徐 偉，張 明

(中國人民解放軍工程兵學(xué)院 工程裝備管理與保障系， 江蘇 徐州 221004)

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·收/發(fā)技術(shù)·

一種等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計

徐 偉，張 明

(中國人民解放軍工程兵學(xué)院 工程裝備管理與保障系， 江蘇 徐州 221004)

無載波沖激體制的探地雷達(dá)具有脈沖波形產(chǎn)生簡單、測量速度快、不存在頻域旁瓣干擾等特點，目前的商用探地雷達(dá)大多采用這種體制。但是現(xiàn)有的探地雷達(dá)系統(tǒng)普遍存在接收機(jī)動態(tài)范圍較小的問題，限制了其在深層探測領(lǐng)域的應(yīng)用。針對沖激體制探地雷達(dá)的大動態(tài)范圍接收機(jī)技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出了適用于等效采樣電路的時變增益動態(tài)范圍壓縮技術(shù)，設(shè)計的動態(tài)壓縮電路可以有效地對接收信號進(jìn)行20 dB的動態(tài)范圍壓縮，并且研制出了性能優(yōu)越的等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)。

探地雷達(dá)；接收機(jī)；動態(tài)范圍；時變增益

0 引 言

沖激體制探地雷達(dá)的回波信號隨著土壤深度的增加而急劇衰減，由于直耦波的存在，探地雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波信號動態(tài)范圍非常大[1-2]。因此，對于探地雷達(dá)接收機(jī)而言，大動態(tài)范圍設(shè)計是非常重要的。除了增大采樣門本身的動態(tài)范圍外，還可以在接收機(jī)前端對接收信號進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮來提高整個接收機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)范圍，從而增加探地雷達(dá)系統(tǒng)的探測深度。壓縮信號動態(tài)范圍的方法有很多種，雷達(dá)系統(tǒng)里常用的方法有：時變增益控制(TGC)、自動增益控制(AGC)、對數(shù)放大器等[3-4]，但是它們用于探地雷達(dá)回波信號的動態(tài)壓縮存在一些局限性，下面做簡略的介紹和分析。

TGC可以使接收機(jī)的靈敏度隨時間而變化，從而擴(kuò)大了接收機(jī)的動態(tài)范圍，但是TGC會導(dǎo)致信號幅度在壓縮時畸變，對靈敏度的影響較大，而且會產(chǎn)生互調(diào)失真，引入調(diào)制噪聲。AGC是一種增益反饋技術(shù)，大多使用穩(wěn)定的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但對輸入信號需要一定的建立時間，反應(yīng)不夠迅速[5]，在一定的條件下還會產(chǎn)生自激振蕩[6]，而且AGC 適用于處理連續(xù)信號，對于具有高度隨機(jī)性和時間很短的脈沖信號而言，AGC 系統(tǒng)的使用受到限制。對數(shù)放大器在輸入信號弱時，是線性放大器；在輸入信號強時，實質(zhì)是輸出與輸入呈對數(shù)關(guān)系的對數(shù)變換器，屬于對動態(tài)范圍的非線性壓縮[7]。其輸出信號會產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，不利于后端信號的處理[8]，在要求高精度的雷達(dá)接收系統(tǒng)中不適用。

以上這些壓縮信號動態(tài)范圍的方法一般用在對空雷達(dá)中，不適用于探地雷達(dá)[9]，主要是因為對空雷達(dá)的回波信號一般在數(shù)秒之上，而探地雷達(dá)的有效回波信號一般集中在幾百納秒之內(nèi)，在這么短的時間內(nèi)對接收信號進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮難度較大。結(jié)合以上傳統(tǒng)對空雷達(dá)增益控制的方法和探地雷達(dá)回波信號的等效采樣方式[10]的特點，本文提出了等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計方案。

