尹達,辛國亮,孫學(xué)超,張友源,張其道

(中國電子科技集團公司 第二十二研究所,山東 青島 266107)

0 引言

當(dāng)前城市道路塌陷隱患的無損檢測主要依靠探地雷達技術(shù)。傳統(tǒng)的二維探地雷達覆蓋面積小,只能獲取測線下方地下結(jié)構(gòu)的二維剖面圖,實際工程中地下介質(zhì)的分布是具有三維空間性的,單純的二維剖面具有局限性,無法對地下介質(zhì)的情況進行全面、準(zhǔn)確的分析[1]。三維探地雷達相較于傳統(tǒng)的二維探地雷達能獲取地下介質(zhì)的詳細(xì)空間分布情況并生成更加直觀的水平切片圖,并能基于此對數(shù)據(jù)進行更精確的解釋[2],是檢測道路最為有效的技術(shù)手段。本文介紹了實時三維探地雷達一些關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn),正是基于這些技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的高檢測速度和高分辨率等性能,能在快速完成道路檢測工作的同時提供高密度的探地雷達數(shù)據(jù),幫助解釋地下介質(zhì)分布情況并辨認(rèn)出塌陷隱患[3]。

1 三維探地雷達設(shè)計原理

1.1 實時采集設(shè)計

實時三維探地雷達在設(shè)計原理上仍然采用超寬帶沖激脈沖體制,其收發(fā)天線陣列按照一定空間布局進行組合,通過時序控制交替工作,最后通過數(shù)據(jù)合成算法實現(xiàn)大覆蓋、高分辨率的三維探測效果。單次收發(fā)天線工作原理同二維探地雷達工作原理一致:通過發(fā)射天線向目標(biāo)檢測物發(fā)射電磁波,電磁波穿透檢測目標(biāo)后,遇到不同的物體發(fā)生折射與反射;通過接收天線將反射回來的回波信號放大、濾波、采集、處理,最終通過探地雷達自帶軟件進行處理形成雷達圖像。實時三維探地雷達舍棄了傳統(tǒng)等效采樣的采集模式,解放了雷達的掃描速度和工作效率。而它對實時全波形采樣的要求尤其重要,需要在單個脈沖發(fā)射后,在回波脈沖的時段進行瞬時采樣,相較于傳統(tǒng)等效采樣體制的接收機,省去了雷達天線取樣門電路,系統(tǒng)更為簡潔穩(wěn)定[4]。圖1所示為沖擊脈沖雷達實時采樣結(jié)構(gòu),在工作時控制單元通過時序控制模塊來控制發(fā)射電路發(fā)出雷達脈沖信號P(t),P(t)與天線傳遞函數(shù)卷積后輸出雷達發(fā)射信號,ADC的高速時鐘頻率為1/Td,高速A/D在同步脈沖信號觸發(fā)下對目標(biāo)反射波r(t)進行高速采樣,得到數(shù)字信號V(n),完成實時采集。

傳統(tǒng)探地雷達等效采樣采集得到的信號vout的計算公式為

(1)

式中:Td為采樣步進間隔;Δ為采樣保持電路高速開關(guān)關(guān)閉時間;rin(t)為天線接收的信號;C為常數(shù)。在這種重復(fù)采樣模式下,每次發(fā)射脈沖過后,運用可調(diào)的精準(zhǔn)時延(Td)來對回波脈沖進行單次采樣。如果Δ遠(yuǎn)小于rin(t)的變化率,那么vout(Td)就實現(xiàn)了對rin(t)的有效采樣和保持。

等效采樣模式下用低速ADC進行采樣即可,如此數(shù)字化的vout(t)就轉(zhuǎn)化成了V(n),即在Td處的數(shù)字采樣值。等效采樣法需要多次(Np次)發(fā)射沖擊脈沖,以實現(xiàn)對回波脈沖的完全采樣。將Np個回波信號的采集值順序排列,就得到了高頻雷達回波信號的一個變慢速的等效信號:

(2)

