提高探地雷達(dá)時域接收機(jī)性能的技術(shù)研究

趙翠榮　彭宇　胡通海

摘 要： 為了提高探地雷達(dá)接收機(jī)的性能，從時域接收機(jī)原理著手，采用降低旁通效應(yīng)、降低取樣脈沖泄漏、合理選擇元器件、改進(jìn)電源設(shè)計、優(yōu)化電路設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)方法進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了測試和對比實(shí)驗(yàn)，證明該技術(shù)措施明顯提高了接收機(jī)的性能。該技術(shù)措施也適用于其他超寬帶時域接收機(jī)設(shè)計，部分措施對通用雷達(dá)頻域接收機(jī)也有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞： 探地雷達(dá)； 時域接收機(jī)； 取樣門； 目標(biāo)探測

中圖分類號： TN959.71?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0051?04

Abstract：In order to improve the receiver performance of ground penetrating radar （GPR）， based on the time?domain receiver principle， several technical measures are adopted， such as reduction of by?pass effect， reduction of sampling pulse lea?king， selection of proper devices， optimized design of power supply， circuit and structure. The testing and comparison experiments were accomplished. The technical measures greatly improved the performance of the receiver. The technical measures are suitable for other wide?band time?domain receivers. Some of the technical measures have a certain reference for universal frequency?domain receivers.

Keywords： ground penetrating radar； time?domain receiver； sampling gate； target detection

0 引 言

近年來，探地雷達(dá)作為地球物理學(xué)界廣為接受的一項無損探測技術(shù)，在工程檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1?4]。作為探地雷達(dá)必不可少的一個組成部分，接收機(jī)的性能對系統(tǒng)的探測性能起著舉足輕重的作用。探地雷達(dá)接收機(jī)與通用的頻域接收機(jī)不同，屬于時域接收機(jī)，接收機(jī)原理的差異決定了設(shè)計時的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

探地雷達(dá)接收機(jī)的原理并不復(fù)雜，但由于接收機(jī)輸出的是被測目標(biāo)的反射或散射時域波形，實(shí)際接收機(jī)經(jīng)常因?yàn)閷捵V脈沖噪聲、信號拖尾、固定波、旁通效應(yīng)、取樣泄漏、電源噪聲等原因影響雷達(dá)的分辨率和探測深度。必須針對接收機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，對現(xiàn)有接收機(jī)進(jìn)行技術(shù)提升。

本文從時域接收機(jī)原理出發(fā)，對提高接收機(jī)性能的技術(shù)方法進(jìn)行了全面研究，提出了行之有效的技術(shù)措施，并進(jìn)行了測試和對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前已將其成功應(yīng)用于在研和在產(chǎn)的雷達(dá)系統(tǒng)中。這些技術(shù)措施不僅適用于探地雷達(dá)接收機(jī)，對其他超寬帶時域接收機(jī)以及頻域接收機(jī)也有一定的借鑒作用。

1 探地雷達(dá)接收機(jī)原理

對空雷達(dá)一般采用混頻、檢波的方式將雷達(dá)回波信號從噪聲背景中提取出來[5]，其接收機(jī)屬于頻域接收機(jī)，主要由高頻放大器、混頻器、振蕩器、中頻放大器、檢波器和視頻放大器等部分組成。

沖擊體制探地雷達(dá)是無載波雷達(dá)，其接收機(jī)與傳統(tǒng)接收機(jī)有很大差別，一般采用等效取樣技術(shù)，主要由取樣脈沖產(chǎn)生電路、取樣門電路和保持放大電路三部分組成。在取樣脈沖的控制下，取樣門將來自接收天線的幾百M(fèi)Hz到幾GHz的高頻信號通過等效取樣，轉(zhuǎn)換為kHz量級的低頻信號，放大后通過綜合電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行處理、顯示。接收機(jī)輸出的是地下不同深度處目標(biāo)反射或散射信號的時域波形，屬于時域接收機(jī)。接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。

取樣脈沖是一對正負(fù)對稱的快速尖脈沖，一般先通過雪崩或放大產(chǎn)生大幅度脈沖，再經(jīng)階躍電路整形，控制取樣門取樣。

取樣門電路是整個接收機(jī)的核心組成部分，主要包括三種形式：非平衡取樣門、平衡取樣門和行波門。目前在探地雷達(dá)中普遍采用四管橋式平衡門[6?8]，如圖2所示。

