CN102176015B - 一种相干的石油管道漏油区成像雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达成像技术领域，具体的说是一种相干的石油管道漏油区成像雷达系统，其特征是：它至少包括：DDS线性调频信号产生电路、频率源、信号发射电路、信号接收电路和成像处理单元。它提供一种能利用回波的相位信息，雷达分辨率不会受到一定的限制的一种相干的石油管道漏油区成像雷达系统。
Description
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域，具体的说是一种相干的石油管道漏油区成像雷达系统。可以应用于探地雷达成像，而且还可以应用于其它近场场合的成像系统，如穿墙雷达成像系统。
背景技术
近年来，对埋入地下目标物体的探测由于需求的牵引逐渐成为当今雷达应用的巨大发展方向之一。探地雷达可以应用于地雷探测，公路无损检测，地下掩体的探测以及考古挖掘。目前对于公路无损检测这类的探地雷达目前市面上有比较成熟的产品。目前国内的探地雷达基本上都是以探测为主，而没有成像功能，然而探地雷达的成像功能是探地雷达的一个重要的发展方向，但目前国内还没有比较成熟的针对探地雷达成像的产品。
在国外，探地雷达对石油的检测已经有成功的案例，2002年11月13日，在西班牙北部的加利亚省距海岸45km处，一场暴风雨袭击了过往的一艘油轮，造成3万吨的燃油泄露并且渗入海岸。泄露的燃油大面积侵蚀着海滩。一个星期后，燃油已经侵蚀了近1000m，影响西班牙北部，葡萄牙和法国。在潮汐作用的影响下，泄露的燃油被干净的沙子所覆盖，无法从海滩边面直接看到。并且这些燃油埋在沙滩里不能分解，呈现高粘滞性。块状燃油埋在沙滩中的深度从数厘米到2m不等，Hagray经研究发现探底雷达可以有效的穿透海水浸泡的沙滩，穿透的深度和海水的盐浓度和沙滩中的海水含量有关，因此可以采用适合的工作频段的探地雷达对沙滩里的块状燃油进行探测。该雷达记录剖面图上块状燃油的反射痕迹明显，采用二维扫描的方式还可以得到沙滩表层下块状燃油在整个探测平面的分布情况。这个雷达系统装在一个宽轮的手推车上，并且结合GPS实现大面积的普查。
国外和国内的探地雷达的产品大多是采用的无载波冲击的信号形式，采用无载波冲击的探地雷达具有系统简单的优点，一般只需要冲击信号发生器，发射天线，接收天线，以及接收处理单元便可以实现，但无载波冲击的雷达不能利用回波的相位信息，雷达分辨率会受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能利用回波的相位信息，雷达分辨率不会受到一定的限制的一种相干的石油管道漏油区成像雷达系统。
本发明的目的是这样实现的，一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：它至少包括：DDS线性调频信号产生电路、频率源、信号发射电路、信号接收电路和成像处理单元；
A.由DDS线性调频信号产生电路产生1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz信号，频率源产生1.4GHz基准频率信号；
B.由频率源输出的1.4GHz基准频率信号通过第一可控增益放大器，将其放大到17dBm，作为混频器的本振信号；
C．将由DDS产生的1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz，功率大小为4dBm的线性调频信号，通过第二可控增益放大器，将其放大到14dBm，作为混频器的输入信号；
D．将上述的输入信号和本振信号输入到混频器中进行混频，将混频器输出的信号通过一个高通滤波器和一个低通滤波器，滤除不需要的带外干扰信号，输出1.1GHz到1.9GHz范围的频率信号，信号的幅度约为6dBm；
E．将经高通滤波器和一个低通滤波器输出的信号经过两级放大；
F．将两级放大器放大后的信号分为送入一个耦合器，耦合器分两路耦合，一路耦合出一个13dBm的信号，作为接收机的本振信号；另外一路耦合输出给发射天线；
G．从接收天线接收到的回波信号与上述的接收机本振信号一起输入到接收混频器，由接收混频器得到中频输出的信号；
