(長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 引言

超寬帶地質(zhì)雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)是一種新型有效的淺層地下目標(biāo)探測設(shè)備[1]。超寬帶地質(zhì)雷達(dá)以納秒或亞納秒級(jí)脈沖波為信息載體，通過對(duì)來自地下目標(biāo)散射回波的旅行時(shí)間、幅度與相位等信息分析，推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。

由于散射回波的高頻率、寬頻帶特性，對(duì)散射回波的采集一般采用等效采樣技術(shù)[2]實(shí)現(xiàn)，這就需要一個(gè)延時(shí)范圍大、調(diào)節(jié)步長小、相位抖動(dòng)小的精密延時(shí)電路。該電路早期常采用AD9500、AD9501芯片來實(shí)現(xiàn)[3-4]，芯片采用8位2進(jìn)制碼控制總延遲時(shí)間，存在延遲時(shí)間的大范圍和小步長矛盾。近年來多采用可編程延時(shí)器(如MC100EP196)和可編程計(jì)數(shù)器相結(jié)合的方式[5]，實(shí)現(xiàn)延時(shí)范圍大、調(diào)節(jié)步長精細(xì)的可編程延時(shí)器。

Altea公司Cyclone III、IV的鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)模塊的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整功能[6]為實(shí)現(xiàn)精密延時(shí)電路提供了一個(gè)可行方案。采用該方案系統(tǒng)更加緊湊，穩(wěn)定性更高，功耗更低。

1 地質(zhì)雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)

超寬帶地質(zhì)雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超寬帶地質(zhì)雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在時(shí)基控制下，發(fā)射觸發(fā)電路周期性地觸發(fā)脈沖電路并通過發(fā)射天線輸出一個(gè)高頻率、寬頻帶的電磁脈沖。同時(shí)，該時(shí)基經(jīng)過可編程延時(shí)器產(chǎn)生Δt的延時(shí)后，觸發(fā)取樣積分器對(duì)異常體S的散射回波信號(hào)進(jìn)行采樣，得到旅行時(shí)間為Δt-Δtt-Δta的回波信號(hào)。這里Δtt和Δta分別表示發(fā)射脈沖電路的時(shí)間延遲和高頻放大電路的時(shí)間延遲。重復(fù)上述過程，經(jīng)過一系列不同時(shí)延Δti的采樣，獲得完整的回波信號(hào)。因此，測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圍繞等效采樣變換的實(shí)現(xiàn)展開，即發(fā)射觸發(fā)脈沖和取樣觸發(fā)脈沖控制電路的設(shè)計(jì)。

2 FPGA的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整

Cyclone III、IV 的PLL模塊支持包括頻率、電荷泵環(huán)路、濾波參數(shù)和輸出相位的動(dòng)態(tài)調(diào)整。PLL模塊的壓控振蕩器(voltage controlled oscillator,VCO)輸出8個(gè)不同相位的時(shí)鐘信號(hào)，輸出計(jì)數(shù)器Ci(i=0,1,…,4)和反饋計(jì)數(shù)器M可選擇不同相位輸出作為時(shí)鐘信號(hào)。輸出計(jì)數(shù)器Ci通過選擇VCO輸出相位和調(diào)整計(jì)數(shù)器起始時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高解析度、大范圍的時(shí)鐘延遲。

輸出計(jì)數(shù)器Ci選擇VCO不同相位的輸出作為時(shí)鐘，可獲得不同時(shí)延的時(shí)鐘信號(hào)，其時(shí)延步長為：

(1)

式中：TVCO為VCO周期，最小達(dá)到769 ps。

利用計(jì)數(shù)器Ci的輸出，可生成可編程時(shí)延的觸發(fā)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)PLL的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整，Cyclone III、IV 的PLL提供了相應(yīng)的控制接口，典型的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整模塊電路接口如圖2所示。其中，inclk0為PLL的參考時(shí)鐘；areset為復(fù)位信號(hào)。通過phasecounterselect[2…0]選定輸出計(jì)數(shù)器Ci作為相位調(diào)整對(duì)象，phaseupdown確定相移方向(phaseupdown為1時(shí)，相位后移，否則前移)，在移相使能信號(hào)phasestep的作用下完成一次相位調(diào)整。在移相過程中，指示信號(hào)phasedone被拉低，待相位調(diào)整完成以后，自動(dòng)拉高。通過適當(dāng)時(shí)序的控制命令，可使輸出計(jì)數(shù)器Ci產(chǎn)生向前或向后Δt的相移。控制命令與相關(guān)時(shí)序的細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[6]。