式中:?(n)為單位沖擊脈沖;Np為發(fā)射沖擊脈沖次數(shù)。

實時三維探地雷達是基于實時采樣的全波形數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過巴倫的雷達回波信號經(jīng)過射頻前端的信號調(diào)理電路的增益放大、帶通濾波等調(diào)理后,根據(jù)信號頻率范圍濾除直流信號和低頻信號,將進來的單端信號調(diào)理成滿足ADC輸入范圍的差分信號進行采集。式(3)為實時三維探地雷達采集得到的數(shù)字信號V(n)的計算公式:

(3)

實時三維探地雷達使用了高速ADC,省去了采樣器部分,將延時電路的激勵橋式采樣門的形式換位為高速時鐘產(chǎn)生器,該高速時鐘頻率為1/Td,作為ADC的輸入。實時采樣極大解放了等效采樣的采集速度,滿足了當(dāng)前三維陣列探地雷達系統(tǒng)的高速探測需求。

1.2 高速探測設(shè)計

三維探地雷達使用GC400MHz天線,其最大工作重復(fù)頻率為128 kHz,對于GC400MHz天線,如果要達到較理想的時域探測效果,采樣率就要達到20倍左右,最高采樣率應(yīng)為400 MHz×20,即達到8 GHz的采樣頻率。8 GHz采樣頻率的樣點之間時間間隔為0.125 ns,即采樣點時間間隔T=0.125 ns。設(shè)置時窗為60 ns時,取樣點數(shù)為:N=TW/ΔT=480(TW為時窗,ΔT為采樣點時間間隔),則單通道天線最大掃描速率fR為

fR=fPRT/N,

(4)

式中:fPRT為天線重復(fù)頻率;N為等效取樣點數(shù)。

在實時采樣技術(shù)體制下,目前可以實現(xiàn)的高速采樣速率可達2.5 GSPS,要實現(xiàn)8 GHz以上的采樣頻率,可以通過延時重復(fù)發(fā)射4次信號來完成,單通道GC400MHz天線的最大掃速可根據(jù)fR=fPRT/4得到fR=128 kHz/4=32 kHz[5]。 考慮多通道分時工作,按設(shè)計10通道來計算,所有通道的最大掃速為32 kHz /10=3.2 kHz,在道取樣間隔為2 cm條件下,最高行進速度(三維雷達探測速度)可達0.02 m×3 200×3 600/h=230.4 km/h。按照極限設(shè)計32個通道的三維雷達,所有通道的最大掃速為32 kHz /32=1 kHz,在道取樣間隔為2 cm條件下,最高行進速度可達到0.02 m×1 000×3 600/h=72 km/h。

綜上所述,即使考慮高速通道切換開關(guān)的影響,所有通道以內(nèi)插方式進行工作,三維探地雷達亦滿足32通道工作時60 km/h(2 cm道間隔)以上的探測速度。

2 三維探地雷達系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

三維探地雷達的采控系統(tǒng)為FPGA&DSP架構(gòu)。FPGA部分可以實現(xiàn)的硬件功能包括:控制AD采集、DDR數(shù)據(jù)緩存、上電時序控制、系統(tǒng)復(fù)位、串口GPS信息讀取、電池電量I2C讀取、編碼輪脈沖信號讀取以及溫度傳感器控制等,DSP主要完成數(shù)據(jù)處理部分。DSP接收上位機的控制命令參數(shù)后,通過FPGA控制ADC采集觸發(fā)時序,實現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)采集,FPGA將采集后的數(shù)據(jù)傳給DSP,經(jīng)過DSP的預(yù)處理,實時上傳至上位機;DSP同時將FPGA讀取的GPS信息、I2C電池電量和串口編碼輪相位信息等傳至上位機。

2.1 采控系統(tǒng)基本組成

三維探地雷達采用高性能ADC芯片設(shè)計來對雷達回波信號直接進行實時采集處理,圖2給出了其采控系統(tǒng)的基本組成。雷達回波信號經(jīng)過天線接收機接收,經(jīng)過巴倫調(diào)制后直接進入AD9689進行采集,采集的數(shù)字信號直接通過支持JESD204B協(xié)議的高速傳輸線進入FPGA中。FPGA 選用Altera公司的10AX066H3F34I25G芯片,經(jīng)過簡單的插值、濾波等處理,再由SRIO將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP芯片TMSC6678進行進一步信號處理。FPGA與DSP之間通過EMIF進行命令交互。DSP接收到高速信號后進行信號處理、融合、打包,然后經(jīng)由千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示、存儲,完成對雷達回波信號的采集與控制。