H、中频输出的信号经过低频放大后送到成像处理单元，由成像处理单元进行采样处理，成像处理单元以一维扫描方式获得二维成像，以二维扫描方式获得三维成像。
所述接收混频器得到中频带宽为：
所述的成像处理单元进行采样的速度为10MHz，为减小量化噪声，选取量化比特数为14或16bit。
所述的第一可控增益放大器采用的是HMC625LP5。
所述的第二可控增益放大器采用的是HMC625LP5。
所述的混频器的型号为SIM-U432H，所用的高通滤波器的型号为HFCN1200；所用的低通滤波器的型号为LFCN 1700。
所述个两级放大器分别是增益可控的放大器HMC625LP5和固定增益的放大器HMC619LP5；两级放大器放大后的功率为28dBm。
所述的耦合器采用BDCA15-25。
所述的DDS线性调频信号产生电路包括相位累加器、相位调制器、波形存储器ROM 查找表(LUT)、D/A转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)构成，相位累加器是一个N位全加器,对频率控制字的二进制码进行累加运算；在每个系统时钟沿
的控制下，位加法器将频率控制字进行累加，
把相加后的结果再送至寄存器，累加寄存器的高位数值，将作为查值表ROM中取样数据的地址值；正弦地址查找表包含一个周期的正弦波数字幅度信息，每个地址对应正弦波上(
)范围内的一个相位点；查询表把输入的地址信息映射成正弦波离散幅度的数字量信号，驱动DAC(数模转换器)输出模拟量，模拟量为阶梯波,经过低通滤波器滤除高频信号，就可输出满足需求的平滑模拟正弦波信号。
所述的D/A转换器(DAC)是AD9739，相位累加器、相位调制器采用的FPGA是EP3S1150F1152。
本发明的优点是：雷达的发射机发射信号采用DDS+FPGA的方式实现大带宽的线性调频信号， DDS是用全数字控制的方法从一个参考频率源合成多种频率的技术，它是把一系列离散的信号序列通过DAC转换形成模拟信号量的相干合成技术。利用高速存储器ROM作正弦波查询表，然后通过高速D/A转换芯片将已经用数字形式存入ROM的正弦波(或其他任意波形)转换成模拟信号并用低通滤波器平滑输出。DDS在频率转换时间、相位连续性、正交输出以及频率分辨率等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，使频率合成技术迈上了一个新台阶，为各种电子系统提供了优于模拟信号源性能的高质量频率源。采用线性调频体制的探地雷达其分辨率要比无载波冲击的探地雷达分辨率大大的提高。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：
图1是雷达的整体框图；
图2是探底雷达连续扫描模式框图；
图3是雷达实现二维成像的扫描模式；
图4是雷达实现三维成像的扫描模式；
图5是雷达产生线性调频信号的原理框图；
图6探地雷达发射机接收机框图。
图中：1、DDS线性调频信号产生电路；2、频率源；3、信号发射电路；4、信号接收电路；5、成像处理单元；6、第一可控增益放大器；7、第二可控增益放大器；8、第一混频器；9、高通滤波器/低通滤波器；10、两级放大器；11、耦合器；12、接收机的本振信号；13、发射天线；14、接收天线；15、接收混频器。
具体实施方式
参照图1，与传统的雷达系统一样包括雷达信号发射电路、雷达信号接收电路和雷达成像处理单元，通过雷达天线（发射天线和接收天线）向目标发射雷达波或接收目标的反射信号，本发明中对埋入地下的石油管道的探测成像中，要求最大的探测深度为3.5米，也就是目标本振与目标回波的路程差大约为7米，因此接收到回波的中频为带宽为（此时的大地介电常数按9来估算）：
上式中
为接收信号的带宽，
为发射的线性调频信号的调频率，
是光速，大地电介质常数，
是最大作用距离。
这就要求发射机将输入的线性调频信号的（4dBm）放大到27dBm。