圖2 動(dòng)態(tài)相位調(diào)整模塊接口

當(dāng)向前(或向后)的相移累計(jì)達(dá)到8次，即時(shí)延達(dá)到一個(gè)TVCO時(shí)，PLL動(dòng)態(tài)相位調(diào)整模塊通過吞(或吐)脈沖的方式，實(shí)現(xiàn)其整周期的相移，形成PLL動(dòng)態(tài)相位調(diào)整模塊的粗調(diào)。

3 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用Cyclone III、IV PLL模塊的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整功能設(shè)計(jì)的地質(zhì)雷達(dá)測控系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)主要由5部分組成，即PLL模塊、相位調(diào)整電路、發(fā)射觸發(fā)模塊、取樣觸發(fā)模塊和NIOS II軟核。發(fā)射觸發(fā)模塊結(jié)構(gòu)與取樣觸發(fā)模塊結(jié)構(gòu)相似，只是在取樣觸發(fā)模塊中添加有計(jì)數(shù)器C及其相關(guān)部件，用于地質(zhì)雷達(dá)掃描控制。相位調(diào)整電路、發(fā)射觸發(fā)模塊和取樣觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)為IP核，并通過Avalon總線與NIOS II軟核連接，且在NIOS II的指揮下工作。

圖3 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

PLL模塊的輸入時(shí)鐘頻率設(shè)定為100 MHz，由晶體振蕩器產(chǎn)生。輸出計(jì)數(shù)器C0、C1的輸出頻率也配置為100 MHz，分別為發(fā)射觸發(fā)模塊和取樣觸發(fā)模塊提供時(shí)鐘。壓控振蕩器(VCO)頻率配置為1 GHz。通過動(dòng)態(tài)相位調(diào)整功能，可使得C0、C1間產(chǎn)生步長為125 ps的相對(duì)時(shí)延，實(shí)現(xiàn)最高采樣率8 GS/s的等效采樣。

發(fā)射觸發(fā)模塊由1個(gè)計(jì)數(shù)器和2個(gè)比較器組成。將PLL輸出計(jì)數(shù)器C0的輸出作為發(fā)射觸發(fā)脈沖的參考時(shí)鐘。該時(shí)鐘輸入到16位計(jì)數(shù)器T，計(jì)數(shù)器T在計(jì)數(shù)值為start_t時(shí)輸出發(fā)射觸發(fā)脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到寄存器R的設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器清零并重新計(jì)數(shù)。通過設(shè)定寄存器R，可以控制發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率。重復(fù)頻率(單位：MHz)計(jì)算公式如下：

(2)

將PLL輸出計(jì)數(shù)器C1的輸出作為取樣觸發(fā)脈沖的參考時(shí)鐘。該時(shí)鐘輸入到16位計(jì)數(shù)器S，計(jì)數(shù)器S的工作過程與計(jì)數(shù)器T基本相同。該計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)值為start_s時(shí)輸出取樣觸發(fā)脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到寄存器R的設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器清零并重新計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器C1的時(shí)鐘信號(hào)受PLL動(dòng)態(tài)相位調(diào)整模塊的控制，每兩次取樣之間，C1的時(shí)鐘信號(hào)需經(jīng)過k次相位調(diào)整。相對(duì)于發(fā)射觸發(fā)脈沖，第i次取樣的取樣脈沖時(shí)延為：

Δti=125ikk=1,2,…

(3)

式中：k為相位調(diào)整次數(shù)。

由此可實(shí)現(xiàn)采樣率為(8/k)GS/s的等效采樣。調(diào)整start_t和start_s可以調(diào)整Δtt和Δta，即調(diào)整測試的起始時(shí)間。

