基于微波光子的雷达通信一体化技术研究

聂海江，侯文栋，张方正，赵昂然，李贵显，丁其洪

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京210007）

0 引言

基于波形一体化的雷达通信一体化系统，通过同一信号在同一硬件平台上同时实现雷达探测和无线通信功能，可以共用雷达、通信收发机，避免电磁干扰，受到研究人员的青睐，被认为是未来的发展方向[1-2]。LFMCW-ASK 信号将雷达线性调频信号和幅移键控(ASK)通信信号进行混合调制，是一种优越的雷达通信一体化波形。微波光子技术由于其与生俱来的大带宽、低损耗、不受电磁干扰等优势，被认为是“下一代雷达的关键技术”[3-8]。本文将微波光子雷达技术与ASK 通信相结合，将通信信息通过幅度编码的方式调制到线性调频连续波（LFMCW）上，生成LFMCW-ASK 信号，由此建立了一种微波光子雷达通信一体化系统。系统在通信接收端采用包络检波的方式恢复出通信信息，在雷达接收端采用去斜接收的方式降低回波信号的采样频率，而后进行逆合成孔径雷达（ISAR）成像。其中，雷达系统和通信系统可同时工作，互不干扰；运用微波光子倍频技术，使信号带宽大大提高，既能提高雷达成像分辨率，同时也能增大通信系统的可用带宽，提高通信速率；运用微波光子幅度调制技术，将通信信息调制到LFMCW 信号的幅度包络上，从而能够同时实现雷达和通信功能。

1 原理

图1 所示为微波光子雷达通信一体化系统的原理图。首先由窄线宽激光器生成光载波并注入马赫增德尔调制器（MZM1）。使用一个双通道任意波形发生器（AWG），其中一个通道产生LFMCW，另一通道产生ASK 格式的通信信号。将生成的LFMCW 通过MZM1 调制到光载波上。调节偏置点，使得MZM1 工作在最大传输点处，仅保留载波和正负二阶边带，MZM1 的输出可表示为：

式 中，Aexp(jωct)表 示 光 载 波；m1表 示MZM1 的 调 制系数。

图1 基于LFMCW-ASK 信号的雷达通信一体化系统原理图

将MZM1 的输出通过光耦合器（OC）等分为2 路，下路送往MZM3 作为参考信号，用于对回波信号进行去斜；上路送入另一马赫增德尔调制器（MZM2）进行幅度调制。调节MZM2 的偏置点，使得MZM2 工作在线性传输点处，同时将ASK 格式的通信信号通过MZM2 调制到光载波上，在小信号调制的情况下，MZM2 的输出信号表达式可以简化为：

式 中，m2表示MZM2 的调制系数；sASK（t）∈{0,1}表示ASK 通信信号。将MZM2 的输出送到光电探测器（PD1）中进行光电转换，得到二倍频和四倍频信号，通过滤波器滤除其中的二倍频信号，得到四倍频LFMCW-ASK 一体化波形：

式中，sASK(t)作为信号的幅度包络，携带有通信信息，通过包络检波器则可以提取出通信信息。cos(4ωIFt)表示4 倍频LFMCW 信号，可用于雷达探测。该雷达-通信复合信号经过放大后发射到空间，一部分被通信接收端接收到，经过包络检波提取出通信信息；另一部分经目标反射回来被雷达接收端接收到，经过放大后送入MZM3 进行调制。其中接收到的回波信号可表示为：

式中，τ 表示回波信号延时。将MZM3 输出送入光电探测器2，在进行光电转换时根据平方律检波原理，回波信号和发射参考信号进行混频去斜，最后输出为[5]：

式中，ω0表示LFMCW 的初始频率；K 表示LFMCW的啁啾率;sASK(t+τ)表示幅度包络，不影响雷达信号处理；θ=4ω0τ+2Kτ2为固定相移，也不影响雷达信号处理；从信号频率4Kτ 中可以提出目标距离信息，对该信号做傅里叶变换从而得到目标的一维距离像。