如图2、图3、图4所示，对石油管道的漏油检测中，采用了合成孔径模式的探地雷达系统，采用合成孔径的模式对目标成像，对探测深度为3.5米的深度进行一维扫描实现二维成像或二维扫描实现三维成像。一维扫描和二维扫描要求天线在地面的扫描点是等沿直线等间隔均匀分布的，而实际在普查或详查模式的二维或一维扫描中，扫描点在地面上并不是等间隔均匀分布，而可能是沿曲线或曲面上的非等间隔分布。在这种情况下，必须对扫描点进行插值校正，得到在直线或平面上均匀分布的扫描点，以便进行合成孔径成像处理。在实际系统中，可以采用高精度的GPS+INS系统对录取的数据进行校正，得到每个信号发射点的具体位置，来进行成像校正。
雷达的发射机发射信号采用DDS+FPGA的方式实现大带宽的线性调频信号产生DDS是用全数字控制的方法从一个参考频率源合成多种频率的技术，它是把一系列离散的信号序列通过DAC转换形成模拟信号量的相干合成技术。利用高速存储器ROM作正弦波查询表，然后通过高速D/A转换芯片将已经用数字形式存入ROM的正弦波(或其他任意波形)转换成模拟信号并用低通滤波器平滑输出。DDS在频率转换时间、相位连续性、正交输出以及频率分辨率等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，使频率合成技术迈上了一个新台阶，为各种电子系统提供了优于模拟信号源性能的高质量频率源。目前它正朝着小型化、系统化以及模块化的方向发展，性能越来越好，使用越来越方便，是目前应用最广泛的频率合成器之一。随着数字技术与超大规模集成电路(VLSI)的发展，DDS技术的实现载体也呈现出多元化，可以用DDS芯片实现频率合成、DSP实现DDS频率合成也可以用FPGA来实现DDS频率合成。DDS技术正逐步取代PLL(锁相环)频率合成技术,得到越来越广泛的应用。
如图6所示，给出雷达接收机框图，
一种相干的石油管道漏油区成像系统及方法，它至少包括：DDS线性调频信号产生电路1、频率源2、信号发射电路3、信号接收电路4和成像处理单元5；
1.由DDS线性调频信号产生电路产生1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz信号；信号功率大约在4dBm （大约2.5mw），因此在进入到发射天线之前，需要进行功率放大，功率放大器的增益为23dB左右。频率源产生1.4GHz基准频率信号。
2.由频率源输出的1.4GHz基准频率信号（功率大小为4dBm）通过第一可控增益放大器6，将其放大到17dBm，作为混频器的本振信号。第一可控增益放大器6采用的是HMC625LP5。
3．将由DDS产生的1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz，功率大小为4dBm的线性调频信号，通过第二可控增益放大器7，将其放大到14dBm，作为第一混频器8的输入信号。第二可控增益放大器7采用的是：HMC625LP5。
4．将上述的输入信号和本振信号输入到第一混频器8中进行混频，第一混频器8有8dB的衰减，将第一混频器8输出的信号通过一个高通滤波器/低通滤波器9，滤除不需要的带外干扰信号，输出1.1GHz到1.9GHz范围的频率信号，信号的幅度约为6dBm。第一混频器8的型号为：SIM-U432H，所用的高通滤波器/低通滤波器9的高通滤波器型号为：HFCN 1200；所用的低通滤波器的型号为：LFCN 1700。
5．将经高通滤波器和一个低通滤波器输出的信号经过两级放大器10，放大后的功率为28dBm。所用个两级放大器10分别是增益可控的放大器HMC625LP5和固定增益的放大器HMC619LP5。
6．将两级放大器放大后的信号分为送入一个耦合器11，耦合器11分两路耦合，一路耦合出一个13dBm的信号，作为接收机的本振信号12。另外一路耦合输出给发射天线13，耦合器11采用的是BDCA15-25。
7．从接收天线14接收到的回波信号与上述的接收机本振信号12一起输入到接收混频器15中，得到中频输出的信号。
8、中频输出的信号经过低频放大16后送到成像处理单元5，由成像处理单元5进行采样处理，成像处理单元以一维扫描方式获得二维成像，以二维扫描方式获得三维成像。
接收部分参数计算如下：
混频器的噪声系数
约为8dB。
接收机可以检测到的最小功率和工作的带宽以及热噪声系数有关，接收机能检测到的最小功率为（接收机带宽按5MHz计算）：
发射信号经过地面反射，包括泄露，到达接收端天线最大功率约为10dBm.