1 等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計

探地雷達(dá)的回波信號可以采用等效采樣的方法進(jìn)行采樣，因為接收波形具有可重復(fù)性，可以在每個等效采樣周期內(nèi)改變所有接收信號的增益，這樣接收信號中的大信號放大倍數(shù)小，小信號放大倍數(shù)大，從而壓縮了接收信號的動態(tài)范圍，起到了增大整個接收機(jī)系統(tǒng)動態(tài)范圍的效果。如圖1所示，觸發(fā)信號(周期為T)控制采樣脈沖在每個周期想定時刻(每個周期遞增t)對接收信號進(jìn)行采樣，由于采樣脈沖是周期性遞增的，相鄰周期(周期為T)間遞增t，而在每個周期內(nèi)增益的幅值會根據(jù)接收信號的特點進(jìn)行設(shè)定，使采樣時刻的小信號增強、大信號抑制，這樣采樣出的信號就是T，2T+t，3T+2t，4T+3t，5T+4t，6T+5t，…時刻不同增益的接收信號，而接收信號是周期可重復(fù)的，相當(dāng)于采樣出了0，t，2t，3t，4t，5t，…時刻的接收信號，這樣可以使接收機(jī)一直保持最大的靈敏度，不用擔(dān)心過飽和情況的出現(xiàn)。本文稱這樣的采樣技術(shù)為等效時變增益采樣技術(shù)。

圖1 等效時變增益采樣示意圖

圖 2為基于壓控增益放大器(VGA)設(shè)計的等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)的增益在每次等效采樣的間隔都可以通過改變VGA 的控制電壓進(jìn)行修改，從而達(dá)到等效時變增益的效果。

圖2 等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)框圖

2 等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)實現(xiàn)

在采樣保持模塊性能一定的情況下，探地雷達(dá)接收機(jī)的動態(tài)范圍主要由VGA 模塊決定。VGA 模塊的選擇主要考慮以下三點：

(1)探測頻率：探地雷達(dá)的探測深度與脈沖源的工作頻率相關(guān)，脈沖源的發(fā)射頻率越高，探地雷達(dá)的探測深度越淺[1-2]。一般用于深層探測的探地雷達(dá)發(fā)射信號的中心頻率在400 MHz 以下[1]，也就是發(fā)射信號的最高頻率約為800 MHz。

(2)采樣保持模塊：本實驗的探地雷達(dá)采用的是Linear 公司的LTC2259-16 模數(shù)轉(zhuǎn)化器作為系統(tǒng)的采樣保持模塊，它的輸入帶寬為800 MHz[11]，所以選擇的VGA 模塊帶寬要大于等于800 MHz。

(3)抗飽和能力：由于采取了等效時變增益采樣的方法，在每次等效采樣的時刻都會將接收信號全部放大一定的增益，這樣難免會使大信號飽和，進(jìn)而影響放大器的性能，所以要選擇抗飽和能力強的VGA；而且由于探地雷達(dá)回波信號的特殊性，地面直耦波比較強，或者說接收信號開始的一段信號是無用的應(yīng)該盡量抑制，所以應(yīng)該選擇帶負(fù)增益的VGA。

最終選擇了Linear 公司的LTC6412，該器件擁有800 MHz帶寬，專門為從1 MHz～500 MHz 工作而優(yōu)化，提供-14 dB～+17 dB 連續(xù)增益調(diào)節(jié)。該器件的增益用正或負(fù)斜率的控制電壓控制。采用正增益斜率模式時，增益控制斜率在140 MHz 時約為32 dB/V，控制范圍為0.1 V ～1.1 V[12]，如圖3 所示，+VG代表了正增益控制，-VG代表了負(fù)增益控制。而整個接收機(jī)系統(tǒng)的主控選擇了STM32F103，該芯片內(nèi)部集成了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)，通過電阻分壓可以使DAC的輸出范圍控制在0.1 V～1.1 V，實現(xiàn)對輸出信號增益的控制。