2 仿真分析

2.1 频谱分析

根据傅里叶变换的卷积性质，可得LFMCW-ASK信号的频谱为LFMCW 信号与ASK 信号频谱的卷积：

式中，U1( f )为LFMCW 信号的频谱，U2( f )为ASK 信号的频谱。ASK 信号的频谱相对于线性调频信号的频谱来说带宽非常窄小，在频谱上相当于δ 函数，故而根据δ 函数的卷积性质，最后得到的复合信号频谱将与线性调频信号频谱相类似。

如图2 所示，图（a）为ASK 信号频谱，图（b）为线性调频信号频谱，图（c）为LFMCW-ASK 信号频谱，可见复合信号频谱与线性调频信号频谱相近。但线性调频信号内有些频率点被ASK 编码为0，造成信号频谱不平坦。在本文中将LFM-ASK 信号主要用在调频连续波雷达中。对回波信号进行去斜处理，而在去斜处理中信号的的距离分辨力主要取决于信号的频域结构，信号所占带宽将决定信号的距离分辨常数，故而LFMCW-ASK 信号将具有和LFMCW 信号相同的距离分辨力。

图2 信号频谱图

2.2 去斜信号分析

对去斜信号进行仿真，先设置LFMCW-ASK 信号载波频率为5 GHz，带宽为2 GHz，信号时宽为5 μs，采样率为20 GHz，通过调整信号时延使得去斜信号的频率约为4 MHz。在ASK 编码速率设置为20 Mbit/s 时，其去斜处理后时域波形和频谱如图3 所示。在此种情况下，去斜信号载频远低于ASK 调制速率，在一个载频波形内有多个ASK 调制码元，虽然无法在去斜信号上提取通信信息（通信信号可通过包络检波器从高频线性调频载波上直接提取），但此信号用于雷达探测没有问题，其成像分辨率没有受到ASK 调制的影响。

而在ASK 编码速率设置为2 Mbit/s 时，其去斜后时域波形和频谱如图4 所示。此时ASK 调制速率为去斜信号载频的一半，可以在去斜信号上提取包络信号从而得到通信信息，但去斜信号的频谱出现栅瓣，对于雷达目标分辨造成干扰。通过包络检波器直接从线性调频载波中而非去斜信号提取幅度包络，显然更高的调制速率反而能使得系统受栅瓣影响较小，可以用于高速无线通信。

图3 ASK 编码速率设置为20 Mbit/s

图4 ASK 编码速率设置为2 Mbit/s

幅度编码的存在，使得信号的幅度不满，从而能量降低，不能最大化利用发射机的能量，可能使得回波信号信杂比降低，探测距离下降。如图5 所示，复合信号经去斜后的频谱峰值较之未经编码的线性调频信号降低了大约一半，这是由于编码为0 的概率约为1/2，造成约一半的时间幅度不满，可能造成信杂比下降和探测距离下降。

3 实验结果

3.1 信号产生实验

搭建系统并同时进行雷达成像与无线通信试验来验证系统的可行性。首先，通过AWG 的一个通道产生2 GHz（4.5～6.5 GHz）带宽的LFMCW，信号周期为50 μs。将LFMCW 信号通过MZM1 调制到光载波上，仅保留载波和正负二阶边带，MZM1 的输出如图6 所示。

图5 去斜信号的频谱

图6 MZM1 的输出光谱图

同时，利用AWG 的另一个通道产生一个100 Mbit/s 的ASK 通信信号，并通过MZM2 调制到光载波上。其中100 Mbit/s 的通信速率相对于8 GHz 的带宽来说很小，通信速率可以进一步提高。将MZM2 的输出送入PD2 进行光电转换，再将PD2 的输出通过18～26 GHz 的带通滤波器滤除2 倍频分量，得到四倍带宽的LFMCW-ASK 一体化波形，如图7 所示。图7（a）是LFMCW-ASK 信号一个周期（50 μs）的时域波形。部分波形（300 ns）如图3（b）所示，可以清晰看出一个比特（10 ns，正对应100 Mbit/s 的通信速率）的包络起伏。信号的瞬时频率如图3（c）所示。

