基于光波分复用的雷达数据传输设计

漆先虎 苏 巧

(1.西安电子工程研究所 西安 710100；2.陆军装备部驻西安地区军事代表局驻西安地区第六军事代表室 西安 710100)

0 引言

随着雷达技术的发展和应用需求，雷达回波信号逐步由视频采样向中频乃至射频采样延伸，部分雷达中所具备的光学视频也由早期的模拟视频或低分辨率数字信号向高清数字视频发展，某些雷达系统中甚至同时集多个波段雷达传感器和电视、红外传感器于一体，导致了雷达内部、汇流环上下各分系统间传输的数据业务量高速增长。同时，越来越多的雷达内部数据传输由速率较低的RS232、RS422、CAN等通信方式向速率更高的以太网络转变，采用以太网通信来完成各种雷达数据的传输已成为大势所趋[1]。目前，百兆、千兆以太网络和传统光纤“一纤一波”的方式[2]在雷达系统中的使用非常普遍，但依然满足不了日益增长的大容量数据传输需求。大容量数据传输逐渐成为系统突出的瓶颈问题。如何在兼顾可靠性、经济性、扩展性、工艺性等方面的同时进行科学合理的数据传输设计与带宽扩容，是系统总体设计中必须综合考虑的。

结合目前现有技术水平和雷达系统实际工程环境，本文提出了雷达数据传输中，采用光波分复用技术实现多通道、大容量数据的传输方法，利用光纤的带宽资源，可以使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至数十倍，为雷达总体设计、升级改造等过程提供了良好的技术途径。

1 光波分复用技术介绍

光波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是将两种或多种不同波长、携带各种信息的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术[3]，在接收端，通过解复用器分离出各种波长的光载波，再由光接收机进行处理恢复成原信号。其原理图如图1所示。合波、分波技术途径主要有光栅型、干涉滤波片型、阵列光波导型和熔锥型四种基本形式，均为无源技术，因此，光波分复用技术具有天然的抗电磁干扰性能和高可靠性。

图1 波分复用原理图

与传统的时分复用(TDM)方式相比,WDM具有速率和协议透明性,提供了在一根光纤上对不同速率和协议的透明传输通道,这使之更适应雷达各种回波信号、视频信号、控制信号等的传输。

光波分复用按信道间隔的不同可细分为粗波分复用(CWDM)和密集波分复用(DWDM)两种。CWDM的信道间隔较宽为20 nm，它能在1270 nm到1610 nm光谱中同时传输18个波长；而DWDM的信道间隔较窄，从0.2 nm到1.2 nm，可以同时传输40到160个波长。虽然密集波分复用设备的波长在光纤传输过程中是高密集成，相比粗波分复用具有更高的传输容量和传输距离，但其所使用的调制激光需要温度调节方式的冷却激光器，消耗更多、成本更高，据统计，密集波分复用器设备的系统通常比粗波分复用器设备系统贵五倍。

粗波分复用器设备充分利用其波长间隔宽、传输距离短的特点，只需用粗波分复用器和解复用器即可实现系统搭建，也无需采用较为复杂的控制技术来维护,配套设备需求少、器件成本低、对系统要求不高，对光纤亦无特殊要求，可灵活应用于G.652、G.653、G.655光纤，因此，使得实现起来更加容易[4]。同时，粗波分复用器设备相比密集波分复用器设备具有更小的功耗和体积，由于设备相对简单、技术成熟，具有更高的可靠性、通用性和可维护性，在各种条件要求很高的雷达系统上使用具有巨大优势。

2 雷达系统光波分复用传输设计

2.1 系统架构

本文以某雷达系统项目为工程应用基础进行设计和阐述。该雷达系统采用一体化载车形式，集各种雷达、光电设备于一体。主要采集和传输的大容量信号包括雷达宽带光信号、窄带/步进频光信号、红外数字视频电信号、可见光数字视频电信号以及千兆网络电信号等。传感器部分的设备分布于载车方舱上部天线座上，通过汇流环与载车方舱内终端及处理工作站计算机设备连接通信。

系统中，各光、电信号均需通过汇流环传递到车体舱内，所传输的信号既包括多路单向光信号，又包括多路双向千兆网络电信号，具有光电复合品种多、通道容量需求大的特点，主要信号传输需求框图如图2所示。

图2 系统信号传输需求框图

根据主要光、电信号的传输容量需求，通过普通汇流环电信号传输已无法满足需求，即使在汇流环内部加装光纤旋转连接器[5](以下简称光汇流环)，采用传统光纤“一纤一波”的传输方式也无法满足大带宽数据传输的实际需求。因此，本文根据系统实际通信带宽需求，采用粗波分复用技术，结合单模单芯光纤汇流环实现雷达多路光、电信号的大容量数据传输。