圖3 壓控增益放大器增益與控制電壓的關(guān)系

同時，該器件的抗飽和能力比較強，非常適合用于等效采樣的增益控制中，該器件的抗飽和特性如圖4 所示。0 ～80 ns時，控制電壓為1 V，電路輸出達(dá)到飽和；80 ns～400 ns時，控制電壓為0.5 V；在100 ns 時電路就恢復(fù)了正常增益狀態(tài)，只有20 ns 的飽和過渡時間，滿足設(shè)計要求。

圖4 LTC6412的抗飽和特性

使用Altium Designer 10 對設(shè)計方案進(jìn)行原理圖及印制電路板版圖設(shè)計，圖5 為等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)實物圖。

3 等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)性能測試與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)信號測試

測試采用Agilent公司的信號發(fā)生器MXG N5181A產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的100 MHz、700 mVpp的正弦波并接到壓控增益控制電路的信號輸入端，由于接收機(jī)輸入信號是差分的，所以信號發(fā)生器的信號要先通過一個變壓器由單端信號轉(zhuǎn)為雙端信號，變壓器選用的是線藝公司的WB3010，它是0.04 MHz～175 MHz 1∶1的射頻變壓器[13]，經(jīng)過變壓器以后的信號如圖6所示。

圖6 經(jīng)過變壓器后的輸入波形

采用Agilent公司的示波器DSO-X 3052A自帶的波形產(chǎn)生器產(chǎn)生200 kHz、2.4 V的方波并接到壓控增益控制電路的控制電壓輸入端，并給控制電壓輸入腳串聯(lián)了一個10 kΩ的電阻以匹配控制電壓輸入范圍在0.1 V～1.1 V之間變化，圖7為壓控增益放大器的輸出結(jié)果。

圖7 壓控增益放大器的輸出結(jié)果

由圖7的結(jié)果可知，控制電壓低時輸入信號被抑制，控制電壓高時輸入信號被放大，起到了對接收信號動態(tài)范圍壓縮的作用，圖6上部波形的峰值為250 mV，圖7上部波形的峰值為2.49 V，由增益計算公式可知

(1)

由數(shù)據(jù)手冊可知，LTC6412的最大增益為+17 dB，但是考慮到測量誤差、示波器表筆對測量的影響等原因，工程上可以認(rèn)為該測量結(jié)果是正確的，由此可見設(shè)計的方案是可行的。

3.2 時變增益實驗

使用本實驗室設(shè)計的探地雷達(dá)系統(tǒng)對移動目標(biāo)進(jìn)行探測，實驗場景如圖8所示。實驗場景選在某樓頂，因為樓頂?shù)耐獠扛蓴_相對較少，背景噪聲較小。實驗儀器有本實驗室自主研發(fā)的200 MHz脈沖發(fā)射源、配套的收發(fā)天線、等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)、目標(biāo)、PC機(jī)、卷尺等。

圖8 目標(biāo)測量場景圖

目標(biāo)位于發(fā)射源5 m左右處，采集平均處理后的采集圖形如圖9所示，可見10 ns前后為很強的直耦波，38 ns處為目標(biāo)回波，但是目標(biāo)回波很微弱，這樣的采集結(jié)果不方便用戶對目標(biāo)的識別，所以進(jìn)行了時變增益控制，控制曲線如圖10所示。

圖9 平均后的目標(biāo)采集圖形

圖10 時變增益曲線的設(shè)計

由圖9采集結(jié)果的特點設(shè)計了圖10的增益控制曲線，在30 ns以前可以認(rèn)為是系統(tǒng)的直耦波，盡量減小其增益；30 ns～50 ns可以認(rèn)為是目標(biāo)回波的區(qū)域，盡量增大其增益。時變增益處理后的采集波形如圖11所示。

圖11 時變增益處理以后的目標(biāo)回波

由圖11結(jié)果可知，時變增益控制處理后的目標(biāo)回波抑制了直耦波，放大了目標(biāo)回波，壓縮了系統(tǒng)接收信號的動態(tài)范圍，從而增大了整個接收機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)范圍，由此可見本設(shè)計是正確的。

