CN109600167B

CN109600167B - 一种数字阵列雷达光纤传输网络及其控制方法

Info

Publication number: CN109600167B
Application number: CN201811469988.0A
Authority: CN
Inventors: 解军; 张敏; 蒲剑
Original assignee: Chengdu Uestc Optical Communication Co ltd
Current assignee: Chengdu Uestc Optical Communication Co ltd
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: CN109600167A

Abstract

本发明公开了一种数字阵列雷达光纤传输网络及其控制方法，该光纤传输网络包括波分复用解复用单元和1：M功分器，波分复用解复用单元通过一单模光纤与处理器相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连；1：M功分器通过一单模光纤与波分复用解复用单元相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连，M为阵列面中的子阵列个数，子阵列由多个T/R模块子阵列单元组成。本发明基于WDM技术和PON技术，支持下行数字信号、下行模拟信号和上行数字信号的传输，上行数字信号，采了时分复用机制，避免了子阵列向处理器发送数据时出现竞争的现象，下行模拟和数字信号，采用了广播机制，保证了所有子阵列单元接收到相同的数据。

Description

一种数字阵列雷达光纤传输网络及其控制方法

技术领域

本发明涉及数字阵列雷达的传输网络设计技术领域，尤其涉及一种数字阵列雷达光纤传输网络及其控制方法。

背景技术

雷达阵列技术的发展大致经历了3个主要过程，即由最初的无源阵列演变为有源阵列，再到现在成为研究热点的数字阵列。近年来,数字阵列雷达发展迅速,其接收机和发射机均采用数字波束形成技术,具有较好的灵活性和通用性,随着超大规模数字电路、超高速处理芯片等技术的飞速发展,数字阵列雷达正逐步替代常规的模拟雷达,数字阵列雷达的强实时性和海量数据传输特性对雷达高速传输网络设计提出了新的要求。

根据雷达传感器的发展特点，数字阵列雷达具有海量的数据传输需要，目前现有技术方案有基于电信号的传输方式，但电信号传输速率有限且对于复杂组网本身存在着相互间信号干扰的问题，因而基于电信号的传输方式无法满足这种新的复杂的数字阵列雷达的发展需求。

光纤具有抗电磁兼容能力强、“无限带宽”、实时性高等特点，成为了新一代传感器的传输介质首选。因此，基于光互连的方式必然成为未来传感器的唯一选择。目前基于光纤的互连方式最为成熟，也最可能应用于这种新的复杂的数字阵列雷达中进行高速信号互连传输。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种应用于数字阵列雷达的高速光纤传输网络结构，并提出了相应的控制方法。

本发明提供的一种数字阵列雷达光纤传输网络，包括波分复用解复用单元和1：M功分器，波分复用解复用单元通过一单模光纤与处理器相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连；1：M功分器通过一单模光纤与波分复用解复用单元相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连；波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一，M为阵列面中的子阵列个数，子阵列由多个T/R模块子阵列单元组成。

进一步，处理器包括发送模块、接收模块和光环形器，发送模块包括M+1 个光发射机和一个波分复用器，其中M个光发射机发送数字信号，1个光发射机发送模拟信号，M+1个光发射机发送的波长通过发送模块的波分复用器进行耦合并经光环形器输出；接收模块包括M个光接收机和一个解复用器，解复用器把从光环形器接收的光信号解复用后输出到每一个光接收机。

进一步，每个子阵列对外包括两根输入光纤和一根输出光纤，两根输入光纤分别用于传输数字信号和模拟信号，并分别通过1：N光功分器连接到子阵列的每一个子阵列单元，N为相应子阵列中的子阵列单元个数。

进一步，子阵列的输出光纤与其中一根输入光纤可共用一根单芯双向光纤。

本发明另一方面提供的一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括下行数字信号控制，下行数字信号是指从处理器到子阵列的数字信号，下行数字信号控制方法包括：

处理器的M+1个光发射机发射m+1个不同频段的波长，经过处理器的波分复用器进行耦合并经光环形器输出至一单模光纤，其中m个波长 W₁,W₂,…,W_m用于传输数字信号，1个波长W_m+1用于传输模拟信号，m＝M，M 为阵列面中的子阵列个数，子阵列由多个T/R模块子阵列单元组成；

波分复用解复用单元对单模光纤传输过来的信号进行解复用，并通过单模光纤分别把W₁,W₂,…,W_m发送到子阵列1、子阵列2…子阵列M，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一；

