蔣知明，曾 鏢，徐位君

（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

0 引言

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）作為一種高效、便捷的地下情況探測設(shè)備，它依靠發(fā)射高頻或超高頻電磁波和接收其從目標(biāo)反射的回波來獲取目標(biāo)的信息[1]。通過對回波的處理，可以獲得地下探測目標(biāo)的二維或三維圖像，目前在高速公路、鐵路路基檢測、考古發(fā)掘探測等各項工程探測中得到了廣泛應(yīng)用[2]。 以電力行業(yè)探測場景為例，使用探地雷達(dá)進(jìn)行地層管線探測，可根據(jù)回波的波相差異特征來判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和物理特征，從而準(zhǔn)確判斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下線纜和管道位置和走向[3]。

一般來說，雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備，發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位高度等信息。 但是，復(fù)雜的地理環(huán)境所產(chǎn)生的雜波信號，未知的電磁環(huán)境所導(dǎo)致的干擾信號，嚴(yán)重影響了雷達(dá)目標(biāo)探測的性能[4]。 近年來，得益于軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面越發(fā)精細(xì)，對于干擾信號的屏蔽能力也越發(fā)強(qiáng)大，并能夠搭載在無人機(jī)等平臺上進(jìn)行使用。 而新的探測信號類型，例如連續(xù)波信號（Continuous Wa-ve，CW），尤其是連續(xù)可調(diào)頻信號 （Fr-equency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）的出現(xiàn)，使得探地雷達(dá)能夠?qū)哂猩w征或是具有移動能力對象的檢測成為了可能。 相較于鋸齒波和三角形波，F(xiàn)MCW 擁有更大的測量范圍，且對干擾信號有一定的抵抗性。 此外，F(xiàn)MCW方式還具有易于調(diào)制、發(fā)射功率低、帶寬大、分辨率高、信號處理復(fù)雜度低、成本低廉、工程技術(shù)成熟等顯著優(yōu)點[5]。

盡管探地雷達(dá)在各類需要地層探測的場景中得到了較為廣泛的應(yīng)用，且搭載功能也越發(fā)強(qiáng)大和多樣，其探測也朝著可視化、智能化的方向發(fā)展。 但其仍然是一種價格較為昂貴的探測設(shè)備，以市場上探地雷達(dá)售價相對較低和英國雷迪和加拿大Sensor&Software 為例，其單個產(chǎn)品價格最低也近20 萬元，這也在一定程度上限制了探地雷達(dá)在普通用戶中的使用。

本文設(shè)計了一種成本低、 調(diào)制模式可變探地雷達(dá)系統(tǒng)，在滿足傳統(tǒng)探底雷達(dá)探測需求的情況下，降低了探地雷達(dá)系統(tǒng)的成本，且調(diào)制模式可變。

1 總體設(shè)計方案

該雷達(dá)系統(tǒng)具有三角波調(diào)制、鋸齒波調(diào)制、方波調(diào)制、階梯波調(diào)制等四種不同的調(diào)制方式，以發(fā)射不同的探測信號波形。 該雷達(dá)的工作信號頻率為2.4GHz，內(nèi)置ISM 頻段。能夠產(chǎn)生頻率范圍在2 315GHz ～2 536GHz 的正弦波信號，該信號通過壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）生成。 VCO 選用的是 ZX95-2536C+，作用是產(chǎn)生同步脈沖信號，其具有低相位噪聲、 低頻率牽引等優(yōu)點。為了對調(diào)制模式進(jìn)行控制，并能夠接收同步脈沖和檢測信號，收發(fā)器通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接到筆記本電腦和音頻端口。

該雷達(dá)選用FMCW 作為觸發(fā)信號是因為其既可測距又可測速，并且在近距離測量上的優(yōu)勢較為明顯。 盡管可能遇到同頻干擾和零監(jiān)測點等問題，但通過探測頻率的選定，能夠較好解決同頻干擾代理的影響。 此外，由于FMCW 探地雷達(dá)采用VCO 產(chǎn)生觸發(fā)信號，這也簡化了該雷達(dá)調(diào)制部分的電路設(shè)計，降低了其電路的設(shè)計成本。

2 硬件設(shè)計

該雷達(dá)硬件部分包含兩個部分：調(diào)制器模塊、射頻電路和視頻放大器模塊。

2.1 調(diào)制器模塊

調(diào)制器模塊采用基于32 位的ARM Cortex-M 微控制器LPC1768 來連接VCO 的Vtune 引腳，在微控制器和之間VCO，安裝有一個低頻電壓緩沖器，其作用是將電流從700 uA 放大到至少36 mA，以滿足VCO 引腳要求。 調(diào)制器模塊圖如圖1 所示。

