聶海江，侯文棟，張方正，趙昂然，李貴顯，丁其洪

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

基于波形一體化的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，通過(guò)同一信號(hào)在同一硬件平臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)和無(wú)線通信功能，可以共用雷達(dá)、通信收發(fā)機(jī)，避免電磁干擾，受到研究人員的青睞，被認(rèn)為是未來(lái)的發(fā)展方向[1-2]。LFMCW-ASK 信號(hào)將雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)和幅移鍵控(ASK)通信信號(hào)進(jìn)行混合調(diào)制，是一種優(yōu)越的雷達(dá)通信一體化波形。微波光子技術(shù)由于其與生俱來(lái)的大帶寬、低損耗、不受電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是“下一代雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)”[3-8]。本文將微波光子雷達(dá)技術(shù)與ASK 通信相結(jié)合，將通信信息通過(guò)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(hào)，由此建立了一種微波光子雷達(dá)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(dá)接收端采用去斜接收的方式降低回波信號(hào)的采樣頻率，而后進(jìn)行逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）成像。其中，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)可同時(shí)工作，互不干擾；運(yùn)用微波光子倍頻技術(shù)，使信號(hào)帶寬大大提高，既能提高雷達(dá)成像分辨率，同時(shí)也能增大通信系統(tǒng)的可用帶寬，提高通信速率；運(yùn)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(hào)的幅度包絡(luò)上，從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和通信功能。

1 原理

圖1 所示為微波光子雷達(dá)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(gè)雙通道任意波形發(fā)生器（AWG），其中一個(gè)通道產(chǎn)生LFMCW，另一通道產(chǎn)生ASK 格式的通信信號(hào)。將生成的LFMCW 通過(guò)MZM1 調(diào)制到光載波上。調(diào)節(jié)偏置點(diǎn)，使得MZM1 工作在最大傳輸點(diǎn)處，僅保留載波和正負(fù)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(hào)的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)原理圖

將MZM1 的輸出通過(guò)光耦合器（OC）等分為2 路，下路送往MZM3 作為參考信號(hào)，用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去斜；上路送入另一馬赫增德爾調(diào)制器（MZM2）進(jìn)行幅度調(diào)制。調(diào)節(jié)MZM2 的偏置點(diǎn)，使得MZM2 工作在線性傳輸點(diǎn)處，同時(shí)將ASK 格式的通信信號(hào)通過(guò)MZM2 調(diào)制到光載波上，在小信號(hào)調(diào)制的情況下，MZM2 的輸出信號(hào)表達(dá)式可以簡(jiǎn)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(hào)。將MZM2 的輸出送到光電探測(cè)器（PD1）中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到二倍頻和四倍頻信號(hào)，通過(guò)濾波器濾除其中的二倍頻信號(hào)，得到四倍頻LFMCW-ASK 一體化波形：

式中，sASK(t)作為信號(hào)的幅度包絡(luò)，攜帶有通信信息，通過(guò)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(hào)，可用于雷達(dá)探測(cè)。該雷達(dá)-通信復(fù)合信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后發(fā)射到空間，一部分被通信接收端接收到，經(jīng)過(guò)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(lái)被雷達(dá)接收端接收到，經(jīng)過(guò)放大后送入MZM3 進(jìn)行調(diào)制。其中接收到的回波信號(hào)可表示為：

式中，τ 表示回波信號(hào)延時(shí)。將MZM3 輸出送入光電探測(cè)器2，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)根據(jù)平方律檢波原理，回波信號(hào)和發(fā)射參考信號(hào)進(jìn)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(dá)信號(hào)處理；θ=4ω0τ+2Kτ2為固定相移，也不影響雷達(dá)信號(hào)處理；從信號(hào)頻率4Kτ 中可以提出目標(biāo)距離信息，對(duì)該信號(hào)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(hào)的頻譜為L(zhǎng)FMCW 信號(hào)與ASK 信號(hào)頻譜的卷積：

式中，U1( f )為L(zhǎng)FMCW 信號(hào)的頻譜，U2( f )為ASK 信號(hào)的頻譜。ASK 信號(hào)的頻譜相對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)的頻譜來(lái)說(shuō)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(hào)頻譜將與線性調(diào)頻信號(hào)頻譜相類似。