接收机的动态范围约为：99dB。
经过混频器后，信号的输出功率电平范围是：2dBm到-107dBm
滤波器的主要功能是滤除地面的强反射波以及从发射天线直接反馈到接收天线的直达波。滤波器在阻带内有约-40dB的增益。经过滤波器滤波后，穿透地表回波经过地下目标反射后回波的大小按-20dBm估算。此时输入到中频放大器的信号功率电平范围是：-20dBm到-107dBm
中频放大器可以选择可调节低噪声的线性放大器，将信号幅度放大到1伏左右。
如图5所示，给出DDS线性调频信号产生电路1原理，一个典型的DDS线性调频信号产生电路1是由相位累加器、相位调制器、波形存储器ROM 查找表(LUT)、D/A转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)构成，相位累加器是一个N位全加器,对频率控制字的二进制码进行累加运算。在每个系统时钟沿
的控制下，位加法器将频率控制字进行累加，
把相加后的结果再送至寄存器，累加寄存器的高
位数值，将作为查值表ROM中取样数据的地址值。正弦地址查找表包含一个周期的正弦波数字幅度信息，每个地址对应正弦波上(
)范围内的一个相位点。查询表把输入的地址信息映射成正弦波离散幅度的数字量信号，驱动DAC(数模转换器)输出模拟量，模拟量为阶梯波,经过低通滤波器滤除高频信号，就可输出满足需求的平滑模拟正弦波信号。
在对地下石油管道漏油区的成像雷达系统中，采用的DA转换芯片是AD9739，采用的FPGA是EP3S1150F1152。
探地雷达采用了相干的雷达系统，探地雷达中含有本振信号，发射信号经过调制，放大，输出至发射天线，然后从接收天线经过解调滤波对回波信号进行接收。
Claims (8)
1.一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：它至少包括：DDS线性调频信号产生电路、频率源、信号发射电路、信号接收电路和成像处理单元；
A.由DDS线性调频信号产生电路产生1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz信号，频率源产生1.4GHz基准频率信号；
B.由频率源输出的1.4GHz基准频率信号通过第一可控增益放大器，将其放大到17dBm，作为第一混频器的本振信号；
C．将由DDS线性调频信号产生电路产生的1.4 GHz-300MHz到1.4 GHz+500MHz，功率大小为4dBm的线性调频信号，通过第二可控增益放大器，将其放大到14dBm，作为第一混频器的输入信号；
D．将上述的输入信号和本振信号输入到第一混频器中进行混频，将第一混频器输出的信号通过一个高通滤波器和一个低通滤波器，滤除不需要的带外干扰信号，输出1.1GHz到1.9GHz范围的频率信号，信号的幅度约为6dBm；
E．将经高通滤波器和一个低通滤波器输出的信号经过两级放大器放大；
F．将两级放大器放大后的信号送入一个耦合器，耦合器分两路耦合，一路耦合出一个13dBm的信号，作为信号接收电路的本振信号；另外一路耦合输出给信号发射电路；
G．从信号发射电路接收到的回波信号与上述的信号接收电路本振信号一起输入到接收混频器，由接收混频器得到中频输出的信号；
H、中频输出的信号经过低频放大后送到成像处理单元，由成像处理单元进行采样处理，成像处理单元以一维扫描方式获得二维成像，以二维扫描方式获得三维成像。
2.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述接收混频器得到中频带宽为：
3.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的成像处理单元进行采样的速度为10MHz，为减小量化噪声，选取量化比特数为14或16bit。
4.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的第一可控增益放大器采用的是HMC625LP5。
5.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的第二可控增益放大器采用的是：HMC625LP5。
6.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的第一混频器的型号为：SIM-U432H，所用的高通滤波器的型号为：HFCN1200；所用的低通滤波器的型号为：LFCN 1700。
7.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的两级放大器是由增益可控的放大器HMC625LP5和固定增益的放大器HMC619LP5级联；两级放大器放大后的功率为28dBm。
8.根据权利要求1所述的一种相干的石油管道漏油区成像系统，其特征是：所述的耦合器采用BDCA15-25。
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