基于微波光子的雷達通信一體化技術研究

聶海江，侯文棟，張方正，趙昂然，李貴顯，丁其洪

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

基于波形一體化的雷達通信一體化系統，通過同一信號在同一硬件平臺上同時實現雷達探測和無線通信功能，可以共用雷達、通信收發機，避免電磁干擾，受到研究人員的青睞，被認為是未來的發展方向[1-2]。LFMCW-ASK 信號將雷達線性調頻信號和幅移鍵控(ASK)通信信號進行混合調制，是一種優越的雷達通信一體化波形。微波光子技術由于其與生俱來的大帶寬、低損耗、不受電磁干擾等優勢，被認為是“下一代雷達的關鍵技術”[3-8]。本文將微波光子雷達技術與ASK 通信相結合，將通信信息通過幅度編碼的方式調制到線性調頻連續波（LFMCW）上，生成LFMCW-ASK 信號，由此建立了一種微波光子雷達通信一體化系統。系統在通信接收端采用包絡檢波的方式恢復出通信信息，在雷達接收端采用去斜接收的方式降低回波信號的采樣頻率，而后進行逆合成孔徑雷達（ISAR）成像。其中，雷達系統和通信系統可同時工作，互不干擾；運用微波光子倍頻技術，使信號帶寬大大提高，既能提高雷達成像分辨率，同時也能增大通信系統的可用帶寬，提高通信速率；運用微波光子幅度調制技術，將通信信息調制到LFMCW 信號的幅度包絡上，從而能夠同時實現雷達和通信功能。

1 原理

圖1 所示為微波光子雷達通信一體化系統的原理圖。首先由窄線寬激光器生成光載波并注入馬赫增德爾調制器（MZM1）。使用一個雙通道任意波形發生器（AWG），其中一個通道產生LFMCW，另一通道產生ASK 格式的通信信號。將生成的LFMCW 通過MZM1 調制到光載波上。調節偏置點，使得MZM1 工作在最大傳輸點處，僅保留載波和正負二階邊帶，MZM1 的輸出可表示為：

式 中，Aexp(jωct)表 示 光 載 波；m1表 示MZM1 的 調 制系數。

圖1 基于LFMCW-ASK 信號的雷達通信一體化系統原理圖

將MZM1 的輸出通過光耦合器（OC）等分為2 路，下路送往MZM3 作為參考信號，用于對回波信號進行去斜；上路送入另一馬赫增德爾調制器（MZM2）進行幅度調制。調節MZM2 的偏置點，使得MZM2 工作在線性傳輸點處，同時將ASK 格式的通信信號通過MZM2 調制到光載波上，在小信號調制的情況下，MZM2 的輸出信號表達式可以簡化為：

式 中，m2表示MZM2 的調制系數；sASK（t）∈{0,1}表示ASK 通信信號。將MZM2 的輸出送到光電探測器（PD1）中進行光電轉換，得到二倍頻和四倍頻信號，通過濾波器濾除其中的二倍頻信號，得到四倍頻LFMCW-ASK 一體化波形：

式中，sASK(t)作為信號的幅度包絡，攜帶有通信信息，通過包絡檢波器則可以提取出通信信息。cos(4ωIFt)表示4 倍頻LFMCW 信號，可用于雷達探測。該雷達-通信復合信號經過放大后發射到空間，一部分被通信接收端接收到，經過包絡檢波提取出通信信息；另一部分經目標反射回來被雷達接收端接收到，經過放大后送入MZM3 進行調制。其中接收到的回波信號可表示為：

式中，τ 表示回波信號延時。將MZM3 輸出送入光電探測器2，在進行光電轉換時根據平方律檢波原理，回波信號和發射參考信號進行混頻去斜，最后輸出為[5]：

式中，ω0表示LFMCW 的初始頻率；K 表示LFMCW的啁啾率;sASK(t+τ)表示幅度包絡，不影響雷達信號處理；θ=4ω0τ+2Kτ2為固定相移，也不影響雷達信號處理；從信號頻率4Kτ 中可以提出目標距離信息，對該信號做傅里葉變換從而得到目標的一維距離像。

