光互聯技術在現代雷達系統中的應用

文/黃忠平 吳剛 崔汪莉

光互聯技術在現代雷達系統中的應用

文/黃忠平 吳剛 崔汪莉

新的作戰對象、作戰環境和作戰形式對現代雷達系統提出了新的需求。隨著新一代雷達系統數字化技術發展，同時多功能、復雜電磁環境對抗以及寬帶成像和識別等能力需求，導致陣列、信息處理層面的數據量數十倍的增加以及計算流程的頻繁切換，需要處理架構具備海量數據高速實時傳輸、運算節點可任意交換、以及可重構能力。本文主要介紹利用光子互聯技術，解決雷達高速數據傳輸鏈路、節點信息交換、時鐘信號的多路饋送等方面問題的應用、探索情況。

雷達 光子 光互聯技術 光交換技術 IO密集型

1 概述

雷達系統全數字化，感知信息的自由度得以擴展，使得雷達系統在以下幾個方面有所發展：

1.1 同時多功能

傳感器陣列的數字化，探測、偵察、通訊可以通過同時多波束、多孔徑等技術實現。

1.2 復雜電磁環境對抗能力

通過靈活的自適應波束形成能量在空、時、頻多維域擴展調度，提升低截獲和對付多個干擾源的能力。

1.3 目標識別能力

對目標合成高分辨的一維像、二維像，提取目標長度、速度、頻譜等精細特征，實現對目標的分類、識別能力。

雷達系統中，信號的寬頻帶、寬空域的泛在感知、接收與處理是其技術發展的牽引性需求。

同時多功能需要實現系統的頻帶擴展，孔徑綜合；復雜電磁環境對抗能力需要實現靈活的同時寬頻、多頻，同時寬空域覆蓋和較高精度的輻射源方向測量；提升空時耦合地雜波抑制能力的主要手段是增加空間自由度。上述能力，在雷達陣列、信號、信息處理層面，導致數十倍處理數據量的增加、計算流程的頻繁轉換，需要實現海量數據傳輸，運算節點信息的任意交換，和高可重構的柔性處理架構。

圖1：首個全光相干雷達系統

圖2：高速數據傳輸鏈路

在功耗、重量、體積等有限資源約束條件下，復雜射頻系統同時滿足處理能力、電磁兼容性能要求，始終是信息處理技術需要持續解決的問題。

微波光子重量輕，損耗小功耗低，抗電磁干擾，頻率響應平坦、帶寬大，信道容量高，信息處理快，并行能力強。這些特性與雷達探測需求良好的結合，能夠使得雷達體積重量成本降低，結構更加緊湊，提升抗干擾性能，拓展陣面能力和帶寬，實現探測系統與平臺的共形設計。

美國國防部高等研究計劃局（DARPA）、歐洲空間局（ESA）、麻省理工學院、美國海軍研究實驗室、THALES公司等開展了相關技術的研究。主要涵蓋光子射頻鏈路、線性光子前端、光子頻率源、光子波束合成、光子超高速A/D以及大數據鏈路的傳輸交換技術等方面，并逐步實現工程化應用。這些技術在充分發揮數字陣列能力、實現多功能陣面一體化處理方面起到關鍵性的作用。

圖3：UCSB研制的8*8路光交換芯片

圖4：全光波分路由表

2014年意大利國家網絡實驗室學者Paolo Ghel fi等人在Nature上首先發表論文介紹其在全光雷達方面的研究成果。綜合應用了基于MLL（鎖模激光）的高穩定本振信號產生技術、任意波形產生技術以及基于光子模數轉換的接收機技術，構建了一部X波段的全光雷達演示系統，成功地對機場目標進行檢測試驗，得到了目標的二維距離、速度圖像。

2 光互聯技術

光子互聯技術主要以解決雷達系統中高速數據的鏈路傳輸、海量數據交換和時鐘信號的多路饋送為主要目的，解決板間、片間高數據帶寬低功耗交換互聯，和超寬帶、大動態、低噪聲、可復用的光纖傳輸通道構建問題。