在每个子阵列内部，通过1：N光功分器把输入信号广播到每一个子阵列单元，采用地址识别标识方法，每个子阵列单元只接收属于自己的数据，丢弃其它数据，N为相应子阵列中的子阵列单元个数。

本发明另一方面提供的一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括下行模拟信号控制，下行模拟信号是指从处理器到子阵列的模拟信号，下行模拟信号控制方法包括：

波分复用解复用单元对单模光纤传输过来的信号进行解复用，并通过单模光纤把W_m+1发送给1：M功分器，1：M功分器再通过单模光纤将W_m+1传输到每一个子阵列，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一；

在每个子阵列内部，通过1：N光功分器把输入信号传输到每一个子阵列单元，N为相应子阵列中的子阵列单元个数。

本发明另一方面提供的一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括上行数字信号控制，上行数字信号是指从子阵列到处理器的数字信号，上行数字信号控制方法包括：

子阵列1、子阵列2、…子阵列M分别采用m个不同频段的波长W₁’、 W₂’,…,W_m’发送数据，经过波分复用解复用单元进行耦合，然后通过一单模光纤传输到处理器，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一，m＝M，子阵列由多个T/R模块子阵列单元组成。

进一步，在每个子阵列内部采用时分复用的方法发送数据，即子阵列内部的子阵列单元按照时间序列依次发送数据。

本发明基于波分复用-无源光纤网络(WDM-PON)的高速光纤传输网络，基于WDM技术和PON技术，支持下行数字信号、下行模拟信号和上行数字信号的传输。上行数字信号，采了时分复用机制，避免了子阵列向处理器发送数据时出现竞争的现象。下行模拟和数字信号，采用了广播机制，保证了所有子阵列单元接收到相同的数据。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为现有技术的数字阵列雷达的互连需求示意图；

图2为本发明实施例的高速光纤传输网络结构示意图；

图3为本发明实施例的处理器结构示意图；

图4为本发明实施例的子阵列结构示意图；

图5为本发明实施例的下行数字信号传输示意图；

图6为本发明实施例的下行数字信号子阵列内传输示意图；

图7为本发明实施例的下行模拟信号传输示意图；

图8为本发明实施例的下行模拟信号子阵列内传输示意图；

图9为本发明实施例的上行数字信号传输示意图；

图10位本发明实施例的时分复用机制示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

雷达传输网络互连需求如图1所示，系统由一个处理器和多个子阵列组成，通过传输网络互连处理器与子阵列传感器单元。处理器与子阵列间存在如下通信需求。

为了更方便的描述传感器节点之间的通信关系式，定义如下：通信关系矩阵定义为C，矩阵元素为c(i,j)，那么c(i,j)∈C。假设子阵列元素个数为m个，那么子阵列集合{a₁,a₂,…,a_m},定义b为处理器单元。那么，c(i,j)定义如式1所示，其中i,j∈{a₁,a₂,…a_m,b}。

更进一步的，传感器通信需求矩阵如式(2)所示：

以上描述的是传感器之间的通信关系。此外，传感器之间传输数据类型要求如下：

1)上行传输数字信号，(子阵列到处理器)

2)下行传输模拟信号，(处理器到子阵列)

3)下行传输数字信号，(处理器到子阵列)

本发明主要解决处理器与传感器阵列之间的数据传输问题。

通过式(2)可以看出，C为稀疏矩阵，因此传感器节点通信关系具有稀疏性。本发明提出了基于波分复用-无源光纤网络(WDM-PON)方案解决稀疏阵列传感器互连问题，如图2所示；使用单模光纤组网，采用WDM技术互连处理器与子阵列，阵列面由多个子阵列组成，每个子阵列与处理器均通过不同的波长进行通信，子阵列由多个T/R模块子阵列单元组成。

处理器到子阵列的数据流向(下行数据)如下，多个光发射机发射不同频段的波长(定义为W＝(W₁,W₂,…,W_m，W_m+1))，经过波分复用器耦合进同一根光纤。信号达到阵列端经过解复用，分别把W₁,W₂,…,W_m发送到子阵列1、子阵列2…子阵列M，W_m+1用于传输模拟时钟信号，经过解复用器后，再通过功分器传输到每一个子阵列。在每个子阵列内部，通过光功分器把信号广播到每一个子阵列单元，子阵列内各子阵列单元接收的数据相同，包括数字信号和模拟信号。

子阵列到处理器的数据流向(上行数据)如下，每个子阵列内的子阵列单元共用一个波长，例如，子阵列1使用波长为W₁’，子阵列2使用波长为W₂’等等，经过波长复用器耦合进光纤，然后传输到处理器。在子阵列内部，由于包括多个子阵列单元，子阵列内部需要采用时分复用的方式。

