光互联技术在现代雷达系统中的应用

文/黄忠平 吴刚 崔汪莉

光互联技术在现代雷达系统中的应用

文/黄忠平 吴刚 崔汪莉

新的作战对象、作战环境和作战形式对现代雷达系统提出了新的需求。随着新一代雷达系统数字化技术发展，同时多功能、复杂电磁环境对抗以及宽带成像和识别等能力需求，导致阵列、信息处理层面的数据量数十倍的增加以及计算流程的频繁切换，需要处理架构具备海量数据高速实时传输、运算节点可任意交换、以及可重构能力。本文主要介绍利用光子互联技术，解决雷达高速数据传输链路、节点信息交换、时钟信号的多路馈送等方面问题的应用、探索情况。

雷达 光子 光互联技术 光交换技术 IO密集型

1 概述

雷达系统全数字化，感知信息的自由度得以扩展，使得雷达系统在以下几个方面有所发展：

1.1 同时多功能

传感器阵列的数字化，探测、侦察、通讯可以通过同时多波束、多孔径等技术实现。

1.2 复杂电磁环境对抗能力

通过灵活的自适应波束形成能量在空、时、频多维域扩展调度，提升低截获和对付多个干扰源的能力。

1.3 目标识别能力

对目标合成高分辨的一维像、二维像，提取目标长度、速度、频谱等精细特征，实现对目标的分类、识别能力。

雷达系统中，信号的宽频带、宽空域的泛在感知、接收与处理是其技术发展的牵引性需求。

同时多功能需要实现系统的频带扩展，孔径综合；复杂电磁环境对抗能力需要实现灵活的同时宽频、多频，同时宽空域覆盖和较高精度的辐射源方向测量；提升空时耦合地杂波抑制能力的主要手段是增加空间自由度。上述能力，在雷达阵列、信号、信息处理层面，导致数十倍处理数据量的增加、计算流程的频繁转换，需要实现海量数据传输，运算节点信息的任意交换，和高可重构的柔性处理架构。

图1：首个全光相干雷达系统

图2：高速数据传输链路

在功耗、重量、体积等有限资源约束条件下，复杂射频系统同时满足处理能力、电磁兼容性能要求，始终是信息处理技术需要持续解决的问题。

微波光子重量轻，损耗小功耗低，抗电磁干扰，频率响应平坦、带宽大，信道容量高，信息处理快，并行能力强。这些特性与雷达探测需求良好的结合，能够使得雷达体积重量成本降低，结构更加紧凑，提升抗干扰性能，拓展阵面能力和带宽，实现探测系统与平台的共形设计。

美国国防部高等研究计划局（DARPA）、欧洲空间局（ESA）、麻省理工学院、美国海军研究实验室、THALES公司等开展了相关技术的研究。主要涵盖光子射频链路、线性光子前端、光子频率源、光子波束合成、光子超高速A/D以及大数据链路的传输交换技术等方面，并逐步实现工程化应用。这些技术在充分发挥数字阵列能力、实现多功能阵面一体化处理方面起到关键性的作用。

图3：UCSB研制的8*8路光交换芯片

图4：全光波分路由表

2014年意大利国家网络实验室学者Paolo Ghel fi等人在Nature上首先发表论文介绍其在全光雷达方面的研究成果。综合应用了基于MLL（锁模激光）的高稳定本振信号产生技术、任意波形产生技术以及基于光子模数转换的接收机技术，构建了一部X波段的全光雷达演示系统，成功地对机场目标进行检测试验，得到了目标的二维距离、速度图像。

2 光互联技术

光子互联技术主要以解决雷达系统中高速数据的链路传输、海量数据交换和时钟信号的多路馈送为主要目的，解决板间、片间高数据带宽低功耗交换互联，和超宽带、大动态、低噪声、可复用的光纤传输通道构建问题。

雷达同时多功能要求天线和接收机具备多通道数字处理，孔径分区、同时多波束能力，能够分时或同时实现不同带宽的孔径捷变；使阵面具备空、时、频三维的快速动态调整能力和复合多功能能力，实现数据流、实时处理任务、平台资源最佳动态匹配。这就要求架构具备传输的高速大容量承载能力和交换拓扑的时变能力。IO密集型的数字处理系统架构数据节点分散、数据流量巨大、频繁交互传输，系统传输架构既要满足多源海量数据同步运算要求又需进行同源高速数据异步可重构运算，这些对于IO互联体系架构的复杂要求是系统工程化应用需要直接面对的挑战。

系统总线的一般性要求包括：有保证的高带宽（吞吐量）；一定范围内的延迟；可伸缩性；可靠性；实时性；确定性。电传输的数据速率和距离逐渐遇到瓶颈：

（1）电信号需要额外的中继器来保持信号的可靠传输，增加了片上数据传输的延迟。

（2）带宽密度问题。金属线存在RC效应和信号串扰，必须满足最小线宽和线间距的要求，使得板内、片上布线密度难以大幅提高。如何有效提高片上互连的带宽密度是亟待解决的一大技术难题。

