雷達系統(tǒng)中WDM 技術(shù)的應(yīng)用分析

張瑞玨 趙克俊 康成彬 鄭傳榮

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

近年來雷達系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)飛速發(fā)展，雷達通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離不斷提高，為滿足雷達系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理、同步數(shù)據(jù)所需的快速、大量、準確、保密的要求，在雷達系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用光纖傳輸技術(shù)。未來雷達通信需求的最大特點也是最大難點在于超寬帶大容量數(shù)據(jù)的實時傳輸。寬帶通信光網(wǎng)絡(luò)是各個雷達的主干神經(jīng)系統(tǒng)，雷達信號和控制信息的傳輸完全依賴于光網(wǎng)絡(luò)的支持。光波分復(fù)用技術(shù)以其大容量低成本的特點成為擴充雷達光信息網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的首選方案。

1 波分復(fù)用技術(shù)的進展

1.1 波分復(fù)用技術(shù)

波分復(fù)用(WDM，Wavelength Division Mulitiplexing)技術(shù)本質(zhì)上是一種光波長分割復(fù)用或者光頻率分割復(fù)用技術(shù)，即在一根光纖中，同時傳輸幾個，甚至幾十、成百乃至上千個不同波長光載波的技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端。

因為WDM 是對許多個光波長進行復(fù)用的，所以波分復(fù)用技術(shù)可以按照被復(fù)用的波道間隔不同分為三類:寬波分復(fù)用(WWDM，Wide Wavelength Division Multiplexing)、密集波分復(fù)用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)、粗波分復(fù)用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)。

WWDM 僅指1310nm 和1550nm 兩個窗口的簡單復(fù)用，在早期的光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用。由于傳輸容量有限和沒有有效解決1310nm 波長的光放大問題，因此WWDM 的推廣應(yīng)用受到了限制。

DWDM 是指在石英玻璃光纖的低衰減窗口(1520～1620nm 波長區(qū)段)內(nèi)，一般情況下，按照波長間隔小于2nm 的方式，進行32 波乃至更多波長的復(fù)用。DWDM 以高速率、大容量、遠距離為特點，其主要應(yīng)用在核心網(wǎng)的長途傳輸干線和城域網(wǎng)絡(luò)的骨干層。

CWDM 是指波長間隔為20nm 的4 波、8 波、12波、16 波長的復(fù)用。CWDM 以短距離、低成本而著稱。CWDM 主要應(yīng)用在城域網(wǎng)的匯集層、邊緣層等。CWDM 是通過使用非制冷和放寬要求的激光器及光濾波器來降低DWDM 系統(tǒng)成本的一種新的、便宜的波分復(fù)用技術(shù)。鑒于CWDM 的傳輸容量處在DWDM 和WWDM 之間，所以CWDM 特別適用于短距離雷達中網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，或者對雷達系統(tǒng)已有的光纖線路進行擴容升級，下面對粗波分復(fù)用技術(shù)作進一步介紹。

1.2 粗波分復(fù)用技術(shù)

在雷達系統(tǒng)的應(yīng)用中，CWDM 系統(tǒng)的優(yōu)勢主要包括更低的硬件成本，更小的功耗和體積［1］。在雷達信號傳輸距離通常不超過100km，其中有許多不同協(xié)議和不同速率的信號，與傳統(tǒng)的TDM 方式相比，CWDM 具有速率和協(xié)議透明性，提供了在一根光纖上不同速率的對協(xié)議透明的傳輸通道，同時CWDM 不必使用電信長途核心網(wǎng)必須用的外調(diào)制器和光放大器，這使之更適應(yīng)各種雷達信號的傳輸［2］。如圖1 是一個CWDM 傳輸雷達傳輸系統(tǒng)簡圖。