保持放大電路處理的是已經(jīng)被等效取樣后的信號，頻率一般在kHz量級，對電路設(shè)計的要求不高。

2 提高接收機(jī)性能的技術(shù)措施

取樣脈沖和取樣門的設(shè)計是接收機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。

接收機(jī)電路放置于天線分系統(tǒng)內(nèi)，提高性能的措施應(yīng)該從整個分系統(tǒng)進(jìn)行考慮，同時，各種技術(shù)措施并不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。本文從減小旁通效應(yīng)、降低取樣脈沖泄漏、電源設(shè)計、元器件選用、電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面對接收機(jī)進(jìn)行了綜合的分析研究。

2.1 減小旁通效應(yīng)

二極管是取樣門的關(guān)鍵器件，為了分析方便，通常假定取樣門的開關(guān)特性是理想的。實(shí)際上，在被取樣信號的速度很快的情況下，由于取樣門寄生參數(shù)的影響，被取樣信號的一部分會不經(jīng)過取樣過程直接到達(dá)輸出端，形成旁通效應(yīng)。

為了分析方便，假設(shè)了一種簡單的模型進(jìn)行分析，如圖3所示。其實(shí)，旁通效應(yīng)所引起的信號失真是相當(dāng)復(fù)雜的，這里所做的分析只是一種最簡單的情況，目的是根據(jù)分析確定所要采取的克服旁通效應(yīng)的措施。

根據(jù)以上分析，在實(shí)際設(shè)計中，采用了以下幾種措施減小旁通效應(yīng)：

（1） 選擇結(jié)電容小的二極管，減小取樣門的旁通電容；

（2） 選擇反向電阻大的二極管；

（3） 在保證取樣效率的前提下，適當(dāng)增大取樣門積分電容[C；]

（4） 適當(dāng)減少取樣門輸出電阻[R；]

（5） 選擇適當(dāng)?shù)娜娱T電路。理論和試驗(yàn)均證明，非平衡單管門的旁通效應(yīng)最明顯，四管橋式門的最小。本設(shè)計選用四管橋式平衡門。

2.2 降低取樣脈沖泄漏

四管橋式平衡門的特性已在一些文獻(xiàn)中詳細(xì)分析[9?10]，在此僅根據(jù)其結(jié)論進(jìn)行設(shè)計分析。

對于1.5 GHz的系統(tǒng)來說，選擇接收機(jī)的上限頻率為3 GHz，可以計算出[τ]和[tr，]從而選擇合適的取樣門管。

對于取樣接收機(jī)來說，在取樣瞬時，取樣門輸出的是三種信號的疊加結(jié)果，即有用信號、取樣脈沖的泄漏和旁通效應(yīng)信號。對取樣脈沖泄漏被輸出端的[RC]網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分，形成一個指數(shù)衰減的波形。由于取樣脈沖是步進(jìn)的，所以剩余取樣脈沖相對于有用信號來說在時間上向前步進(jìn)，不僅造成了信號失真，而且很難在輸出端消除。最根本的解決辦法是減小泄漏，主要是提高取樣脈沖的對稱性、提高取樣門四個二極管的對稱性。

2.3 元器件選擇

對于高頻超寬帶系統(tǒng)來說，元器件的選擇非常重要，首先應(yīng)選擇低噪聲器件，從設(shè)計源頭控制系統(tǒng)的噪聲；其次，優(yōu)先選擇集成芯片，降低電路分布參數(shù)的影響。

（1） 以往的設(shè)計中一般采用雪崩的方式產(chǎn)生取樣脈沖，該電路最大的缺點(diǎn)是會產(chǎn)生較大的雪崩噪聲。雪崩噪聲是寬譜噪聲，很難通過濾波減小。為了有效降低噪聲，選用合適的射頻元件，采用射頻放大電路來取代雪崩電路。

（2） 為有效減少取樣泄漏，理想情況下取樣門四個二極管的特性應(yīng)該完全相同，尤其在實(shí)現(xiàn)高帶寬時，對取樣門的電路布局也提出了比較高的要求，增加了電路匹配和篩選的難度。目前，安捷倫公司已有將四個二極管集成在同一基片內(nèi)的集成取樣門，采用表面貼裝，可有效減小分布參數(shù)的影響，降低匹配難度和電路設(shè)計難度，提高了取樣門的對稱性，減小取樣泄漏。本設(shè)計選擇其橋式門HSMS2828。

2.4 電源設(shè)計

電源是整個電路設(shè)計的根本。探地雷達(dá)高頻天線主要用于探測淺層的小目標(biāo)，回波信號比較微弱，對系統(tǒng)的信噪比和靈敏度要求更高。本文主要對高頻接收機(jī)電源設(shè)計方案進(jìn)行了研究。

