原理图使用波分复用技术可以在同一根光纤上同时传输不同速率、不同数据格式的信号而互不影响。并且当有新的信号需要传输时，可以通过增加新的波长来实现，而不必增加光纤数量。目前，对于稀疏波分复用器（通道间隔20nm）来说，其并行通道数可以达到8路；密集波分复用器的通道数一般为40路左右，最多可并行传输大于100路的信号。另外，由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种信号的综合和分离，如数字信号和模拟信号的综合与分离。波分复用系统的主要器件特性：1）光纤 光纤是波分复用技术发展的基础，特别是光纤的带宽和损耗特性。由于单模光纤具有内部损耗低

43、、带宽大、易于升级扩容和成本低等优点，因而得到了广泛的应用。为了适应不同的光传系统，人们开发了多种类型的光纤光缆。在波分复用系统中，由于波分复用器件引入的插入损耗较大，减小了系统的可用光功率，因此需要光纤的损耗要低，另外光纤的色散问题也是一个不可忽视的因素。2）激光器 WDM系统的光源需要具有两个突出的特点：（1）比较大的色散容纳值；（2）标准而稳定的波长。因为密集波分复用系统的波长间隔一般为几个纳米甚至为零点几个纳米，所以为了保证激光器波长的稳定，对工作环境，特别对温度稳定性要求很高，必要时还需加入波长锁定装置。在所需传输信号数量较少的情况下，可以采用稀疏波分复用来代替DWDM系统。CWDM

44、系统的波长间隔一般为20nm，因此激光器对环境的要求不是很高，也无需波长锁定装置。激光器的调制方式分为内调制和外调制两种。由于飞控信息传输的距离较短，传输速率较低，因此激光器的调制方式可采用简单的内调制。3）合波器/分波器 合波器和分波器是波分复用系统的重要组成部分。按其制造方式不同可分为四类，即角基于色散的衍射光栅型、介质薄膜干涉型、熔锥型和集成光波导型。其主要特性比较如表7-3所示。816路的WDM系统，易采用无源星型光耦合器作为合波器，其优点是简单、方便、相互间隔离度好，缺点是插入损耗大。分波器则可选用介质薄膜干涉滤波器和平面波导型。对于16路以上的WDM系统合波器和分波器大多选用插入损

45、耗与通路数无关的平面波导型。表7-3 WDM器件性能比较器件型号机理通路间隔（nm）通路数串扰（db）插入损耗（db）主要缺点衍射光栅型角色散0.51041313036温度敏感介质薄膜干涉型干涉/吸收11002322526通路数较少熔锥型波长依赖性1010026（1545）0.21.5通路数少集成光波导型平面波导1543225611插入损耗大7.4.2节所采用的四路数字式光波分复用系统中收发模块原理如图7-20所示。发射器负责将电信号转变为光信号，它由电平转换、光电隔离、阻抗匹配、激光器驱动等集成电路模块组成；接收器负责将光信号转变为电信号，它由光接收PIN组件、光电隔离、阻抗匹配、电平转换等

46、集成电路模块组成。图7-20 数字式四路波分复用光收发端机结构此波分复用光传系统在单通道工作时，信息传输速率达到了1Mbps，误码率达为10-9，在典型飞机采样周期内（25ms）可传输280路飞控信号，完全满足当前飞行控制系统的要求。7.3.4 时分波分联合复用 为了更加充分的利用光多路复用技术，可将时分与波分结合起来，组成光时分-波分联合复用系统。如图7-21所示，先通过时分复用系统将多路数据耦合到一根光纤上，再通过合波器将多路时分信息按波分方式再次耦合到一根光纤上传输；解复用时顺序正好相反，即先经分波器将信号波分解复用成多个时分复用信号，再通过时分解复用器件解复用时分信号即可得到原始数据。

47、如此以来，将使光纤的信息传输量上升几个数量级，更加充分的利用光纤的高带宽优势，同时大大降低了传输一定量信息所需的光纤数量。图7-21 光时分/波分联合复用7.4 直升机光传操纵系统7.4.1 直升机光传操纵系统结构配置由于直升机存在体积有限、电子设备安装密集、相互干扰严重等特殊问题，预计光传操纵系统将首先应用在直升机上。图7-22为直升机光传操纵系统原理图。图7-22 直升机光传操纵系统原理图由图7-22可知，该系统由中心站、三余度光纤束和远控站组成，各部分的功能如下： (1)中心站：中心站设在驾驶舱内，将来自驾驶杆、脚蹬和自动驾驶仪的操纵信号通过编码器变换成光学数字操纵信号。 (2)三余度光

48、纤束：光纤从驾驶舱一直敷设到直升机的变距操纵机构和尾桨操纵机构附近的远控站。由于距离较短，所以不必考虑光信号的畸变和衰减。监控器是一具有解码、误差检测以及自动转换功能的大规模集成电路。当三根光纤中的任一根或两根出现故障时，误差检测器能将无故障的光纤中的信号转接至远控站的光信号接收器，使系统正常工作。(3)远控站：远控站实际是一电气绝缘封闭体，在该封闭体内装有光信号接收器、解码器、电子装置或微处理机、组合式舵机等。因电子装置、微处理机以及组合式舵机都需电源供电，而远控站与外界又无任何电的联系，所以封闭体内必须自备供电系统。一般所采用的方法是，将直升机上的液压接入远控站驱动数个液压马达带动涡轮发电