圖1 CWDM 傳輸原理圖

粗波分復(fù)用技術(shù)波長通路間隔達20nm 之寬，允許波長漂移±6.5nm，大大降低了對激光器的要求，只需采用多通道的激光收發(fā)器和粗波分的復(fù)用/解復(fù)用器，無須引入比較復(fù)雜的控制技術(shù)以維護較高的系統(tǒng)要求，其成本可以大大降低。此外，由于CWDM 系統(tǒng)對激光器的波長精度要求很低，無須致冷器和波長鎖定器，功耗低、尺寸小。從濾波器角度看，以典型的100GHz 間隔的介質(zhì)薄膜濾波器為例，需要150 層鍍膜，而20nm 間隔的CWDM 濾波器只需要50 層鍍膜即可，其成品率和成本都可以獲得有效改進，預(yù)計成本可以至少降低1/2。簡言之，CWDM 系統(tǒng)無論是對激光器輸出功率的要求，還是對溫度的敏感度要求以及對色散容忍度的要求，乃至對封裝的要求都遠低于DWDM 激光器，再加上對濾波器要求的降低，使系統(tǒng)成本和復(fù)雜度大幅度下降。目前商用4 路光收發(fā)器模塊的尺寸僅為16cm×9cm×1.65cm。同時，CWDM 設(shè)備被設(shè)計成緊湊的臺式或盒式結(jié)構(gòu)，所以非常便于安裝和維護。在局域網(wǎng)中，850nm 的CWDM 系統(tǒng)正走向?qū)嵱?，利?50nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光器在已鋪設(shè)的傳統(tǒng)62.5μm 多模光纖上可實現(xiàn)8 ×10Gbit/s 的傳輸，傳輸距離可達100km。表1 是有代表性的幾個國內(nèi)外廠商的CWDM 產(chǎn)品特點對比。

表1 幾個廠商的CWDM 設(shè)備對比

2 波分復(fù)用技術(shù)雷達系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用

2.1 艦載機載雷達光纖通信［1，3］

采用波分復(fù)用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，不僅會大大減輕艦載雷達系統(tǒng)的重量，縮小體積，而且會大大提高其戰(zhàn)斗力。美國海軍于70 年代中期就開始了對艦載光纖通信系統(tǒng)的研究，把60 部AN/SPS-48 遠距離雷達分別安裝在巡洋艦，驅(qū)逐艦和航空母艦上。AN/SPS-48 是比較先進的多波束三坐標雷達，它與指揮中心之間有三類信號要傳輸。一種是三維警戒雷達產(chǎn)生的模擬視頻信號，另一種是由收發(fā)報機和控制站產(chǎn)生的數(shù)字式控制信號，第三種是由5 種基本邏輯狀態(tài)產(chǎn)生的定時脈沖信號。并且它與指揮中心之間的距離有幾百英尺，甚至上千英尺，兩者之間的信號線有三百多條，若用電纜傳輸，要47 根電纜束，其體積和重量(14000 磅，約6350 千克)都非常大，它們在艦甲板上要占據(jù)很大空間，而且易受射頻干擾，易遭敵方火力破壞。改用光纖傳輸系統(tǒng)后，采用多路波分復(fù)用技術(shù)，只需一根8 信道的光纜，其重量僅150 磅(約68kg)，可以大大降低安裝成本，使抗電磁干擾和抗電磁脈沖的能力顯著提高。

隨著機載雷達飛速發(fā)展，飛機本身也日益現(xiàn)代化，機載控制和通信等電子設(shè)備的數(shù)量日益增多，連接各種設(shè)備的線纜的數(shù)量也在增加。飛機上的機載雷達通信系統(tǒng)所處理的信號種類多，有操作控制、通信等多種復(fù)雜信息;通信距離不長，但分路多，連接器和分路器引起的損耗比光纖本身的損耗還大，因此，一般都選用大芯徑和大數(shù)值孔徑光纖;此外，各種器件要能經(jīng)受住溫度、濕度的變化以及振動和沖擊的影響;由于維修檢查困難，因而對可靠性要求更高，同時網(wǎng)絡(luò)要簡單、適用。CWDM 系統(tǒng)可滿足機載雷達系統(tǒng)的這些特點，因此有廣闊發(fā)展前景。

