基于微波光子的雷達通信一體化技術(shù)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(tǒng)，通過同一信號在同一硬件平臺上同時實現(xiàn)雷達探測和無線通信功能，可以共用雷達、通信收發(fā)機，避免電磁干擾，受到研究人員的青睞，被認為是未來的發(fā)展方向[1-2]。LFMCW-ASK 信號將雷達線性調(diào)頻信號和幅移鍵控(ASK)通信信號進行混合調(diào)制，是一種優(yōu)越的雷達通信一體化波形。微波光子技術(shù)由于其與生俱來的大帶寬、低損耗、不受電磁干擾等優(yōu)勢，被認為是“下一代雷達的關(guān)鍵技術(shù)”[3-8]。本文將微波光子雷達技術(shù)與ASK 通信相結(jié)合，將通信信息通過幅度編碼的方式調(diào)制到線性調(diào)頻連續(xù)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(tǒng)。系統(tǒng)在通信接收端采用包絡(luò)檢波的方式恢復(fù)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(tǒng)和通信系統(tǒng)可同時工作，互不干擾；運用微波光子倍頻技術(shù)，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(tǒng)的可用帶寬，提高通信速率；運用微波光子幅度調(diào)制技術(shù)，將通信信息調(diào)制到LFMCW 信號的幅度包絡(luò)上，從而能夠同時實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)制器（MZM1）。使用一個雙通道任意波形發(fā)生器（AWG），其中一個通道產(chǎn)生LFMCW，另一通道產(chǎn)生ASK 格式的通信信號。將生成的LFMCW 通過MZM1 調(diào)制到光載波上。調(diào)節(jié)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(diào) 制系數(shù)。

圖1 基于LFMCW-ASK 信號的雷達通信一體化系統(tǒng)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(diào)制器（MZM2）進行幅度調(diào)制。調(diào)節(jié)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(diào)制到光載波上，在小信號調(diào)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(diào)制系數(shù)；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(zhuǎn)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(luò)，攜帶有通信信息，通過包絡(luò)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(fù)合信號經(jīng)過放大后發(fā)射到空間，一部分被通信接收端接收到，經(jīng)過包絡(luò)檢波提取出通信信息；另一部分經(jīng)目標(biāo)反射回來被雷達接收端接收到，經(jīng)過放大后送入MZM3 進行調(diào)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(zhuǎn)換時根據(jù)平方律檢波原理，回波信號和發(fā)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(luò)，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(biāo)距離信息，對該信號做傅里葉變換從而得到目標(biāo)的一維距離像。

2 仿真分析

2.1 頻譜分析

根據(jù)傅里葉變換的卷積性質(zhì)，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(diào)頻信號的頻譜來說帶寬非常窄小，在頻譜上相當(dāng)于δ 函數(shù)，故而根據(jù)δ 函數(shù)的卷積性質(zhì)，最后得到的復(fù)合信號頻譜將與線性調(diào)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(diào)頻信號頻譜，圖（c）為LFMCW-ASK 信號頻譜，可見復(fù)合信號頻譜與線性調(diào)頻信號頻譜相近。但線性調(diào)頻信號內(nèi)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(diào)頻連續(xù)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(jié)構(gòu)，信號所占帶寬將決定信號的距離分辨常數(shù)，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(shè)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(diào)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(shè)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(diào)制速率，在一個載頻波形內(nèi)有多個ASK 調(diào)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(luò)檢波器從高頻線性調(diào)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(diào)制的影響。

而在ASK 編碼速率設(shè)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(diào)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(luò)信號從而得到通信信息，但去斜信號的頻譜出現(xiàn)柵瓣，對于雷達目標(biāo)分辨造成干擾。通過包絡(luò)檢波器直接從線性調(diào)頻載波中而非去斜信號提取幅度包絡(luò)，顯然更高的調(diào)制速率反而能使得系統(tǒng)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(shè)置為20 Mbit/s

圖4 ASK 編碼速率設(shè)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(fā)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(fù)合信號經(jīng)去斜后的頻譜峰值較之未經(jīng)編碼的線性調(diào)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(jié)果

3.1 信號產(chǎn)生實驗

搭建系統(tǒng)并同時進行雷達成像與無線通信試驗來驗證系統(tǒng)的可行性。首先，通過AWG 的一個通道產(chǎn)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(diào)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(chǎn)生一個100 Mbit/s 的ASK 通信信號，并通過MZM2 調(diào)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(zhuǎn)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(yīng)100 Mbit/s 的通信速率）的包絡(luò)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(guān)結(jié)果進行對比，來討論ASK 調(diào)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(diào)頻信號進行ASK 調(diào)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(yīng)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(luò)，不能完全利用發(fā)射機能量，相對LFMCW 信號自相關(guān)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(dāng)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(guān)函數(shù)包絡(luò)

3.2 無線通信實驗

將產(chǎn)生的LFMCW-ASK 信號通過濾波放大后經(jīng)由天線發(fā)射到自由空間中，部分信號被通信接收天線所接收，而后經(jīng)過放大和包絡(luò)檢波后得到通信信號。實驗中，設(shè)置發(fā)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(luò)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(nèi)的時域波形?？梢郧逦闯?，通信信息可以被正確地恢復(fù)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(tǒng)進行無線通信的可行性。為了驗證系統(tǒng)的抗干擾性，將在不同衰減下的幅度包絡(luò)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(tǒng)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(tǒng)同時進行ISAR 成像實驗。部分發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)反射回雷達接收端，經(jīng)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(biāo)的ISAR 成像圖。對不同目標(biāo)進行ISAR 成像實驗，對比LFMCW-ASK 信號與LFMCW 信號的成像結(jié)果，實驗結(jié)果如圖13(棍狀目標(biāo)的成像結(jié)果)和圖14(“N”形目標(biāo)的成像結(jié)果)所示。在實驗中，將目標(biāo)放置在一個轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺以1 轉(zhuǎn)/秒的速度不斷旋轉(zhuǎn)。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?？梢郧逦^察到目標(biāo)的輪廓，且LFMCW-ASK 與LFMCW 信號的成像結(jié)果并無明顯區(qū)別。證明系統(tǒng)同時進行雷達成像的可行性。

圖13 棍狀目標(biāo)的成像結(jié)果

圖14 “N”形目標(biāo)的成像結(jié)果

綜上可知，經(jīng)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(tǒng)能夠在一體化波形的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)通信功能和雷達成像功能，并且互不干擾。實驗實現(xiàn)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(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語

本文對基于微波光子的雷達通信一體化技術(shù)進行了研究，提出了一種雷達通信一體化系統(tǒng)，并通過實驗驗證了系統(tǒng)同時進行雷達成像和無線通信的可行性。系統(tǒng)通過將ASK 格式的通信信息調(diào)制到線形調(diào)頻連續(xù)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(tǒng)。系統(tǒng)的雷達功能和通信功能可以同時實現(xiàn)，互不干擾。在實驗中，同時實現(xiàn)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(tǒng)通信速率還可以進一步提高。運用微波光子技術(shù),進一步提高系統(tǒng)信號頻率、帶寬，可以實現(xiàn)更高分辨率的雷達成像。