3.3 整機(jī)性能實驗

使用設(shè)計的探地雷達(dá)系統(tǒng)對六根金屬污水排水管進(jìn)行探測，管上表面距地表約1.5 m，管直徑約為1.8 m，天線頻率為200 MHz，測量方式為輪測，實驗場景如圖12所示。

圖12 實驗場景

使用數(shù)據(jù)處理軟件對采集進(jìn)行處理，原始的Bscan堆積圖中有一些掃描壞道，為了更加清楚地觀察回波信號，使用壞道周邊的數(shù)據(jù)對壞道數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，插值處理后的圖像如圖13所示，去背景后的圖像如圖14所示。

圖13 插值處理后的圖像

圖14 去背景以后的圖像

由圖14可知，圖中有六個明顯的雙曲線回波，可以認(rèn)為是目標(biāo)，在圖中用黑色圓圈進(jìn)行了表示，由于第三個目標(biāo)的采集數(shù)據(jù)比較好，其余目標(biāo)的周邊數(shù)據(jù)存在一些壞道，所以對第三個目標(biāo)進(jìn)行了成像，成像結(jié)果如圖15所示。

圖15 第三個目標(biāo)的成像結(jié)果

由圖15的成像結(jié)果可知，該目標(biāo)的深度約為1.3 m左右，這與實際的測量相符，由此可見本文設(shè)計的等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)是正常工作的。

4 結(jié)束語

由于直耦波的存在，探地雷達(dá)接收機(jī)接收到的回波動態(tài)范圍非常大，為了增大探地雷達(dá)的探測深度，大動態(tài)設(shè)計是非常重要的。除了增大采樣門自身的動態(tài)范圍外，還可以對接收信號進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮來提高整個接收機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)范圍。傳統(tǒng)的動態(tài)范圍壓縮模塊一般置于采樣保持模塊之后，這樣雖然方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，但實質(zhì)上對接收信號的動態(tài)范圍已經(jīng)沒有作用，因為接收信號的動態(tài)范圍已被采樣保持模塊限制。因此，本設(shè)計將動態(tài)范圍壓縮模塊置于采樣保持模塊之前，結(jié)合傳統(tǒng)對空雷達(dá)增益控制方法和探地雷達(dá)回波信號的等效采樣的特點，提出了等效時變增益探地雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計方案。通過在每次采樣周期內(nèi)改變接收信號的增益，再將每次等效采樣的值合成起來組成最終的采樣結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)信號測試和實際場景實驗驗證了系統(tǒng)的可行性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果，由此可見本文的設(shè)計方案是正確的。

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徐 偉 男，1988年生，碩士，助教。研究方向為表層穿透雷達(dá)信號處理。

張 明 男，1979年生，博士，副教授。研究方向為雷達(dá)信號處理。

Design of Equivalent Sampling Ground Penetrating Radar Receiver with Time-varying Gain Dynamic Range

XU Wei，ZHANG Ming

(Department of Engineering Equipment Management and Guarantee,Engineer Academy of People′s Liberation Army, Xuzhou 221004, China)

Impulse ground penetrating radar (GPR) has some obvious advantages in the field survey, such as simple waveform generation, high pulse repetition, no interference in frequency domain and so on. The common GPR systems are based on the impulse radar technique and are prevalent in the commercial market. However, small dynamic range is the common problem in the GPR receiver system currently, which limits its application in the field of deep penetrating. In this thesis, the large dynamic range receiver technology of impulse GPR system is studied deeply and time-varying gain dynamic range compression technology is proposed for the equivalent sampling circuit. The technology can provide 20 dB dynamic range compression for the received signal. A physical receiver has also been developed with good performance.

ground penetrating radar; receiver; dynamic range; time-varying gain

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.016

徐偉 Email：459091630@qq.com

2016-08-19

2016-10-24

TN957.5

A

1004-7859(2016)11-0075-04