对LFMCW-ASK 信号与LFMCW 信号的自相关结果进行对比，来讨论ASK 调制对于雷达信号脉冲压缩性能的影响，如图8 所示。一方面，对线性调频信号进行ASK 调制不会影响雷达分辨率。LFMCW-ASK信号与LFMCW 信号的3 dB 主瓣宽度相同，都是1.875 cm，与8 GHz 带宽对应的理论分辨率相同，故而2 种信号的雷达成像分辨率相同。另一方面，可以看出LFMCW-ASK 信号由于有了幅度包络，不能完全利用发射机能量，相对LFMCW 信号自相关峰值功率下降了，可能造成信噪比下降，并可能对雷达探测距离造成影响。当然，峰值下降不超过3 dB，性能的恶化并不大。

图7 四倍带宽的LFMCW-ASK 一体化波形

图8 自相关函数包络

3.2 无线通信实验

将产生的LFMCW-ASK 信号通过滤波放大后经由天线发射到自由空间中，部分信号被通信接收天线所接收，而后经过放大和包络检波后得到通信信号。实验中，设置发射天线和接收天线间的距离为1.5 m。通过一个实时示波器以400 Mbit/s 的采样率对幅度包络信号进行采样，得到通信信息。如图9（a）为ASK 信号在0.2 μs 内的时域波形。可以清晰看出，通信信息可以被正确地恢复出来。图9（b）为ASK 信号的眼图。眼图可以较好地张开，证明了系统进行无线通信的可行性。为了验证系统的抗干扰性，将在不同衰减下的幅度包络信号与眼图进行对比，如图10—12 所示。在不同程度的衰减下，信号眼图仍能较好地张开，证明了系统的抗干扰性。

图9 无衰减

图10 进行3 dB 衰减

图11 进行6 dB 衰减

图12 进行13 dB 衰减

3.3 雷达成像实验

系统同时进行ISAR 成像实验。部分发射信号经目标反射回雷达接收端，经过放大滤波后输入MZM3进行微波光子混频去斜。去斜信号采样后进行ISAR成像处理，得到目标的ISAR 成像图。对不同目标进行ISAR 成像实验，对比LFMCW-ASK 信号与LFMCW 信号的成像结果，实验结果如图13(棍状目标的成像结果)和图14(“N”形目标的成像结果)所示。在实验中，将目标放置在一个转台上，转台以1 转/秒的速度不断旋转。通过一个实时示波器以100 MSa/s 的采样率对去斜信号进行采样，同时一帧图像的合成孔径时间为200 ms。可以清晰观察到目标的轮廓，且LFMCW-ASK 与LFMCW 信号的成像结果并无明显区别。证明系统同时进行雷达成像的可行性。

图13 棍状目标的成像结果

图14 “N”形目标的成像结果

综上可知，经过无线通信实验和雷达成像实验的验证，本文提出的雷达通信一体化系统能够在一体化波形的基础上，同时实现通信功能和雷达成像功能，并且互不干扰。实验实现了100 Mbit/s 的通信速率和1.9 cm×2.0 cm 的二维雷达成像分辨率，证明了系统的可行性。

4 结束语

本文对基于微波光子的雷达通信一体化技术进行了研究，提出了一种雷达通信一体化系统，并通过实验验证了系统同时进行雷达成像和无线通信的可行性。系统通过将ASK 格式的通信信息调制到线形调频连续波上，得到LFMCW-ASK 一体化波形，通过该波形建立基于波形一体化的雷达通信一体化系统。系统的雷达功能和通信功能可以同时实现，互不干扰。在实验中，同时实现了速率达100 Mbit/s 的无线通信和二维分辨率达1.8 cm × 2.0 cm 的逆合成孔径雷达成像。由于信号带宽高达8 GHz，系统通信速率还可以进一步提高。运用微波光子技术,进一步提高系统信号频率、带宽，可以实现更高分辨率的雷达成像。