如圖2 所示，圖（a）為ASK 信號(hào)頻譜，圖（b）為線性調(diào)頻信號(hào)頻譜，圖（c）為L(zhǎng)FMCW-ASK 信號(hào)頻譜，可見復(fù)合信號(hào)頻譜與線性調(diào)頻信號(hào)頻譜相近。但線性調(diào)頻信號(hào)內(nèi)有些頻率點(diǎn)被ASK 編碼為0，造成信號(hào)頻譜不平坦。在本文中將LFM-ASK 信號(hào)主要用在調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)中。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去斜處理，而在去斜處理中信號(hào)的的距離分辨力主要取決于信號(hào)的頻域結(jié)構(gòu)，信號(hào)所占帶寬將決定信號(hào)的距離分辨常數(shù)，故而LFMCW-ASK 信號(hào)將具有和LFMCW 信號(hào)相同的距離分辨力。

圖2 信號(hào)頻譜圖

2.2 去斜信號(hào)分析

對(duì)去斜信號(hào)進(jìn)行仿真，先設(shè)置LFMCW-ASK 信號(hào)載波頻率為5 GHz，帶寬為2 GHz，信號(hào)時(shí)寬為5 μs，采樣率為20 GHz，通過(guò)調(diào)整信號(hào)時(shí)延使得去斜信號(hào)的頻率約為4 MHz。在ASK 編碼速率設(shè)置為20 Mbit/s 時(shí)，其去斜處理后時(shí)域波形和頻譜如圖3 所示。在此種情況下，去斜信號(hào)載頻遠(yuǎn)低于ASK 調(diào)制速率，在一個(gè)載頻波形內(nèi)有多個(gè)ASK 調(diào)制碼元，雖然無(wú)法在去斜信號(hào)上提取通信信息（通信信號(hào)可通過(guò)包絡(luò)檢波器從高頻線性調(diào)頻載波上直接提?。?，但此信號(hào)用于雷達(dá)探測(cè)沒(méi)有問(wèn)題，其成像分辨率沒(méi)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(shí)，其去斜后時(shí)域波形和頻譜如圖4 所示。此時(shí)ASK 調(diào)制速率為去斜信號(hào)載頻的一半，可以在去斜信號(hào)上提取包絡(luò)信號(hào)從而得到通信信息，但去斜信號(hào)的頻譜出現(xiàn)柵瓣，對(duì)于雷達(dá)目標(biāo)分辨造成干擾。通過(guò)包絡(luò)檢波器直接從線性調(diào)頻載波中而非去斜信號(hào)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(wú)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(hào)的幅度不滿，從而能量降低，不能最大化利用發(fā)射機(jī)的能量，可能使得回波信號(hào)信雜比降低，探測(cè)距離下降。如圖5 所示，復(fù)合信號(hào)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(hào)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(shí)間幅度不滿，可能造成信雜比下降和探測(cè)距離下降。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)

搭建系統(tǒng)并同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)成像與無(wú)線通信試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。首先，通過(guò)AWG 的一個(gè)通道產(chǎn)生2 GHz（4.5～6.5 GHz）帶寬的LFMCW，信號(hào)周期為50 μs。將LFMCW 信號(hào)通過(guò)MZM1 調(diào)制到光載波上，僅保留載波和正負(fù)二階邊帶，MZM1 的輸出如圖6 所示。

圖5 去斜信號(hào)的頻譜

圖6 MZM1 的輸出光譜圖

同時(shí)，利用AWG 的另一個(gè)通道產(chǎn)生一個(gè)100 Mbit/s 的ASK 通信信號(hào)，并通過(guò)MZM2 調(diào)制到光載波上。其中100 Mbit/s 的通信速率相對(duì)于8 GHz 的帶寬來(lái)說(shuō)很小，通信速率可以進(jìn)一步提高。將MZM2 的輸出送入PD2 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再將PD2 的輸出通過(guò)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(hào)一個(gè)周期（50 μs）的時(shí)域波形。部分波形（300 ns）如圖3（b）所示，可以清晰看出一個(gè)比特（10 ns，正對(duì)應(yīng)100 Mbit/s 的通信速率）的包絡(luò)起伏。信號(hào)的瞬時(shí)頻率如圖3（c）所示。