2.2 系统设计

2.2.1 通道需求

依据系统框图和需求，宽带雷达信号采用4路光纤单向传输；窄带/步进频信号采用2路光纤单向传输；红外、可见光数字视频以及天线座上部交换机级联接口采用千兆网络进行传输，受千兆交换机级联口千兆带宽的限制，这几路千兆网络数据无法汇集到天线座交换机后再通过交换机级联口向下级联传输，因此，该4路千兆网络电信号采取各自独立通道的双向传输策略。

通过系统传输信号及其带宽需求的梳理，采用粗波分复用器进行传输应具备至少10个光波道的通道需求。

2.2.2 传输原理

10个光波道由波分复用器将该不同光源波长的信号进行合波，经单模单芯光纤汇流环传输到方舱中解波分复用器进行分波，完成各路光通道的分波。其中，6路雷达光信号采用单模光纤传输，从成本和通用性上设计考虑，使用的是市面通用1310 nm波长光模块，因此，需要通过波分转换卡将各路光信号变换为波分复用器对应的波长再进行合波与传输。同样，通过千兆网络传输的光学视频信号以及千兆网络交换机电信号亦需首先通过光电收发模块转换为光信号后，再经波分转换卡进行波长变换接入波分复用器。对于主要用于信号接收的解波分复用器端，进行分波后，与波分复用器端进行对应的光电转换和接收处理，光学视频信号以及千兆网络交换机光信号通过光电模块变换为千兆网络电信号后接入到方舱中以太网交换机，供计算机设备使用。对于经过解波分复用后不同光波波长的雷达光信号，则可直接接入到具备普通单模光模块的计算机工作站设备接收使用。系统波分复用传输原理框图如图3所示。

2.2.3 粗波分复用设备组成

系统粗波分复用设备主要由光复用盘及配对的光解复用盘、波分转换卡、波分光模块、电模块以及机箱、电源等部件组成，主要组成部件见图3中虚线框所标注部分。

光复用盘和光解复用盘均为无源光器件，具备10路光波通道，用于将10路CWDM波长复用到一根光纤中传输，同时可将一根光纤中传输的光信号分解为10路CWDM波长。各通道中心波长为1430 nm、1450 nm、1470 nm、1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610 nm。

波分光模块和电模块安装在波分转换卡中，用于实现光、电信号的收发和波长转换。

图3 系统波分复用传输原理框图

波分转换卡用于光信号的单向或双向传输，结合波分光模块和电模块对信号完成3R(再放大，再整形，再定时)再生，将非标准波长的业务信号转换为符合CWDM标准波长的业务信号。本系统中使用了2.5 G单向传输和1.25 G单纤双向传输两种转换卡。其中，2.5 G单向传输波分转换卡适用于2个通道的宽带信号或窄带/步进频信号，1.25 G单纤双向波分转换卡适用于千兆网络信号。

机箱和电源主要为波分复用各部件提供结构安装、供电和对外接口。

2.2.4 系统连接关系

粗波分复用设备各通道间的正确连接是系统正常工作的重要保障，信号较多、关系复杂的连接关系在实际工程中极易出现错误。本系统中具备单向、双向多种连接配置，且有源与无源部件间各个通道波长应准确对应和连接，否则容易导致链路不通现象。系统的连接示意图如图4所示。

3 测试

雷达粗波分复用设备测试主要进行各链路的通断测试和通道速率测试。

图4 系统连接示意图

各链路的通断测试主要检测10个通道的输入输出是否通畅并正确对应，检测方法是在波分复用器和解波分复用器两端各连接一台具备千兆网卡电脑，两台电脑间通过执行网络Ping命令来检查通道的连接状态。其中，波分复用设备上的4路电口由千兆网线与测试电脑连接，其它光接口由于均为至上而下单向传输，则通过光纤跳线转接两个光波通道，形成一对收发通道，并通过光纤收发器后与测试电脑连接，光通道测试连接原理框图如图5所示。

图5 光通道测试连接原理框图

通道速率测试在上述光接口、电接口连接基础上，采用IxChariot测试软件对每个通道速率分别进行测试。经过测试，每个通道传输稳定，平均速率均达到900Mbps以上，如图6所示，基本接近各通道千兆的带宽容量，满足系统的设计要求。

图6 通道测试截图

4 结束语

雷达系统采用波分复用技术及相关设备，很好解决了大容量数据的传输瓶颈问题，具有成本低、集成易、可靠性高、抗扰性强、传输容量大、信号适应广、扩展性能好等特点，是当前雷达系统扩容升级、新研雷达系统大容量数字化传输设计的良好手段，必要情况下还可使用密集波分复用技术实现更大容量的数据传输，在未来雷达系统中的实用前景非常广泛。