2.2 在某地面雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用［4］

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，地面雷達對信號的傳輸提出了很多新要求?，F(xiàn)代很多新體制雷達系統(tǒng)由多個雷達站協(xié)同工作，各雷達站相距較遠，達幾十公里甚至幾百公里，雷達信號的遠距離傳輸是多站協(xié)同工作的基礎(chǔ)。

某地面雷達需傳輸接收信號A/D 轉(zhuǎn)換后的實時回波數(shù)據(jù)，大容量數(shù)據(jù)的長距離實時傳輸。該系統(tǒng)由一個聯(lián)合處理控制中心和多個發(fā)射站及多個接收站組成。聯(lián)合處理控制中心產(chǎn)生基準信號送到各雷達，使各雷達具有相同的時間基準，便于各雷達之間的時間同步;不同接收站、不同頻率的接收信號傳輸?shù)铰?lián)合處理控制中心，綜合起來進行信號級的積累處理。雷達的本質(zhì)特征是:采用多個同頻或不同頻輻射信號，采用多個接收站接收信號，將多站接收到的多個頻段信號傳輸?shù)教幚碇行倪M行積累處理。

寬帶通信網(wǎng)絡(luò)是該雷達的主干神經(jīng)，雷達信號和控制信息的傳輸完全依賴于通信網(wǎng)絡(luò)的支持，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能發(fā)揮。

圖2 寬帶通信網(wǎng)絡(luò)

在這種地面雷達通信系統(tǒng)中采用波分復(fù)用技術(shù)，可滿足雷達系統(tǒng)信號實時性要求，數(shù)據(jù)傳輸能達到的速率更高，能避免將雷達視頻進行壓縮傳輸而產(chǎn)生信號損傷，使雷達系統(tǒng)得到更多的細節(jié)信息?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信號的較長距離傳輸，使雷達系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用成為可能。采用模塊化設(shè)計和波分復(fù)用技術(shù)，便于系統(tǒng)的維修和擴展，可提高雷達系統(tǒng)的戰(zhàn)場生存能力。因此，將波分復(fù)用技術(shù)引入該雷達信號的傳輸，能夠有效提高該地面雷達系統(tǒng)的性能。

2.3 在數(shù)字陣列雷達中的應(yīng)用

隨著數(shù)字陣列雷達的天線陣面越來越大，從戰(zhàn)術(shù)安全角度考慮，當(dāng)雷達的機動性能變差時，為保障操作者的人身安全，希望人機能夠分離，即雷達天線陣面與控制方艙之間的距離要比較遠，這種情況下光纖傳輸方式是最優(yōu)的選擇。此外，光纖傳輸方式還可以較好地實現(xiàn)雷達的輕型化，目前2.5Gbit/s 的光波分復(fù)用傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟，通過采用波分復(fù)用技術(shù)后可以在一根光纖上達到數(shù)百Gbit/s 的傳輸容量，從而滿足數(shù)字陣列雷達越來越大的數(shù)據(jù)容量傳輸要求。光纖滑環(huán)技術(shù)的成熟，則為旋轉(zhuǎn)的雷達天線陣面與固定的基座之間數(shù)據(jù)交換提供了可靠的傳輸途徑［6-9］。這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展使得光波分復(fù)用系統(tǒng)在數(shù)字陣列雷達中的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)，實際使用情況表明該光纖傳輸系統(tǒng)可在各種軍標要求的環(huán)境下穩(wěn)定地傳輸多路光信號，并且信號穩(wěn)定，可靠性高。

3 結(jié)束語

從上述涉及光纖波分復(fù)用在雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用來看，波分復(fù)用技術(shù)確實具有巨大的發(fā)展?jié)撃埽陌l(fā)展必然會引起雷達通信系統(tǒng)中光纖通信網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。隨著光纖傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，超高速光收發(fā)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，波分復(fù)用技術(shù)將在其他體制的雷達中得到更為廣泛的應(yīng)用。波分復(fù)用技術(shù)的演變和發(fā)展結(jié)果將在很大程度上決定雷達通信系統(tǒng)的未來格局，也將會對國家軍事通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

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