圖2 采控系統(tǒng)組成Fig.2 The composition of the system acquisition and control

2.2 電源設(shè)計

三維探地雷達為外部輸入供電,電源芯片選用DC/DC電源模塊和LDO芯片。9～18 V外部電源經(jīng)由鳳凰端子輸入后,經(jīng)過凌特的LTM8049IY與LTM8055IY分別實現(xiàn)-12 V和+12 V電源的轉(zhuǎn)換輸出(圖3)。+12 V電源通過LTM4644IY轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)使用的各個電源:0.9、1.0、1.3、1.2、1.5、1.8、2.5、3.3、3.6 V和5 V,其中,1.2、1.5、2.5、3.3、3.6 V和5 V電源經(jīng)過LDO轉(zhuǎn)換后給時鐘、AD、FPGA、DSP供電。電源有上電時序的要求,在電路設(shè)計中,按照芯片的電源上電次序要求進行設(shè)計,以保證系統(tǒng)正常工作。

圖3 系統(tǒng)供電設(shè)計Fig.3 The design of system power supply

2.3 時鐘設(shè)計

板子有3個SMA口,其中1路為時鐘輸入,2路為時鐘輸出。時鐘芯片采用HMC7044和SI5391A,HMC7044主要提供JESD204B時鐘,SI5391A主要負(fù)責(zé)提供除JESD204B時鐘以外的板內(nèi)的其他時鐘。時鐘設(shè)計框圖如圖4所示。HMC7044與SI5391A的功能參數(shù)由FPGA進行寄存器配置來實現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)時鐘設(shè)計Fig.4 The design of system clock

2.4 天線設(shè)計

電磁波的極化其實并不總是確定的,我們接收到的雷達信號在觀測期間狀態(tài)基本不變,可以認(rèn)為是完全極化波。設(shè)雷達波水平方向x的分量為Ex,垂直方向y的分量為Ey,則雷達波沿+z方向傳播時,其電場的復(fù)矢量表示為:

E(z)=Ex(z)ex+Ey(z)ey,

(5)

Ex=Ex0cos(ωt-kz+φx),

(6)

Ey=Ey0cos(ωt-kz+φy),

(7)

式中:Ex、Ey分別為x、y方向的單位矢量;Ex0、Ey0分別為x、y分量信號的幅度值函數(shù);kz為傳播中的相位延遲值;φx、φy為初相。令θ=ωt-kz,則:

Ex=Ex0cos(θ+φx),

(8)

Ey=Ey0cos(θ+φy)。

(9)

合理的極化方式可以改善雷達目標(biāo)的檢測性能,也可以完成對雜波信號的抑制,能夠在極化域內(nèi)有效地濾除干擾和雜波信號,增強目標(biāo)回波信號,從而達到提高目標(biāo)檢測性能的目的。本系統(tǒng)的天線是陣列天線,接收機與發(fā)射機適合的天線極化方式為水平極化(HH)和垂直極化(VV)。其中,HH極化方式的發(fā)射天線與接收天線的垂直距離是14 cm,相鄰的接收天線之間的距離是28 cm;VV極化方式的發(fā)射天線與接收天線的垂直距離是28 cm,相鄰的接收天線之間的距離是14 cm。這里的水平極化與垂直極化與空中雷達的定義有一定的區(qū)別,天線收發(fā)機排布方式如圖5所示,圖中T表示發(fā)射天線,R表示接收天線。

(a) 水平極化方式 (b) 垂直極化方式

三維探地雷達的天線陣列采用吸波材料進行漸變加載的方式對天線進行加載,使天線加載過度更加平緩,從而達到類似行波天線的性能,減少系統(tǒng)的拖尾震蕩和振鈴反應(yīng)。為了增加天線的輻射效率,盡量增加天線的輻射面積,對傳統(tǒng)平面偶極子天線進行了變形,對天線進行Vee設(shè)計,達到V行偶極子天線,通過束縛V型偶極子的天線夾角,使天線具有更好的方向性和更大的增益。同時,為了拓寬天線頻帶,該天線較其他該類型天線具有較寬的頻帶寬度,并且在頻帶內(nèi)阻抗變化較小,輻射效率最高。