對(duì)LFMCW-ASK 信號(hào)與LFMCW 信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)討論ASK 調(diào)制對(duì)于雷達(dá)信號(hào)脈沖壓縮性能的影響，如圖8 所示。一方面，對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行ASK 調(diào)制不會(huì)影響雷達(dá)分辨率。LFMCW-ASK信號(hào)與LFMCW 信號(hào)的3 dB 主瓣寬度相同，都是1.875 cm，與8 GHz 帶寬對(duì)應(yīng)的理論分辨率相同，故而2 種信號(hào)的雷達(dá)成像分辨率相同。另一方面，可以看出LFMCW-ASK 信號(hào)由于有了幅度包絡(luò)，不能完全利用發(fā)射機(jī)能量，相對(duì)LFMCW 信號(hào)自相關(guān)峰值功率下降了，可能造成信噪比下降，并可能對(duì)雷達(dá)探測(cè)距離造成影響。當(dāng)然，峰值下降不超過(guò)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(wú)線通信實(shí)驗(yàn)

將產(chǎn)生的LFMCW-ASK 信號(hào)通過(guò)濾波放大后經(jīng)由天線發(fā)射到自由空間中，部分信號(hào)被通信接收天線所接收，而后經(jīng)過(guò)放大和包絡(luò)檢波后得到通信信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置發(fā)射天線和接收天線間的距離為1.5 m。通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)示波器以400 Mbit/s 的采樣率對(duì)幅度包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到通信信息。如圖9（a）為ASK 信號(hào)在0.2 μs 內(nèi)的時(shí)域波形?？梢郧逦闯?，通信信息可以被正確地恢復(fù)出來(lái)。圖9（b）為ASK 信號(hào)的眼圖。眼圖可以較好地張開，證明了系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信的可行性。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾性，將在不同衰減下的幅度包絡(luò)信號(hào)與眼圖進(jìn)行對(duì)比，如圖10—12 所示。在不同程度的衰減下，信號(hào)眼圖仍能較好地張開，證明了系統(tǒng)的抗干擾性。

圖9 無(wú)衰減

圖10 進(jìn)行3 dB 衰減

圖11 進(jìn)行6 dB 衰減

圖12 進(jìn)行13 dB 衰減

3.3 雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行ISAR 成像實(shí)驗(yàn)。部分發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射回雷達(dá)接收端，經(jīng)過(guò)放大濾波后輸入MZM3進(jìn)行微波光子混頻去斜。去斜信號(hào)采樣后進(jìn)行ISAR成像處理，得到目標(biāo)的ISAR 成像圖。對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行ISAR 成像實(shí)驗(yàn)，對(duì)比LFMCW-ASK 信號(hào)與LFMCW 信號(hào)的成像結(jié)果，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，將目標(biāo)放置在一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)以1 轉(zhuǎn)/秒的速度不斷旋轉(zhuǎn)。通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)示波器以100 MSa/s 的采樣率對(duì)去斜信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)一幀圖像的合成孔徑時(shí)間為200 ms。可以清晰觀察到目標(biāo)的輪廓，且LFMCW-ASK 與LFMCW 信號(hào)的成像結(jié)果并無(wú)明顯區(qū)別。證明系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)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(guò)無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)和雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，本文提出的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)能夠在一體化波形的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信功能和雷達(dá)成像功能，并且互不干擾。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了100 Mbit/s 的通信速率和1.9 cm×2.0 cm 的二維雷達(dá)成像分辨率，證明了系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于微波光子的雷達(dá)通信一體化技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行雷達(dá)成像和無(wú)線通信的可行性。系統(tǒng)通過(guò)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(guò)該波形建立基于波形一體化的雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)的雷達(dá)功能和通信功能可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，互不干擾。在實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了速率達(dá)100 Mbit/s 的無(wú)線通信和二維分辨率達(dá)1.8 cm × 2.0 cm 的逆合成孔徑雷達(dá)成像。由于信號(hào)帶寬高達(dá)8 GHz，系統(tǒng)通信速率還可以進(jìn)一步提高。運(yùn)用微波光子技術(shù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)信號(hào)頻率、帶寬，可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的雷達(dá)成像。