图5：时钟信号的多路馈送

（3）功耗问题。金属、半导体等电阻性器件，其具有的串联电阻使信号在传输过程中不断发生衰减，高带宽、长距离和额外引入的中继器是互连功耗主要来源之一。

光纤介质作为数据传输载体，具有重量轻、结构简单灵活、切换速度快、无电磁干扰、信号格式透明的优点。根据传输带宽、拓扑网络结构、交换端口数目、传输距离等不同场合，选择多模、单模方式传输数据。可承载不同协议，实现雷达系统功能：

2.1 基于RocketIO实现阵面海量数据、信息传输

用于实现雷达系统内，控制、定时上行链路和数据、控制、信息、定时、状态下行链路海量数据、信息传输。数据量大，数万个分散布置的阵元和数千根光纤构建庞大的传输网络拓扑，单纤传输带宽可达10～100Gbps。

2.2 基于RapidIO、InfiniBand构建全交换信息处理系统

适用于构建具有一定规模的实时高密度计算环境。在协议层实现内存映射、数据交换和实时中断响应，聚束带宽可达40Gbps。

2.3 基于FC、InfiniBand、ENet协议构建大型电子系统

构建大型电子系统时，实现各任务系统间的信息交互。 需实现多协议转换，中断和数据的透明传输、交换、广播、组播仲裁。

3 光交换技术

交换技术日益成为雷达工程技术发展的瓶颈问题。目前光开关实现的光路交换技术已可应用于单模光纤传输网络；基于空分路由和波分路由的协议层包交换技术，业界正在进行积极的探索。

3.1 光路交换技术

目前已研制出基于MEMs技术的微镜阵列芯片，实现了640*640路光路信号的全交换。交换端口数多，设备规模、功耗远小于电路交换。

也可调谐激光器阵列先进行波长变换，采用波分交换技术，实现了光路信号的全交换。下图为加州大学-圣芭芭拉分校（UCSB）研制的8*8路光交换芯片，尺寸5*16mm，交换带宽640Gbps。

采用光路交换技术的网络，进行数据切换后，数据源与目的信道之间数据链路有短时中断，需进行链路时钟CDR重建，重建时间大于ms级；组播、广播等数据业务不够灵活，或难以实现；雷达系统光交换技术的灵活应用，还有赖于快捷的协议层的包交换技术。

3.2 全光路由交换技术

波分交换技术利用波长区分不同的数据传输通道。全光波长路由技术是在光路信道中，利用波长建立路由表，根据光路协议规定的标准数据协议，封装、解析、导引光路数据包，实现全光波长路由包交换技术。该技术的工程应用，还需一整套标准化的电路传输交换协议、光路传输交换协议来推动，如图4所示。

3.3 基于WDM的多通道传输

随着阵列数字化、大带宽、多功能等概念的提出和发展，传输链路带宽明显不足。采用电域的时分复用、频分复用等方式面临难度大、成本高、处理方式复杂，信号间干扰强等问题。利用WDM技术进行多通道传输，可以显著提高传输带宽，传输质量好、配置灵活，链路的体积和重量有所减小。

由于光纤传输对上层业务透明的特性，可以利用WDM技术复接多信道数据，同时在光纤中传输，减少光纤数量。发送时，多通道信号可分别调制到不同的光载波上，通过阵列波导光栅（AWG）进行波分复用后经由光纤传输至天线端，再经过解复用，光电转换后进行发射。接收的情况类似。

雷达要求的通用性和互换性制约了该技术的应用范围。

4 时钟信号的多路馈送

数字阵列雷达系统收发通道多，可达数千个。电缆馈送模式需要数量很多的功分器和电缆，体积重量大、损耗大、相互之间电磁干扰严重，低损耗、无电磁干扰、体积重量小、价格低廉的光纤可以解决这个问题。如美国ISIS浮空飞艇项目，数十万个阵元均采用光纤互连，大大的降低了重量和安装成本，也使抗电磁干扰的能力显著提高。

定时系统以1个基本时钟为参考，产生多路定时信号。多路定时信号，可以作为1路SERDES高速串行接口的输入数据；按照基本时钟的倍频，多路定时信号进行8b/10b或64b/66b编码，被转换为1路高速串行数据；经光模块转换后，可通过光纤发送至阵面。阵面高速串行接口接收端，高速串行数据可以被恢复成原先的多路定时信号，如图5所示。

5 结语

光互联技术的优点包括：

（1）超高带宽，与传统的基于电子载体的平台相比，光子信息载体的处理速度和传输带宽可提高3个数量级；

（2）散热量小，随着电处理集成度提高，功耗和散热量增加，环境要求苛刻；

（3）无电磁串扰，光在介质中传输时不存在寄生电容和电感问题，没有电磁干扰问题；

（4）能耗低，光在传输和转换时，所需能量低。在目前雷达系统需求带宽及速度越来越高，并且逐渐采用众核架构的情况下,光互联的具有低功耗、抗辐射、轻量化、高能效比的特性，是满足高性能信号处理机的理想技术途径。

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作者单位 南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039

黄忠平（1985-），现为南京电子技术研究所工程师。研究方向为雷达信号处理系统设计。

吴刚（1973-），现为南京电子技术研究所研究员。研究方向为雷达信号处理系统设计。

崔汪莉（1989-），现为南京电子技术研究所助理工程师。研究方向为雷达信号处理系统设计。