圖1 調(diào)制器模塊圖

借助 LPC1768ARM 庫，對 LPC1768 進(jìn)行 C 語言編程，驅(qū)動程序通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、 通用異步收發(fā)器（UART）、USB 和其他接口來實現(xiàn)。LPC1768 自帶一個最大更新速率為 1 MHz 的 10 位 DAC。 其中，DAC 的更新頻率可由 SysTick（System tickTimer）進(jìn)行設(shè)置，SysTick 是所有基于Cortex-M3 系列處理器的微控制器，都帶有一個24位的系統(tǒng)節(jié)拍定時器，具有自動重載和溢出中斷功能，通過這個定時器能夠獲得一定的時間間隔。

模擬信號的輸出采用的周期為40 ms 的三角波，其最小值為和最大值分別為1.75V 和3.25V，分別對應(yīng)2.4GHz和2.5GHz 的VCO 輸出。在三角波輸出信號的開始及輸出周期的中段，同步脈沖由微控制器的另一個模擬信號輸出端口輸出，該同步脈沖信號由到電腦的左通道音頻輸入端接接收。通過改變LPC1768 DAC 的輸出，可以實現(xiàn)其他類型的調(diào)制，例如鋸齒型FMCW、FSK 和SFCW。

2.2 射頻電路和視頻放大器模塊

如圖2 所示為射頻電路結(jié)構(gòu)示意圖，由VCO、兩個低噪聲放大器以及分離器、衰減器和混合器組成。 射頻電路和視頻放大器采用四路低噪聲運算放大器（OP467），實現(xiàn)視頻增益，并通過抗混疊濾波器將輸出電平中把混疊頻率分量減小到最低。 該視頻信號的輸出連接到電腦的右音頻端。 采集到的數(shù)據(jù)（回波信號），通過已有的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)分析軟件，能夠?qū)崟r在電腦上顯示探測的波形圖。

圖2 射頻電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 天線選擇

探地雷達(dá)的天線必須具有良好的脈沖保真度和良好的穿透性?？紤]到通常天線是在距離土壤或是其他地層表面很近的場景下工作，由此帶來的折射波和反射波往往會影響天線性能。 此外，在天線的設(shè)計中還需要考慮如何降低發(fā)送和接收天線之間的耦合性，以此降低檢測錯誤率。

考慮到上述問題，本文采用兩個微帶電路進(jìn)行發(fā)射天線和接收天線的設(shè)計，保證了相互隔離，不會造成干擾，微帶天線和后級電路相互連接時，通過軟件優(yōu)化對阻抗進(jìn)行匹配，減小因阻抗失配而引起的駐波現(xiàn)象。

3 探測過程的實現(xiàn)

本文探地雷達(dá)的整個探測過程的具體實現(xiàn)步驟如下。

1） 微控制器同時發(fā)出兩種信號。 通過模擬信號輸出端P18 將啁啾信號輸出到低頻放大器； 通過輸出端P19將同步脈沖信號輸入到低頻放大器。 低頻放大器將放大信號后的信號輸出到壓控振蕩器中。

2） 壓控振蕩器將頻率在 2.4GHz～2.5GHz 的 ISM 頻段信號輸出到射頻電路中的混頻器中。 而通過輸出端P19輸出的同步脈沖信號，經(jīng)低頻放大器放大后的信號輸出到電腦左音頻端。 同時，壓控振蕩器將啁啾信號傳輸至衰減器，經(jīng)衰減器衰減固定值的信號進(jìn)入寬帶放大器。

3） 寬帶放大器對該信號進(jìn)行放大后將信號傳輸至分離器。分離器將該信號分離，高頻信號傳輸至發(fā)射天線，由發(fā)射天線將該信號發(fā)出，由此完成整個探測的發(fā)射過程。

4） 接收天線對回波信號進(jìn)行接收，并將信號傳遞至低噪聲放大器，低噪聲放大器對接收天線傳回的信號進(jìn)行放大（放大系數(shù)可在0.4～2.0 之間進(jìn)行調(diào)整），并將放大后的信號傳輸至混頻器中，混頻器將分離器傳輸?shù)男盘柡偷驮肼暦糯笃鱾鬏數(shù)男盘栠M(jìn)行混頻，并進(jìn)行峰值檢波，檢波后的信號被視頻放大器放大，傳輸至電腦端的右音頻端進(jìn)行顯示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于FMCW 的探地雷達(dá)系統(tǒng)，在保持制造成本相對低廉的情況下，通過多種調(diào)制模式的變換，使其能夠很好地適應(yīng)各種不同的探測場景。 隨著科技水平的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍也將越發(fā)寬廣，其功能也將不斷完善，而結(jié)構(gòu)輕量化、 信號處理和介質(zhì)識別智能化、 制造和使用成本低廉化，必將是探地雷達(dá)系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。