因此，各个波长功能如下：

W＝(W₁,W₂,…,W_m)用于下行传输数字信号；

W_m+1用于下行传输模拟信号(例如时钟信号)；

W’＝(W₁’,W₂’,…,W_m’)用于上行传输数字信号。

系统结构设计：

为了实现以上功能，首先我们需要设计处理器结构，处理器结构如图3所示，主要包括发送模块、接收模块、光环形器，发送模块包括M+1个光发射机和波分复用器，其中M个光发射机发送数字信号，1个光发射机发送模拟信号，M+1个光发射机发送的波长通过波分复用器耦合进发送光纤。接收模块包括M个光接收机和一个解复用器，解复用器把接收光信号解复用后输出到每一个光接收机。光环形器是一种多端口的具有非互易特性的光器件，光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。

其次我们需要设计子阵列结构，子阵列结构如图4所示，每一个子阵列由多个子阵列单元组成，图4表示4×4个阵列单元组成的子阵列模型。每个子阵列对外包括两根输入光纤和一根输出光纤(其中一根输入光纤和输出光纤可共用一根单芯双向光纤)，两根输入光纤分别传输数字信号和模拟信号，分别通过1：N光功分器分成N条光信号(N为相应子阵列中的子阵列单元个数)，再连接到每一个子阵列单元。

控制方法：

1)下行数字信号控制方法

由于采用了波分复用技术，处理器到每个子阵列相当于点对点传输，因此不会再现消息竞争的情况，如图5所示，此时假设每个子阵列都包括n个子阵列单元，波长W₁传输数据为a₁＝(a₁₁,a₁₂,…,a_1n)，波长W₂传输数据为a₂＝

(a₂₁,a₂₂,…,a_2n)，波长W_m传输数据为a_m＝(a_m1,a_m2,…,a_mn)，从时间上看，虽然在同一时间传输了多种数据，但是经过解复用器后，a₁,a₂,...,a_m被分解到不同的光纤传输到不同的子阵列，因此不会出现数据竞争的情况。

在子阵列内部采用广播消息机制，也不会有竞争出现，如图6所示。子阵列1输入信号为(a₁₁,a₁₂,…,a_1n)，经过功分器，数据传输到每一个子阵列单元。采用地址识别标识方法，每个子阵列只接收属于自己的数据，丢弃其它消息。因此，a₁₁,a₁₂,…,a_1n能正确传输到相应的子阵列单元。

因此，针对下行数字信号，基于波长复用+广播+地址识别策略，保证了数据能传输到目标单元，并且不会出现数据阻塞现象。

2)下行模拟信号控制方法

下行模拟信号传输如图7所示，在光纤链路上(指处理器与子阵列端波长复用器/解复用器之间的光纤)使用波长W_m+1，与其它数字信号复用传输。到达解复用器后，解波长W_m+1，再经过功分器，传输到每一个子阵列，这样保证了每一个子阵列可同时接收到相同质量的模拟信号。

在模拟信号到达子阵列后，最终需要传输到每一个子阵列单元，因此，需要再经过一次功分，如图8所示。

如上描述，模拟信号的传输需要经过二次功分器后才能到达子阵列单元。由于整个传输过程没有光电光转换，因此具有较高的可靠性。

3)上行数字信号控制方法

上行数字信号为子阵列单元向处理器发送数据。在设计时，采用了波长复用技术，比如子阵列1、子阵列2、…子阵列M分别采用波长W₁’、W₂’,…,W_m’，因此，每个子阵列的上行数字信号相互独立，在传输过程中不会出现阻塞，如图9所示。但是，子阵列内所有子阵列单元共享同一个波长，如果所有子阵列单元同时发送数据，必然会导致数据竞争。因此，我们设计一种时分复用的方案解决竞争问题。

根据传感器数据传输特点，子阵列单元需要周期性的传输数据，假设数据传输周期为Tup，每个周期内传输数据所需要的时间为Ttx_up，为保证数据能有效的进行传输需要满足条件Ttx_up<Tup。把每个传输周期分成N份(N等于子阵列内传感器单元个数)，每个时间片为Tunit_up，那么满足Ttx_up＝ Tunit_up*N。子阵列传感器单元a₁₁,a₁₂,…,a_1n(n＝N)按照时间序列依次发送数字信号，每个传感器单元的发送时间片长度为Tunit_up，N个传感器单元总共发送时间长度为Ttx_up。由于通过时分复用机制，如图10所示，解决每个子阵列内部传感器单元发送消息时出现消息竞争的现象。

