雷達系統中WDM 技術的應用分析

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

近年來雷達系統中數據處理技術飛速發展，雷達通信系統的傳輸容量和傳輸距離不斷提高，為滿足雷達系統中的數據傳輸和處理、同步數據所需的快速、大量、準確、保密的要求，在雷達系統中已廣泛應用光纖傳輸技術。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據的實時傳輸。寬帶通信光網絡是各個雷達的主干神經系統，雷達信號和控制信息的傳輸完全依賴于光網絡的支持。光波分復用技術以其大容量低成本的特點成為擴充雷達光信息網絡傳輸容量的首選方案。

1 波分復用技術的進展

1.1 波分復用技術

波分復用(WDM，Wavelength Division Mulitiplexing)技術本質上是一種光波長分割復用或者光頻率分割復用技術，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。其基本原理是在發送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，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(解復用)，并作進一步處理，恢復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用的，所以波分復用技術可以按照被復用的波道間隔不同分為三類:寬波分復用(WWDM，Wide Wavelength Division Multiplexing)、密集波分復用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)、粗波分復用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)。

WWDM 僅指1310nm 和1550nm 兩個窗口的簡單復用，在早期的光纖通信系統中應用。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 波長區段)內，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用。DWDM 以高速率、大容量、遠距離為特點，其主要應用在核心網的長途傳輸干線和城域網絡的骨干層。

CWDM 是指波長間隔為20nm 的4 波、8 波、12波、16 波長的復用。CWDM 以短距離、低成本而著稱。CWDM 主要應用在城域網的匯集層、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 系統成本的一種新的、便宜的波分復用技術。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絡建設，或者對雷達系統已有的光纖線路進行擴容升級，下面對粗波分復用技術作進一步介紹。

1.2 粗波分復用技術

在雷達系統的應用中，CWDM 系統的優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，其中有許多不同協議和不同速率的信號，與傳統的TDM 方式相比，CWDM 具有速率和協議透明性，提供了在一根光纖上不同速率的對協議透明的傳輸通道，同時CWDM 不必使用電信長途核心網必須用的外調制器和光放大器，這使之更適應各種雷達信號的傳輸［2］。如圖1 是一個CWDM 傳輸雷達傳輸系統簡圖。

圖1 CWDM 傳輸原理圖

粗波分復用技術波長通路間隔達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器和粗波分的復用/解復用器，無須引入比較復雜的控制技術以維護較高的系統要求，其成本可以大大降低。此外，由于CWDM 系統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，預計成本可以至少降低1/2。簡言之，CWDM 系統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，使系統成本和復雜度大幅度下降。目前商用4 路光收發器模塊的尺寸僅為16cm×9cm×1.65cm。同時，CWDM 設備被設計成緊湊的臺式或盒式結構，所以非常便于安裝和維護。在局域網中，850nm 的CWDM 系統正走向實用，利用850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光器在已鋪設的傳統62.5μm 多模光纖上可實現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外廠商的CWDM 產品特點對比。

表1 幾個廠商的CWDM 設備對比

2 波分復用技術雷達系統中的相關應用

2.1 艦載機載雷達光纖通信［1，3］

采用波分復用光纖傳輸網絡，不僅會大大減輕艦載雷達系統的重量，縮小體積，而且會大大提高其戰斗力。美國海軍于70 年代中期就開始了對艦載光纖通信系統的研究，把60 部AN/SPS-48 遠距離雷達分別安裝在巡洋艦，驅逐艦和航空母艦上。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生的模擬視頻信號，另一種是由收發報機和控制站產生的數字式控制信號，第三種是由5 種基本邏輯狀態產生的定時脈沖信號。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。改用光纖傳輸系統后，采用多路波分復用技術，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展，飛機本身也日益現代化，機載控制和通信等電子設備的數量日益增多，連接各種設備的線纜的數量也在增加。飛機上的機載雷達通信系統所處理的信號種類多，有操作控制、通信等多種復雜信息;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值孔徑光纖;此外，各種器件要能經受住溫度、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，同時網絡要簡單、適用。CWDM 系統可滿足機載雷達系統的這些特點，因此有廣闊發展前景。

2.2 在某地面雷達系統中的應用［4］

隨著雷達技術的發展，地面雷達對信號的傳輸提出了很多新要求。現代很多新體制雷達系統由多個雷達站協同工作，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同工作的基礎。

某地面雷達需傳輸接收信號A/D 轉換后的實時回波數據，大容量數據的長距離實時傳輸。該系統由一個聯合處理控制中心和多個發射站及多個接收站組成。聯合處理控制中心產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到聯合處理控制中心，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到處理中心進行積累處理。

寬帶通信網絡是該雷達的主干神經，雷達信號和控制信息的傳輸完全依賴于通信網絡的支持，其性能的好壞直接影響整個系統的性能發揮。

圖2 寬帶通信網絡

在這種地面雷達通信系統中采用波分復用技術，可滿足雷達系統信號實時性要求，數據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生信號損傷，使雷達系統得到更多的細節信息。可實現數據信號的較長距離傳輸，使雷達系統的網絡化應用成為可能。采用模塊化設計和波分復用技術，便于系統的維修和擴展，可提高雷達系統的戰場生存能力。因此，將波分復用技術引入該雷達信號的傳輸，能夠有效提高該地面雷達系統的性能。

2.3 在數字陣列雷達中的應用

隨著數字陣列雷達的天線陣面越來越大，從戰術安全角度考慮，當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的選擇。此外，光纖傳輸方式還可以較好地實現雷達的輕型化，目前2.5Gbit/s 的光波分復用傳輸技術已經成熟，通過采用波分復用技術后可以在一根光纖上達到數百Gbit/s 的傳輸容量，從而滿足數字陣列雷達越來越大的數據容量傳輸要求。光纖滑環技術的成熟，則為旋轉的雷達天線陣面與固定的基座之間數據交換提供了可靠的傳輸途徑［6-9］。這些相關技術的發展使得光波分復用系統在數字陣列雷達中的應用已經實現，實際使用情況表明該光纖傳輸系統可在各種軍標要求的環境下穩定地傳輸多路光信號，并且信號穩定，可靠性高。

3 結束語

從上述涉及光纖波分復用在雷達系統中的應用來看，波分復用技術確實具有巨大的發展潛能，它的發展必然會引起雷達通信系統中光纖通信網的蓬勃發展。隨著光纖傳輸技術的不斷發展和完善，超高速光收發模塊的設計與實現，波分復用技術將在其他體制的雷達中得到更為廣泛的應用。波分復用技術的演變和發展結果將在很大程度上決定雷達通信系統的未來格局，也將會對國家軍事通信系統產生巨大的影響。

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