三維探地雷達10個通道的數(shù)據(jù)由五發(fā)六收的天線完成,每個發(fā)射天線均帶有一個發(fā)射機。工作時,每個天線的發(fā)射機收到三維雷達主機的控制信號,將信號轉(zhuǎn)換成高幅度脈沖信號,發(fā)射機通過發(fā)射天線發(fā)射超寬帶沖擊脈沖信號,脈沖幅度不小于220 V,脈沖電磁波在介質(zhì)中傳播,遇到環(huán)境特性不同的界面時產(chǎn)生反射與散射。接收天線接收反射或散射信號,將信號送入采集板卡采集回波信號,通過陣列信號分析,得到地下深層目標(biāo)的三維信息。發(fā)射機的皮秒級脈沖主要通過雪崩三極管和階躍恢復(fù)二極管實現(xiàn),其中階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖上升時間可以達到幾百皮秒到幾個納秒,但其幅度較小,一般為幾伏;雪崩三極管的脈沖上升沿時間可達幾納秒且具有上百伏的電壓,有利于探地雷達深層目標(biāo)探測。本系統(tǒng)選用雪崩三極管產(chǎn)生發(fā)射機需要的發(fā)射脈沖。

關(guān)于發(fā)射天線與接收天線的極化方式的性能問題,分別在空洞實驗場和金屬板實驗場兩個不同的場景下進行分析(圖6、圖7)[4]。

圖6 不同極化方式的空洞波形對比Fig.6 The comparison of cavity waveforms in different polarization modes

圖7 不同極化方式的金屬板波形對比Fig.7 The comparison of waveforms of metal plates with different polarization modes

空洞實驗場土壤的介電常數(shù)為10,空洞目標(biāo)長為0.4 m,半徑為30 cm;雷達發(fā)射天線中心頻率為400 MHz,三維探地雷達在目標(biāo)上方中心測線進行探測。分別取HH極化左右兩側(cè)的2個典型單道波形(Rx1,Rx2)與VV極化進行波形特性對比,得到如圖6所示的不同極化下單道波形的回波。

金屬板試驗場使用長為1 m,寬為0.8 m的金屬板,在金屬板的中心點正上方2 m處進行探測。分別取HH極化左右兩側(cè)的2個典型單道波形(Rx1,Rx2)與VV極化進行波形特性對比,得到如圖7所示的不同極化下單道波形的回波。

從單道波形對比圖可以看出,HH極化方式左右兩側(cè)的直達波和反射波能量均大于VV極化方式,性能更好。所以三維探地雷達的天線陣列采用水平極化方式,天線陣列共10個通道,為五發(fā)六收模式,陣列雷達天線的排布如圖8所示。

圖8 水平極化方式五發(fā)六收天線陣列排布示意Fig.8 The antenna array layout of five transmitter and six receiver horizontal polarization method

5個發(fā)射機發(fā)射10組雷達脈沖信號。然后由6組接收機接收反射回來的回波信號,中間R2、R3、R4、R5通道4個接收機各復(fù)用一次,此過程由FPGA控制開關(guān)切換實現(xiàn)。最終,接收的10組回波信號經(jīng)過高頻控制開關(guān)分時選擇性地進入采集系統(tǒng),完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。水平極化的三維探地雷達天線回波信號接收過程如圖9所示。

圖9 天線回波信號接收控制流程Fig.9 The control process for receiving rcho signals from radar antennas

2.5 采集傳輸設(shè)計

三維探地雷達的采集主要由AD9689完成。AD9689支持寬泛的輸入帶寬,具有快速的采樣率、卓越的線性度以及較低的功耗,用戶可以根據(jù)下變頻器 (DDC)配置和接收邏輯器件的可接收線速,在各種單線、雙線、四線和八線配置中配置基于子類JESD204B 的高速串行化輸出,支持高達16 Gbps的通道速率。