雷達同時多功能要求天線和接收機具備多通道數字處理，孔徑分區、同時多波束能力，能夠分時或同時實現不同帶寬的孔徑捷變；使陣面具備空、時、頻三維的快速動態調整能力和復合多功能能力，實現數據流、實時處理任務、平臺資源最佳動態匹配。這就要求架構具備傳輸的高速大容量承載能力和交換拓撲的時變能力。IO密集型的數字處理系統架構數據節點分散、數據流量巨大、頻繁交互傳輸，系統傳輸架構既要滿足多源海量數據同步運算要求又需進行同源高速數據異步可重構運算，這些對于IO互聯體系架構的復雜要求是系統工程化應用需要直接面對的挑戰。

系統總線的一般性要求包括：有保證的高帶寬（吞吐量）；一定范圍內的延遲；可伸縮性；可靠性；實時性；確定性。電傳輸的數據速率和距離逐漸遇到瓶頸：

（1）電信號需要額外的中繼器來保持信號的可靠傳輸，增加了片上數據傳輸的延遲。

（2）帶寬密度問題。金屬線存在RC效應和信號串擾，必須滿足最小線寬和線間距的要求，使得板內、片上布線密度難以大幅提高。如何有效提高片上互連的帶寬密度是亟待解決的一大技術難題。

圖5：時鐘信號的多路饋送

（3）功耗問題。金屬、半導體等電阻性器件，其具有的串聯電阻使信號在傳輸過程中不斷發生衰減，高帶寬、長距離和額外引入的中繼器是互連功耗主要來源之一。

光纖介質作為數據傳輸載體，具有重量輕、結構簡單靈活、切換速度快、無電磁干擾、信號格式透明的優點。根據傳輸帶寬、拓撲網絡結構、交換端口數目、傳輸距離等不同場合，選擇多模、單模方式傳輸數據。可承載不同協議，實現雷達系統功能：

2.1 基于RocketIO實現陣面海量數據、信息傳輸

用于實現雷達系統內，控制、定時上行鏈路和數據、控制、信息、定時、狀態下行鏈路海量數據、信息傳輸。數據量大，數萬個分散布置的陣元和數千根光纖構建龐大的傳輸網絡拓撲，單纖傳輸帶寬可達10～100Gbps。

2.2 基于RapidIO、InfiniBand構建全交換信息處理系統

適用于構建具有一定規模的實時高密度計算環境。在協議層實現內存映射、數據交換和實時中斷響應，聚束帶寬可達40Gbps。

2.3 基于FC、InfiniBand、ENet協議構建大型電子系統

構建大型電子系統時，實現各任務系統間的信息交互。 需實現多協議轉換，中斷和數據的透明傳輸、交換、廣播、組播仲裁。

3 光交換技術

交換技術日益成為雷達工程技術發展的瓶頸問題。目前光開關實現的光路交換技術已可應用于單模光纖傳輸網絡；基于空分路由和波分路由的協議層包交換技術，業界正在進行積極的探索。

3.1 光路交換技術

目前已研制出基于MEMs技術的微鏡陣列芯片，實現了640*640路光路信號的全交換。交換端口數多，設備規模、功耗遠小于電路交換。

也可調諧激光器陣列先進行波長變換，采用波分交換技術，實現了光路信號的全交換。下圖為加州大學-圣芭芭拉分校（UCSB）研制的8*8路光交換芯片，尺寸5*16mm，交換帶寬640Gbps。

采用光路交換技術的網絡，進行數據切換后，數據源與目的信道之間數據鏈路有短時中斷，需進行鏈路時鐘CDR重建，重建時間大于ms級；組播、廣播等數據業務不夠靈活，或難以實現；雷達系統光交換技術的靈活應用，還有賴于快捷的協議層的包交換技術。

3.2 全光路由交換技術

波分交換技術利用波長區分不同的數據傳輸通道。全光波長路由技術是在光路信道中，利用波長建立路由表，根據光路協議規定的標準數據協議，封裝、解析、導引光路數據包，實現全光波長路由包交換技術。該技術的工程應用，還需一整套標準化的電路傳輸交換協議、光路傳輸交換協議來推動，如圖4所示。

3.3 基于WDM的多通道傳輸

隨著陣列數字化、大帶寬、多功能等概念的提出和發展，傳輸鏈路帶寬明顯不足。采用電域的時分復用、頻分復用等方式面臨難度大、成本高、處理方式復雜，信號間干擾強等問題。利用WDM技術進行多通道傳輸，可以顯著提高傳輸帶寬，傳輸質量好、配置靈活，鏈路的體積和重量有所減小。

