CN103941296A - 一种双频复合天线探地雷达 - Google Patents

Abstract

本发明双频复合天线探地雷达包括双频复合天线系统和双通道雷达主机，双频复合天线系统和双通道雷达主机通过综合电缆连接通信，双通道雷达主机装有系统软件，双频复合天线系统包括高频天线和低频天线，高、低频天线在双通道雷达主机中分别对应一通道，高、低频天线在双通道雷达主机中对应的两个通道电路共地；两天线在各自电路上进行屏蔽处理，双通道雷达主机包括双通道主机的时序控制模块、步进逻辑模块、延时逻辑及自检功能模块、触发脉冲整形模块及通道切换开关。系统软件包括文件管理、参数设置、预处理、数据处理、数据分析与解释及帮助。本发明解决了探地雷达在工程实践中探测深度和分辨率之间的矛盾，提高了探地雷达的探测质量和作业效率。

Description

一种双频复合天线探地雷达

技术领域：

本发明涉及一种双频复合天线探地雷达。

背景技术：

探地雷达（Ground-penetrating radar,简称GPR），是利用超高频脉冲电磁波探测地下目标的一种地球物理勘探方法，该方法是一种用于确定地下介质分布的电磁技术，在水文、环境、采矿和国防工程领域已得到广泛应用，其应用范围仍在不断扩大。

探地雷达作为一种非破坏性探测手段，正被广泛应用于空洞、管道及地雷等地下目标的探测。在探测地下目标时，会遇到需要同时兼顾探测深度与目标分辨率的情况。选用中心频率较小的天线时，探测的深度较深，但其分辨率较低；选用中心频率较大的天线时，其分辨率较高，但其探测的深度较浅。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容：

本发明的目的是为了解决探地雷达在探测地下目标时，经常会遇到探测深度与目标分辨率之间的矛盾，提供了一种双频复合天线探地雷达，克服了地质探测时不能同时兼顾探测深度与目标分辨率的问题。

本发明采用如下技术方案：一种双频复合天线探地雷达，其包括双频复合天线系统、双通道雷达主机、通信连接所述双频复合天线系统和双通道雷达主机的综合电缆及装设于所述双通道雷达主机中的系统软件，

所述双频复合天线系统包括高频天线和低频天线，所述高、低频天线在双通道雷达主机中分别对应一个通道；

所述双通道雷达主机包括上位机和下位机，所述上位机包括数字信号处理控制单元、数据存储单元、图像处理单元和显示单元，所述下位机包括时基控制模块、通道切换开关、第一通道电路和第二通道电路，所述通道切换开关在数字信号处理控制单元发出的通道切换信号的控制下切换第一、二通道电路的工作，所述时基控制模块基于时间上的分时工作机理来实现，由主时钟分频实现两个通道发射频率的最小公倍频率作为基频时钟，由所述最小公倍频率产生第一通道控制脉冲，由所述最小公倍频率取反产生第二通道控制脉冲，在第一和二通道控制脉冲的高电平时间内产生初始的触发信号，所述第一、二通道电路的原理相同，第一、二通道电路中任一电路包括步进逻辑控制模块、延时逻辑及自检功能模块、发射触发脉冲整形模块和接收触发脉冲整形模块，所述两个通道的步进逻辑控制模块分别对应控制高、低频天线，所述两个通道的步进逻辑控制模块分别为各自通道提供天线的发射触发信号和接收触发信号，并且在时序控制上，在时基控制模块的控制下，两个步进逻辑控制模块采用分时工作的模式，在通道切换信号的控制下，产生触发两个天线工作的两组互不干扰的发射触发和接收触发信号；

所述高、低频天线接收机的信号经过解码得到的数据传给数字信号处理控制单元；数字信号处理控制单元控制数据存储单元存储数据，图像处理单元把来自数字信号处理控制单元的数据转换成显示单元所需的图像信号，传给显示单元。

所述步进逻辑模块的控制部分包括复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件通过接收数字信号处理控制单元发送的参数命令，完成步进逻辑控制信号的输出，所述主时钟为复杂可编程逻辑器件提供时钟信号，主时钟输出的时钟信号经过电平转换电路得到时钟电平；