數(shù)據(jù)輸出通過交叉復(fù)用器從內(nèi)部連接到4個數(shù)字DDC,每個DDC 包括多級聯(lián)信號處理級、48 位變頻器(數(shù)控振蕩器,NCO)以及抽取率。NCO 允許在通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳上選擇預(yù)置頻段,最多可以選擇3個頻段。

模擬信號經(jīng)過AD9689采集后,采集的數(shù)字信號直接通過支持高速傳輸JESD204B協(xié)議的傳輸線進入FPGA。在FPGA中拼接完成的數(shù)據(jù)經(jīng)SRIO傳輸?shù)紻SP中,經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理后,經(jīng)千兆高速網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機。

3 三維探地雷達系統(tǒng)的性能分析與驗證

將三維探地雷達與通用的LTD-2600型單通道探地雷達進行性能對比。三維探地雷達與LTD-2600型探地雷達設(shè)置同樣的參數(shù):時窗85 ns、采樣點數(shù)512、掃速256、天線頻率400 MHz、無濾波,400 MHz天線對空工作,進行對空直藕波、銅板反射波的采集性能驗證實驗。在MATLAB中顯示兩種雷達回波的波形比較圖,量化運算處理后如圖10所示,圖中曲線為1 800道典型數(shù)據(jù)的疊加結(jié)果。因為三維探地雷達的10通道數(shù)據(jù)均由同一片AD芯片采集,整個系統(tǒng)在同一時鐘域內(nèi),所有通道數(shù)據(jù)幅度與相位高度重合,相位穩(wěn)定度優(yōu)于LTD-2600型探地雷達的數(shù)據(jù)。

圖10 LTD-2600型雷達與三維探地雷達波形疊加對比Fig.10 Comparison of waveform superposition between LTD-2600 radar and 3D ground penetrating radar

圖11為量化后LTD-2600型雷達與三維探地雷達1 800道數(shù)據(jù)中最大值、最小值的各自分布,從圖中可以清晰看出三維探地雷達的峰值分布更加均勻集中,幅度與相位一致性更好。

圖11 LTD-2600型雷達與三維探地雷達反射波正峰、負(fù)峰值分布Fig.11 The distribution of positive and negative peaks of reflection waves from LTD-2600 radar and 3D ground penetrating radar

表1為LTD-2600型雷達和三維探地雷達1800道雷達反射波正峰、負(fù)峰的振幅抖動與時間抖動的統(tǒng)計運算結(jié)果。由表1可見:三維探地雷達的正峰時間抖動和負(fù)峰時間抖動均為0%,說明相位一致性較好。三維探地雷達輸出的發(fā)射觸發(fā)信號上升沿時間為1 ns,脈沖寬度1～1 000 ns可調(diào),調(diào)節(jié)精度為1 ns,抖動標(biāo)準(zhǔn)差為35 ps,其時鐘信號輸出幅度±1.5 V,抖動3 ps,性能較好,實測結(jié)果表明同源的時間抖動非常低,幾乎沒有。故三維探地雷達的單通道采集的反射波信號時間抖動性能優(yōu)于LTD-2600型雷達,而其幅度抖動性能與LTD-2600型雷達相當(dāng)[6]。

表1 雷達抖動性能對比Table 1 Comparison of radar jitter performance

4 結(jié)論

1)實時三維探地雷達通過五發(fā)六收模式的天線實現(xiàn)十通道雷達數(shù)據(jù)的高速采集,采用水平極化的天線排列具有更有效的探測效果,具有檢測速度快、測量精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡便等優(yōu)點[7]。

2)與傳統(tǒng)的探地雷達相比,實時三維探地雷達的回波時間抖動效果更好,波形一致性更佳,探測速度更快。

3)數(shù)據(jù)顯示可以以三維體數(shù)據(jù)的形式以及時間/深度切片的形式進行顯示,更加直觀高效。根據(jù)這個三維數(shù)據(jù)體就能給出地層的立體圖像。在利用不同方向、位置剖面解釋的同時,也可利用由淺至深,一層層的水平切片圖進行解釋,還可以利用三維數(shù)據(jù)進行屬性解釋。