雷达系统中WDM 技术的应用分析

张瑞珏 赵克俊 康成彬 郑传荣

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

近年来雷达系统中数据处理技术飞速发展，雷达通信系统的传输容量和传输距离不断提高，为满足雷达系统中的数据传输和处理、同步数据所需的快速、大量、准确、保密的要求，在雷达系统中已广泛应用光纤传输技术。未来雷达通信需求的最大特点也是最大难点在于超宽带大容量数据的实时传输。宽带通信光网络是各个雷达的主干神经系统，雷达信号和控制信息的传输完全依赖于光网络的支持。光波分复用技术以其大容量低成本的特点成为扩充雷达光信息网络传输容量的首选方案。

1 波分复用技术的进展

1.1 波分复用技术

波分复用(WDM，Wavelength Division Mulitiplexing)技术本质上是一种光波长分割复用或者光频率分割复用技术，即在一根光纤中，同时传输几个，甚至几十、成百乃至上千个不同波长光载波的技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。

因为WDM 是对许多个光波长进行复用的，所以波分复用技术可以按照被复用的波道间隔不同分为三类:宽波分复用(WWDM，Wide Wavelength Division Multiplexing)、密集波分复用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)、粗波分复用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)。

WWDM 仅指1310nm 和1550nm 两个窗口的简单复用，在早期的光纤通信系统中应用。由于传输容量有限和没有有效解决1310nm 波长的光放大问题，因此WWDM 的推广应用受到了限制。

DWDM 是指在石英玻璃光纤的低衰减窗口(1520～1620nm 波长区段)内，一般情况下，按照波长间隔小于2nm 的方式，进行32 波乃至更多波长的复用。DWDM 以高速率、大容量、远距离为特点，其主要应用在核心网的长途传输干线和城域网络的骨干层。

CWDM 是指波长间隔为20nm 的4 波、8 波、12波、16 波长的复用。CWDM 以短距离、低成本而著称。CWDM 主要应用在城域网的汇集层、边缘层等。CWDM 是通过使用非制冷和放宽要求的激光器及光滤波器来降低DWDM 系统成本的一种新的、便宜的波分复用技术。鉴于CWDM 的传输容量处在DWDM 和WWDM 之间，所以CWDM 特别适用于短距离雷达中网络建设，或者对雷达系统已有的光纤线路进行扩容升级，下面对粗波分复用技术作进一步介绍。

1.2 粗波分复用技术

在雷达系统的应用中，CWDM 系统的优势主要包括更低的硬件成本，更小的功耗和体积［1］。在雷达信号传输距离通常不超过100km，其中有许多不同协议和不同速率的信号，与传统的TDM 方式相比，CWDM 具有速率和协议透明性，提供了在一根光纤上不同速率的对协议透明的传输通道，同时CWDM 不必使用电信长途核心网必须用的外调制器和光放大器，这使之更适应各种雷达信号的传输［2］。如图1 是一个CWDM 传输雷达传输系统简图。

图1 CWDM 传输原理图

粗波分复用技术波长通路间隔达20nm 之宽，允许波长漂移±6.5nm，大大降低了对激光器的要求，只需采用多通道的激光收发器和粗波分的复用/解复用器，无须引入比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求，其成本可以大大降低。此外，由于CWDM 系统对激光器的波长精度要求很低，无须致冷器和波长锁定器，功耗低、尺寸小。从滤波器角度看，以典型的100GHz 间隔的介质薄膜滤波器为例，需要150 层镀膜，而20nm 间隔的CWDM 滤波器只需要50 层镀膜即可，其成品率和成本都可以获得有效改进，预计成本可以至少降低1/2。简言之，CWDM 系统无论是对激光器输出功率的要求，还是对温度的敏感度要求以及对色散容忍度的要求，乃至对封装的要求都远低于DWDM 激光器，再加上对滤波器要求的降低，使系统成本和复杂度大幅度下降。目前商用4 路光收发器模块的尺寸仅为16cm×9cm×1.65cm。同时，CWDM 设备被设计成紧凑的台式或盒式结构，所以非常便于安装和维护。在局域网中，850nm 的CWDM 系统正走向实用，利用850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光器在已铺设的传统62.5μm 多模光纤上可实现8 ×10Gbit/s 的传输，传输距离可达100km。表1 是有代表性的几个国内外厂商的CWDM 产品特点对比。