2 仿真分析

2.1 頻譜分析

根據傅里葉變換的卷積性質，可得LFMCW-ASK信號的頻譜為LFMCW 信號與ASK 信號頻譜的卷積：

式中，U1( f )為LFMCW 信號的頻譜，U2( f )為ASK 信號的頻譜。ASK 信號的頻譜相對于線性調頻信號的頻譜來說帶寬非常窄小，在頻譜上相當于δ 函數，故而根據δ 函數的卷積性質，最后得到的復合信號頻譜將與線性調頻信號頻譜相類似。

如圖2 所示，圖（a）為ASK 信號頻譜，圖（b）為線性調頻信號頻譜，圖（c）為LFMCW-ASK 信號頻譜，可見復合信號頻譜與線性調頻信號頻譜相近。但線性調頻信號內有些頻率點被ASK 編碼為0，造成信號頻譜不平坦。在本文中將LFM-ASK 信號主要用在調頻連續波雷達中。對回波信號進行去斜處理，而在去斜處理中信號的的距離分辨力主要取決于信號的頻域結構，信號所占帶寬將決定信號的距離分辨常數，故而LFMCW-ASK 信號將具有和LFMCW 信號相同的距離分辨力。

圖2 信號頻譜圖

2.2 去斜信號分析

對去斜信號進行仿真，先設置LFMCW-ASK 信號載波頻率為5 GHz，帶寬為2 GHz，信號時寬為5 μs，采樣率為20 GHz，通過調整信號時延使得去斜信號的頻率約為4 MHz。在ASK 編碼速率設置為20 Mbit/s 時，其去斜處理后時域波形和頻譜如圖3 所示。在此種情況下，去斜信號載頻遠低于ASK 調制速率，在一個載頻波形內有多個ASK 調制碼元，雖然無法在去斜信號上提取通信信息（通信信號可通過包絡檢波器從高頻線性調頻載波上直接提取），但此信號用于雷達探測沒有問題，其成像分辨率沒有受到ASK 調制的影響。

而在ASK 編碼速率設置為2 Mbit/s 時，其去斜后時域波形和頻譜如圖4 所示。此時ASK 調制速率為去斜信號載頻的一半，可以在去斜信號上提取包絡信號從而得到通信信息，但去斜信號的頻譜出現柵瓣，對于雷達目標分辨造成干擾。通過包絡檢波器直接從線性調頻載波中而非去斜信號提取幅度包絡，顯然更高的調制速率反而能使得系統受柵瓣影響較小，可以用于高速無線通信。

圖3 ASK 編碼速率設置為20 Mbit/s

圖4 ASK 編碼速率設置為2 Mbit/s

幅度編碼的存在，使得信號的幅度不滿，從而能量降低，不能最大化利用發射機的能量，可能使得回波信號信雜比降低，探測距離下降。如圖5 所示，復合信號經去斜后的頻譜峰值較之未經編碼的線性調頻信號降低了大約一半，這是由于編碼為0 的概率約為1/2，造成約一半的時間幅度不滿，可能造成信雜比下降和探測距離下降。

3 實驗結果

3.1 信號產生實驗

搭建系統并同時進行雷達成像與無線通信試驗來驗證系統的可行性。首先，通過AWG 的一個通道產生2 GHz（4.5～6.5 GHz）帶寬的LFMCW，信號周期為50 μs。將LFMCW 信號通過MZM1 調制到光載波上，僅保留載波和正負二階邊帶，MZM1 的輸出如圖6 所示。

圖5 去斜信號的頻譜

圖6 MZM1 的輸出光譜圖

同時，利用AWG 的另一個通道產生一個100 Mbit/s 的ASK 通信信號，并通過MZM2 調制到光載波上。其中100 Mbit/s 的通信速率相對于8 GHz 的帶寬來說很小，通信速率可以進一步提高。將MZM2 的輸出送入PD2 進行光電轉換，再將PD2 的輸出通過18～26 GHz 的帶通濾波器濾除2 倍頻分量，得到四倍帶寬的LFMCW-ASK 一體化波形，如圖7 所示。圖7（a）是LFMCW-ASK 信號一個周期（50 μs）的時域波形。部分波形（300 ns）如圖3（b）所示，可以清晰看出一個比特（10 ns，正對應100 Mbit/s 的通信速率）的包絡起伏。信號的瞬時頻率如圖3（c）所示。