由于光纖傳輸對上層業務透明的特性，可以利用WDM技術復接多信道數據，同時在光纖中傳輸，減少光纖數量。發送時，多通道信號可分別調制到不同的光載波上，通過陣列波導光柵（AWG）進行波分復用后經由光纖傳輸至天線端，再經過解復用，光電轉換后進行發射。接收的情況類似。

雷達要求的通用性和互換性制約了該技術的應用范圍。

4 時鐘信號的多路饋送

數字陣列雷達系統收發通道多，可達數千個。電纜饋送模式需要數量很多的功分器和電纜，體積重量大、損耗大、相互之間電磁干擾嚴重，低損耗、無電磁干擾、體積重量小、價格低廉的光纖可以解決這個問題。如美國ISIS浮空飛艇項目，數十萬個陣元均采用光纖互連，大大的降低了重量和安裝成本，也使抗電磁干擾的能力顯著提高。

定時系統以1個基本時鐘為參考，產生多路定時信號。多路定時信號，可以作為1路SERDES高速串行接口的輸入數據；按照基本時鐘的倍頻，多路定時信號進行8b/10b或64b/66b編碼，被轉換為1路高速串行數據；經光模塊轉換后，可通過光纖發送至陣面。陣面高速串行接口接收端，高速串行數據可以被恢復成原先的多路定時信號，如圖5所示。

5 結語

光互聯技術的優點包括：

（1）超高帶寬，與傳統的基于電子載體的平臺相比，光子信息載體的處理速度和傳輸帶寬可提高3個數量級；

（2）散熱量小，隨著電處理集成度提高，功耗和散熱量增加，環境要求苛刻；

（3）無電磁串擾，光在介質中傳輸時不存在寄生電容和電感問題，沒有電磁干擾問題；

（4）能耗低，光在傳輸和轉換時，所需能量低。在目前雷達系統需求帶寬及速度越來越高，并且逐漸采用眾核架構的情況下,光互聯的具有低功耗、抗輻射、輕量化、高能效比的特性，是滿足高性能信號處理機的理想技術途徑。

[1]王占國.硅微電子技術物理極限對策探討[J].中國科學院院刊,2007,22(06)：480-485．

[2]B.Mukherjee,“WDM optical communication networks：progress and challenges”IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.18,no.10,Oct 2000,1810-1824.

[3]Sotom M.,Benazet B.,Le Kernec A.,et al,“Microwave photonic technologies for flexible satellite telecom payloads”in Proceedings of 35th European Conference on Optical Communication(Vienna,Austria, 2009),pp.1-4.

[4]鄭清.光纖傳輸技術在雷達系統中的應用[J].光通信技術,2006,30(04)：54-56．

[5]Y.Zhang, H.Wu,D.Zhu,and S.Pan,“An optically controlled phased array antenna based on single sideband polarization modulation”Opt.Expre ss.22(04)：3761-3765(2014).

[6]D.Lam,A.M.Fard,B.Buckley,et al.,“Digital broadband linearization of optical links”Opt.Lett.,vol.38,n o.4,Feb.2013,pp.446-448.

[7]T.R.Clark,S.R.O’Connor,and M.L.Dennis,“A Phase-Modulation I/Q-Demodulation Microwave-to-Digital Photonic Link”IEEE Trans. Microw.Theory Tech.,vol.58,no.11, 2010,pp.3039-3058.

[8]李倩,喬耀軍,紀越峰.光互連與電互連的并行運算性能比較[J].光學學報,2010,30(02)：498-502．

[9]張本成,王東進,陳衛東.多基地雷達光纖傳輸系統的設計[J].火控雷達技術,2005,34(04)：47-52．

作者單位 南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210039

黃忠平（1985-），現為南京電子技術研究所工程師。研究方向為雷達信號處理系統設計。

吳剛（1973-），現為南京電子技術研究所研究員。研究方向為雷達信號處理系統設計。

崔汪莉（1989-），現為南京電子技術研究所助理工程師。研究方向為雷達信號處理系統設計。