在取樣觸發(fā)模塊中，添加的計(jì)數(shù)器P用于對(duì)取樣脈沖計(jì)數(shù)，記錄采樣樣點(diǎn)數(shù)。當(dāng)樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到寄存器N設(shè)定的樣點(diǎn)數(shù)時(shí)，停止計(jì)數(shù)器T和S，完成一道掃描線測試，等待下一道掃描命令。

相移控制器用于調(diào)整C1的時(shí)延。測試過程中，在取樣觸發(fā)脈沖輸出后即開始相位調(diào)整，輸出phasestep移相使能信號(hào)，等待相位調(diào)整完成，再進(jìn)行下一次調(diào)整。在相移控制器中，設(shè)計(jì)了2個(gè)寄存器，其中一個(gè)用于存儲(chǔ)相移計(jì)數(shù)器Ci的選擇和相移方向，另一個(gè)設(shè)置每個(gè)重復(fù)周期相移次數(shù)，調(diào)整采樣率。

4 試驗(yàn)測試與分析

利用Altera的EP4CE15，配上相應(yīng)的取樣積分器，實(shí)現(xiàn)了上述控制系統(tǒng)的試驗(yàn)測試。

試驗(yàn)測試中，將發(fā)射脈沖衰減后分別輸入到取樣積分器和示波器，時(shí)間步長設(shè)定為250 ps，等效采樣時(shí)間設(shè)為100 ns。系統(tǒng)對(duì)發(fā)射脈沖信號(hào)測試與示波器測試的比較如圖4所示。由圖4可以看出二者一致性良好。

圖4 采樣變換輸出和示波器測試比較

在試驗(yàn)測試中，有以下幾個(gè)問題需要注意。

① 計(jì)數(shù)器T和S均設(shè)計(jì)為簡單的二進(jìn)制16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器高位的進(jìn)位延遲可能會(huì)導(dǎo)致清零觸發(fā)時(shí)間錯(cuò)誤。為了解決該問題，可考慮采用高速的同步計(jì)數(shù)器[7]。將寄存器R的值設(shè)定為十六進(jìn)制數(shù)0x***7(這里*表示任意數(shù))，最后一位為7。這樣在從0x***0到0x***7的計(jì)數(shù)過程中不會(huì)有高位進(jìn)位，之前的高位進(jìn)位可在這段時(shí)間從容完成，確保計(jì)數(shù)器清零并準(zhǔn)確觸發(fā)。

② 一道掃描線的樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)設(shè)置為：

(4)

即等效采樣的時(shí)間為10 ns的n倍。由于C0、C1的時(shí)鐘周期均為10 ns，經(jīng)過N次采樣后，C0、C1的時(shí)鐘相位恰好一致，因此可直接進(jìn)入下一掃描線測試。

③ 觸發(fā)脈沖的時(shí)間抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響接收回波的信噪比[8]。因此，發(fā)射觸發(fā)脈沖和取樣觸發(fā)脈沖的輸出和對(duì)應(yīng)的脈沖電路需要精心設(shè)計(jì)。試驗(yàn)系統(tǒng)中，觸發(fā)脈沖的輸出采用了差分信號(hào)，后續(xù)的脈沖電路采用了階躍二極管脈沖整形電路[9]和雪崩電路[10-12]的混合方式，以減小脈沖的時(shí)間抖動(dòng)。

5 結(jié)束語

借助Cyclone III、IV 鎖相環(huán)(PLL)模塊的動(dòng)態(tài)相位調(diào)整功能完成的地質(zhì)雷達(dá)測控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)最高8 GS/s的等效時(shí)間采樣，可以滿足中心頻率500 MHz以下地質(zhì)雷達(dá)的需要。和專用基準(zhǔn)時(shí)鐘系統(tǒng)比較，Cyclone III、IV PLL模塊輸出時(shí)鐘的抖動(dòng)偏大，在地質(zhì)雷達(dá)的高頻段，采集數(shù)據(jù)的信噪比會(huì)有所下降，對(duì)此可以采用過采樣技術(shù)加以改善。

測控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、性能穩(wěn)定和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于低頻段、低成本的超寬帶地質(zhì)雷達(dá)設(shè)計(jì)具有一定的意義。

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