對LFMCW-ASK 信號與LFMCW 信號的自相關結果進行對比，來討論ASK 調制對于雷達信號脈沖壓縮性能的影響，如圖8 所示。一方面，對線性調頻信號進行ASK 調制不會影響雷達分辨率。LFMCW-ASK信號與LFMCW 信號的3 dB 主瓣寬度相同，都是1.875 cm，與8 GHz 帶寬對應的理論分辨率相同，故而2 種信號的雷達成像分辨率相同。另一方面，可以看出LFMCW-ASK 信號由于有了幅度包絡，不能完全利用發射機能量，相對LFMCW 信號自相關峰值功率下降了，可能造成信噪比下降，并可能對雷達探測距離造成影響。當然，峰值下降不超過3 dB，性能的惡化并不大。

圖7 四倍帶寬的LFMCW-ASK 一體化波形

圖8 自相關函數包絡

3.2 無線通信實驗

將產生的LFMCW-ASK 信號通過濾波放大后經由天線發射到自由空間中，部分信號被通信接收天線所接收，而后經過放大和包絡檢波后得到通信信號。實驗中，設置發射天線和接收天線間的距離為1.5 m。通過一個實時示波器以400 Mbit/s 的采樣率對幅度包絡信號進行采樣，得到通信信息。如圖9（a）為ASK 信號在0.2 μs 內的時域波形。可以清晰看出，通信信息可以被正確地恢復出來。圖9（b）為ASK 信號的眼圖。眼圖可以較好地張開，證明了系統進行無線通信的可行性。為了驗證系統的抗干擾性，將在不同衰減下的幅度包絡信號與眼圖進行對比，如圖10—12 所示。在不同程度的衰減下，信號眼圖仍能較好地張開，證明了系統的抗干擾性。

圖9 無衰減

圖10 進行3 dB 衰減

圖11 進行6 dB 衰減

圖12 進行13 dB 衰減

3.3 雷達成像實驗

系統同時進行ISAR 成像實驗。部分發射信號經目標反射回雷達接收端，經過放大濾波后輸入MZM3進行微波光子混頻去斜。去斜信號采樣后進行ISAR成像處理，得到目標的ISAR 成像圖。對不同目標進行ISAR 成像實驗，對比LFMCW-ASK 信號與LFMCW 信號的成像結果，實驗結果如圖13(棍狀目標的成像結果)和圖14(“N”形目標的成像結果)所示。在實驗中，將目標放置在一個轉臺上，轉臺以1 轉/秒的速度不斷旋轉。通過一個實時示波器以100 MSa/s 的采樣率對去斜信號進行采樣，同時一幀圖像的合成孔徑時間為200 ms。可以清晰觀察到目標的輪廓，且LFMCW-ASK 與LFMCW 信號的成像結果并無明顯區別。證明系統同時進行雷達成像的可行性。

圖13 棍狀目標的成像結果

圖14 “N”形目標的成像結果

綜上可知，經過無線通信實驗和雷達成像實驗的驗證，本文提出的雷達通信一體化系統能夠在一體化波形的基礎上，同時實現通信功能和雷達成像功能，并且互不干擾。實驗實現了100 Mbit/s 的通信速率和1.9 cm×2.0 cm 的二維雷達成像分辨率，證明了系統的可行性。

4 結束語

本文對基于微波光子的雷達通信一體化技術進行了研究，提出了一種雷達通信一體化系統，并通過實驗驗證了系統同時進行雷達成像和無線通信的可行性。系統通過將ASK 格式的通信信息調制到線形調頻連續波上，得到LFMCW-ASK 一體化波形，通過該波形建立基于波形一體化的雷達通信一體化系統。系統的雷達功能和通信功能可以同時實現，互不干擾。在實驗中，同時實現了速率達100 Mbit/s 的無線通信和二維分辨率達1.8 cm × 2.0 cm 的逆合成孔徑雷達成像。由于信號帶寬高達8 GHz，系統通信速率還可以進一步提高。運用微波光子技術,進一步提高系統信號頻率、帶寬，可以實現更高分辨率的雷達成像。