因此，在每一个传感器发送消息周期内，调度表如表1所示。采用WDM 机制，每个子阵列采用不同的波长，因此，子阵列之间发送上行数据时不会出现消息竞争。每个子阵列内部，采用TDM时间，通过合理的发送消息调试机制，保证了在同一时刻不会出现两个传感器单元同时发送消息，避免了子阵列内部出现消息竞争的现象。

表1下行消息调度表

Ttx_up(1)

Ttx_up(2)

Ttx_up(3)

Ttx_up(4)

…

Ttx_up(n)

W1’

a11

a12

a13

a14

…

a1n

W2’

a21

a22

a23

a24

…

a1n

Wm’

am1

am2

am3

am4

…

amn

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种数字阵列雷达光纤传输网络，其特征在于，包括波分复用解复用单元和 1：M 功分器，波分复用解复用单元通过一单模光纤与处理器相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连；1：M 功分器通过一单模光纤与波分复用解复用单元相连，并通过单模光纤与阵列面中的各子阵列相连；波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一，M 为阵列面中的子阵列个数，子阵列由多个 T/R 模块子阵列单元组成;处理器包括发送模块、接收模块和光环形器，发送模块包括 M+1 个光发射机和一个波分复用器，其中 M 个光发射机发送数字信号，1 个光发射机发送模拟信号，M+1 个光发射机发送的波长通过发送模块的波分复用器进行耦合并经光环形器输出；接收模块包括 M 个光接收机和一个解复用器，解复用器把从光环形器接收的光信号解复用后输出到每一个光接收机。

2.根据权利要求 1 所述的一种数字阵列雷达光纤传输网络，其特征在于，每个子阵列对外包括两根输入光纤和一根输出光纤，两根输入光纤分别用于传输数字信号和模拟信号，并分别通过 1：N 光功分器连接到子阵列的每一个子阵列单元，N 为相应子阵列中的子阵列单元个数。

3.根据权利要求 1 所述的一种数字阵列雷达光纤传输网络，其特征在于，子阵列的输出光纤与其中一根输入光纤可共用一根单芯双向光纤。

4.一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括下行数字信号控制，下行数字信号是指从处理器到子阵列的数字信号，其特征在于，下行数字信号控制方法包括：

处理器的 M+1 个光发射机发射 m+1 个不同频段的波长，经过处理器的波分复用器进行耦合并经光环形器输出至一单模光纤，其中 m 个波长W₁ ,W₂ ,…,W_m用于传输数字信号，1 个波长 W_m+1用于传输模拟信号，m=M，M为阵列面中的子阵列个数，子阵列由多个 T/R 模块子阵列单元组成；

波分复用解复用单元对单模光纤传输过来的信号进行解复用，并通过单模光纤分别把W₁ ,W₂ ,…,W_m发送到子阵列 1、子阵列 2…子阵列 M，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一；

在每个子阵列内部，通过 1：N 光功分器把输入信号广播到每一个子阵列单元，采用地址识别标识方法，每个子阵列单元只接收属于自己的数据，丢弃其它数据，N 为相应子阵列中的子阵列单元个数。

5.一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括下行模拟信号控制，下行模拟信号是指从处理器到子阵列的模拟信号，其特征在于，下行模拟信号控制方法包括：

波分复用解复用单元对单模光纤传输过来的信号进行解复用，并通过单模光纤把 W_m+1发送给 1：M 功分器，1：M 功分器再通过单模光纤将 W_m+1传输到每一个子阵列，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一；

在每个子阵列内部，通过 1：N 光功分器把输入信号传输到每一个子阵列单元，N 为相应子阵列中的子阵列单元个数。

6.一种如权利要求1-3任一项所述的数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，包括上行数字信号控制，上行数字信号是指从子阵列到处理器的数字信号，其特征在于，上行数字信号控制方法包括：

子阵列 1、子阵列 2、…子阵列 M 分别采用 m 个不同频段的波长W₁’、W₂’,…,W_m’发送数据，经过波分复用解复用单元进行耦合，然后通过一单模光纤传输到处理器，波分复用解复用单元包括波分复用器一和解复用器一，m=M，子阵列由多个 T/R 模块子阵列单元组成。

7.根据权利要求 6所述的一种数字阵列雷达光纤传输网络的控制方法，其特征在于，在每个子阵列内部采用时分复用的方法发送数据，即子阵列内部的子阵列单元按照时间序列依次发送数据。