表1 几个厂商的CWDM 设备对比

2 波分复用技术雷达系统中的相关应用

2.1 舰载机载雷达光纤通信［1，3］

采用波分复用光纤传输网络，不仅会大大减轻舰载雷达系统的重量，缩小体积，而且会大大提高其战斗力。美国海军于70 年代中期就开始了对舰载光纤通信系统的研究，把60 部AN/SPS-48 远距离雷达分别安装在巡洋舰，驱逐舰和航空母舰上。AN/SPS-48 是比较先进的多波束三坐标雷达，它与指挥中心之间有三类信号要传输。一种是三维警戒雷达产生的模拟视频信号，另一种是由收发报机和控制站产生的数字式控制信号，第三种是由5 种基本逻辑状态产生的定时脉冲信号。并且它与指挥中心之间的距离有几百英尺，甚至上千英尺，两者之间的信号线有三百多条，若用电缆传输，要47 根电缆束，其体积和重量(14000 磅，约6350 千克)都非常大，它们在舰甲板上要占据很大空间，而且易受射频干扰，易遭敌方火力破坏。改用光纤传输系统后，采用多路波分复用技术，只需一根8 信道的光缆，其重量仅150 磅(约68kg)，可以大大降低安装成本，使抗电磁干扰和抗电磁脉冲的能力显著提高。

随着机载雷达飞速发展，飞机本身也日益现代化，机载控制和通信等电子设备的数量日益增多，连接各种设备的线缆的数量也在增加。飞机上的机载雷达通信系统所处理的信号种类多，有操作控制、通信等多种复杂信息;通信距离不长，但分路多，连接器和分路器引起的损耗比光纤本身的损耗还大，因此，一般都选用大芯径和大数值孔径光纤;此外，各种器件要能经受住温度、湿度的变化以及振动和冲击的影响;由于维修检查困难，因而对可靠性要求更高，同时网络要简单、适用。CWDM 系统可满足机载雷达系统的这些特点，因此有广阔发展前景。

2.2 在某地面雷达系统中的应用［4］

随着雷达技术的发展，地面雷达对信号的传输提出了很多新要求。现代很多新体制雷达系统由多个雷达站协同工作，各雷达站相距较远，达几十公里甚至几百公里，雷达信号的远距离传输是多站协同工作的基础。

某地面雷达需传输接收信号A/D 转换后的实时回波数据，大容量数据的长距离实时传输。该系统由一个联合处理控制中心和多个发射站及多个接收站组成。联合处理控制中心产生基准信号送到各雷达，使各雷达具有相同的时间基准，便于各雷达之间的时间同步;不同接收站、不同频率的接收信号传输到联合处理控制中心，综合起来进行信号级的积累处理。雷达的本质特征是:采用多个同频或不同频辐射信号，采用多个接收站接收信号，将多站接收到的多个频段信号传输到处理中心进行积累处理。

宽带通信网络是该雷达的主干神经，雷达信号和控制信息的传输完全依赖于通信网络的支持，其性能的好坏直接影响整个系统的性能发挥。

图2 宽带通信网络

在这种地面雷达通信系统中采用波分复用技术，可满足雷达系统信号实时性要求，数据传输能达到的速率更高，能避免将雷达视频进行压缩传输而产生信号损伤，使雷达系统得到更多的细节信息。可实现数据信号的较长距离传输，使雷达系统的网络化应用成为可能。采用模块化设计和波分复用技术，便于系统的维修和扩展，可提高雷达系统的战场生存能力。因此，将波分复用技术引入该雷达信号的传输，能够有效提高该地面雷达系统的性能。

2.3 在数字阵列雷达中的应用

随着数字阵列雷达的天线阵面越来越大，从战术安全角度考虑，当雷达的机动性能变差时，为保障操作者的人身安全，希望人机能够分离，即雷达天线阵面与控制方舱之间的距离要比较远，这种情况下光纤传输方式是最优的选择。此外，光纤传输方式还可以较好地实现雷达的轻型化，目前2.5Gbit/s 的光波分复用传输技术已经成熟，通过采用波分复用技术后可以在一根光纤上达到数百Gbit/s 的传输容量，从而满足数字阵列雷达越来越大的数据容量传输要求。光纤滑环技术的成熟，则为旋转的雷达天线阵面与固定的基座之间数据交换提供了可靠的传输途径［6-9］。这些相关技术的发展使得光波分复用系统在数字阵列雷达中的应用已经实现，实际使用情况表明该光纤传输系统可在各种军标要求的环境下稳定地传输多路光信号，并且信号稳定，可靠性高。

3 结束语

从上述涉及光纤波分复用在雷达系统中的应用来看，波分复用技术确实具有巨大的发展潜能，它的发展必然会引起雷达通信系统中光纤通信网的蓬勃发展。随着光纤传输技术的不断发展和完善，超高速光收发模块的设计与实现，波分复用技术将在其他体制的雷达中得到更为广泛的应用。波分复用技术的演变和发展结果将在很大程度上决定雷达通信系统的未来格局，也将会对国家军事通信系统产生巨大的影响。

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