49、。这样，完全屏蔽远控站就可防止电磁干扰和雷击等问题。从中心站发出的，经光纤传入远控站接收机的光信号经变换解码后传给电子装置或微处理器，在加工成操纵所需的信号后，传给组合式舵机，实现直升机的飞行操纵。美国陆军在1984年底对装有先进数字式光传操纵系统(ADOCS )的UH-50A“黑鹰”直升机进行了试飞。先进数字光纤控制系统(ADOCS)是美国军方为直升机飞行控制开发的主要项目，由波音公司研制。ADOCS系统最终被安装于LHX直升机上。据认为LHX是集各项最新技术于一体的直升机。研制ADOCS的目的是加速直升机飞控技术的发展，使LHX具有适于各种作战任务的飞控系统，以完成夜间贴地飞行、巡逻/攻击

50、等任务。波音公司声称，采用光传操纵系统可使重LHX直升机飞控系统的重量减少25，这对发展未来重型武装直升机是极为有利的。ADOCS系统的组成结构如图7-23所示。它是一种三余度光传操纵系统，由光学传感器、三余度光缆、微处理机和作动器组成，各组件间的连接如图7-24所示。其中主要系统组件在直升机上的安装位置如图7-25所示。图 7-23 ADOCS系统组成结构图图7-24 ADOCS系统连接配置图7-25 ADOCS组件在直升机上的安装布局ADOCS极好的操纵品质和完成任务的能力充分体现了这一技术的成功。在ADOCS计划中验证的技术最终均被移植到RAH-66直升机的设计中，并且完善了新的直升机操

51、纵品质规范ADS-33。7.4.2 直升机显模型光传操纵系统验证1 验证系统结构配置有关模型跟踪控制理论的详细论述参见第四章。显模型光传操纵系统由驾驶员手柄、显模型处理器、控制律处理器、光传通信组件及光传作动器等组成。图7-26所示为直升机显模型跟踪光传操纵系统点-点链路结构图。采用了波分复用技术的光传操纵系统结构如图7-27所示。图7-28为采用了高速环形结构光纤传输网络的光传操纵系统。此三种结构分别采用了不同的光总线结构及技术，验证了多种光学技术在飞行控制系统中的应用。图7-26 直升机光传操纵系统点-点链路结构图图7-27 波分复用显模型光传操纵系统图7-28 采用了环形光纤网络的显模型

52、光传操纵系统系统采用数字操纵手柄模拟飞行员的俯仰、横滚、航向及总距操纵的机械位移传感器。显模型处理器从手柄接入端口读取操纵量数据，进行显模型计算，并通过光传通讯接口，将显模型信息传至MFCS控制律处理器。处理器将按控制律进行处理后的某一通道信息经电/光传接口送入作动器。实践证明，以上三种光传操纵系统结构的操纵性能及光传特性是一致的。2 光传输技术1)数字量光传串行通信技术为了进行光串行通信，必须将串行口输出的电信号进行电/光及光/电转换。其中的光发射端是进行数字量光传的关键部件，它由光驱动电路和发光器件组成的。当进行低、中速及短距传输时，可采用LED发光器件，它具有寿命长、温度特性好、价格低廉

53、、可靠性高等特点。光发射端的结构如图7-29(a)所示。光发射端所输出的光信号，在光纤中传输时，不仅幅值会衰减，而且信号的波形也会被展宽。光接收端的任务是以最小的附加噪声及失真再现光纤传输的信息，因此光接收端的输出特性综合反应了整个光传系统的性能。数字光接收器主要包括光检测器、放大器及电平转换，如图7-29(b)所示。图7-29 光发送及接收器结构框图2)模拟量数字化光传技术如果飞控系统的执行机构(作动器)只接收模拟量电信号输入，由于对模拟量直接进行光传输会有一系列弊病，必须使用模拟量数字化光传输技术。采用脉冲频率调制(PFM)可将计算机输出的控制律模拟量信号量化成一种脉冲调频的方波信号，如图

54、7-30所示。图7-30 PFM光传输技术控制律模拟信号经信号变换，成为适合于频率调制的信息，经频率调制转换为中心频率约10KHz，占空比50%的方波信号，然后将该信号送入LED驱动电路。接收端由PIN进行光/电检测，然后进行低噪声放大，并对已经失真的波形整形，获得完整的脉冲方波。经PFM解调后输出，再经滤波及信号变换，还原成控制律模拟信号。3 显模型跟踪光传操纵性能验证1）光传操纵的贴地飞行性能分别按照图7-26、7-27、7-28所示的结构进行配置，在直升机总距通道接入光传作动器，构成光传物理仿真平台，对某型武装直升机进行贴地飞行操纵验证。在进行仿真验证时，采用了相关规范推荐的直升机贴地飞

55、行障碍地形规则：障碍物高3040m，间距200300m，如图7-31所示。开始时，直升机处于低速水平前飞状态（速度，侧滑角，飞行高度）。设置飞行距离为，飞行期间设置3个高3040m的地面障碍物。图7-31所示的贴地飞行轨迹表明，显模型跟踪光传飞控系统可完成优良的贴地飞行机动。（a） 电传操纵(FBW)实时贴地飞行轨迹（b） 光传操纵(FBL)实时贴地飞行轨迹图7-31 贴地飞行操纵地面物理仿真2）电/光传操纵动特性及解耦性能图7-32为该物理实验系统在完成上述贴地飞行时，总距通道动态跟踪及其余三通道对总距操纵的解耦效果。由图可知光传特性与电传特性十分吻合。一般认为当系统具有90%以上的跟踪度及解耦度时，则具有优良的动态跟踪解耦性能。图7-31及7-32的结果表明，显模型光传系统具有优良的操纵与解耦特性。图7-32 电/光传贴地飞行操纵特性对比（左：电传 右：光传)