從結(jié)構(gòu)上來說，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)封裝于同一個箱體內(nèi)，大幅度發(fā)射脈沖對接收機(jī)的干擾不容忽視，電源分布供電是降低干擾的有效措施。供電設(shè)計如圖4所示。

（1） 在設(shè)計中采用低噪聲、小溫漂的微功率電源調(diào)整器（DC?DC）。

（2） 測距裝置單獨(dú)供電。測距裝置對天線的干擾在高頻天線上表現(xiàn)得尤為明顯，會造成信號的時間抖動和幅度抖動，將其單獨(dú)供電是提高接收機(jī)信噪比的重要措施。

（3） 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)單獨(dú)供電。舍棄以往僅通過穩(wěn)壓管處理的方案，選用集成電源調(diào)整器分布供電。在功耗增加不大的情況下，有效地提高了系統(tǒng)的信噪比。

（4） 優(yōu)化電源濾波。在電源的始端進(jìn)行有效濾波，同時加強(qiáng)高速電路的濾波處理，如圖5所示。在高速電路的前端增加一個T型帶阻式三端濾波器來抑制高速脈沖對電源的干擾，而不是像處理低速電路那樣并聯(lián)一個電容形成一個低通濾波器。

2.5 電路板設(shè)計

由于探地雷達(dá)接收機(jī)的特殊性，在設(shè)計電路板時必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，以保證接收機(jī)的性能。除了通常的電磁兼容設(shè)計要求[11?12]，本設(shè)計中主要注意了以下幾點(diǎn)：

（1） PCB電路劃分為高頻區(qū)和低頻區(qū)，元器件按照上述原則布局，每個功能區(qū)采用切分或地護(hù)溝分開；

（2） 雙極性取樣脈沖對稱走線，關(guān)鍵信號線設(shè)置地線保護(hù)；

（3） 小電容采用短路線來實(shí)現(xiàn)，小電感采用開路線實(shí)現(xiàn)；

（4） 為了有效地保護(hù)電路中的器件，端口采用TVS二極管進(jìn)行防護(hù)。

2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個天線分系統(tǒng)（含發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線）封閉于同一個腔體內(nèi)，采用上中下三層結(jié)構(gòu)，如圖6所示，中層電路板為屏蔽板，對強(qiáng)弱信號進(jìn)行一定程度的隔離。

該天線系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1） 接收機(jī)封閉于金屬屏蔽腔內(nèi)；

（2） 填充吸波材料吸收電磁干擾；

（3） 腔體采取注塑模噴涂金屬漆的方式（不含輻射面），相對于金屬折彎方式，其殼體無縫隙，屏蔽性能更好，而且重量輕。

3 測試與試驗(yàn)驗(yàn)證

按照本文分析研究的結(jié)果，對1.5 GHz接收機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，采用Agilent的DSO90404A示波器對取樣脈沖進(jìn)行了測試，圖7為單個取樣脈沖測試圖，圖8為對稱取樣脈沖的測試圖。從圖中可以看到，取樣門寬度為150 ps左右，脈沖形狀基本對稱，技術(shù)改進(jìn)措施有效。

將改進(jìn)的接收機(jī)和原接收機(jī)分別與匹配的發(fā)射機(jī)、天線以及主機(jī)組成中心頻率為1.5 GHz的探測系統(tǒng)，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。探測對象為雙層鋼筋混凝土試件，試件70 mm和250 mm處放置鋼筋網(wǎng)，100 mm、300 mm和500 mm處分別放置三個目標(biāo)如圖9所示。圖10為未改進(jìn)接收機(jī)探測的二維圖譜，圖11為改進(jìn)的新接收機(jī)探測圖譜。

從圖10和圖11數(shù)據(jù)圖像可以看出，新改進(jìn)的接收機(jī)探測效果明顯好于原接收機(jī)，兩層鋼筋分辨清楚，水平分辨率較高，三個目標(biāo)清晰可見；而原設(shè)計接收機(jī)只能探測到一層鋼筋，由于噪聲和固定波的干擾，分辨率低，而且未能檢測到深層目標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文從探地雷達(dá)時域接收機(jī)的原理著手，提出了改進(jìn)接收機(jī)性能的多種技術(shù)措施，并進(jìn)行了測試和對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明本文設(shè)計的新接收機(jī)探測分辨率高，探測深度深，效果良好，為進(jìn)一步提高沖激脈沖探地雷達(dá)的系統(tǒng)性能、設(shè)計新型探地雷達(dá)接收機(jī)提供了技術(shù)支持。文中所采用技術(shù)措施也適用于其他超寬帶時域接收機(jī)設(shè)計，部分措施對通用雷達(dá)頻域接收機(jī)也有一定借鑒作用。

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