所述复杂可编程逻辑器件输出的发射触发信号脉冲与时钟电平在发射触发脉冲整形模块中同步整形后得到Trig信号；所述复杂可编程逻辑器件输出的发射触发信号脉冲与时钟电平在接收触发脉冲整形模块中同步整形后得到信号，该信号经过延时逻辑及自检功能模块的延时处理后得到Step信号；

所述复杂可编程逻辑器件输出延时逻辑及自检功能模块的延时控制命令；

所述复杂可编程逻辑器件接收并上传来自延时逻辑及自检功能模块的延时自检结果，并向数字信号处理控制单元提供模数转换信号、触发天线发射探测脉冲的信号。

所述第一、二通道电路的步进逻辑控制模块的地回路布线相对独立，且与双通道雷达主机的地回路为单点连接。

所述延时逻辑及自检功能模块由电平可编程时延芯片实现，所述芯片输入信号的最高工作频率大于1.5GHz；所述触发脉冲整形模块采用CCD驱动芯片产生脉冲触发信号，延时后的差分信号经高速运放合成为单向脉冲信号，单脉冲经微波晶体管放大和变压器整形后，输出端脉冲信号。

所述高、低频天线在双通道雷达主机中对应的两个通道的电路共地，所述两天线在各自的电路上进行屏蔽处理。

所述高频天线的中心频率为400MHz，所述低频天线的中心频率为200MHz。

所述高频天线是高频蝶形偶极子天线，所述低频天线是低频蝶形偶极子天线。

本发明具有如下有益效果：本发明采用了双频复合超宽带探地雷达技术，通过将高频和低频的天线进行组合，并辅之配套的双通道主机系统及软件，从而有效解决探测深度与探测分辨率之间的矛盾，实现探地雷达在地质探测时对探测深度与分辨率的同时兼顾。

附图说明：

图1为双频复合天线探地雷达的系统原理框图。

图2为双频复合天线的结构示意图。

图3为时基电路原理框图。

图4为步进逻辑模块原理图。

图5天线振子的排列方式示意图。

图6变形的蝶形偶极子天线示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明。

请参照图1至图6所示，本发明双频复合天线探地雷达包括双频复合天线系统和双通道雷达主机，其中双频复合天线系统和双通道雷达主机通过综合电缆连接通信，双通道雷达主机装有配套的系统软件。

其中双频复合天线系统包括高频天线和低频天线，高、低频天线在双通道雷达主机中分别对应一个通道，其中高、低频天线在双通道雷达主机中对应的两个通道的电路共地；两天线在各自的电路上进行屏蔽处理。双通道雷达主机包括上位机和下位机，上位机包括DSP（数字信号处理）控制单元、数据存储单元、图像处理单元和显示单元；下位机包括时基控制模块、通道切换开关、第一通道电路和第二通道电路；其中通道切换开关在DSP控制单元发出的通道切换信号的控制下切换第一、二通道电路的工作。

其中时基控制模块是基于时间上的分时工作机理来实现的：由主时钟分频实现两个通道发射频率的最小公倍频率作为基频时钟；由所述最小公倍频率产生第一通道控制脉冲，由所述最小公倍频率取反产生第二通道控制脉冲；在第一和二通道控制脉冲的高电平时间内产生初始的触发信号。

其中第一、二通道电路的原理相同，第一、二通道电路中任一电路包括步进逻辑控制模块、延时逻辑及自检功能模块、发射触发脉冲整形模块和接收触发脉冲整形模块；两个通道的步进逻辑控制模块分别对应控制高、低频天线。

两个独立的步进逻辑控制模块分别为各自通道提供天线的Trig信号（发射触发信号）和Step信号（接收触发信号），并且在时序控制上，在时基控制模块的控制下，两个步进逻辑控制模块采用分时工作的模式，即一个通道工作时另一个通道停止工作；在通道切换信号的控制下，产生触发两个天线工作的两组互不干扰的发射触发和接收触发信号，两个步进逻辑模块的地回路布线相对独立，与整个系统的地回路单点连接。电源上两个模块复用的供电回路，采用适当频率的滤波器（为了防止两个频率收发天线间相互干扰而采取的滤波方式，一般采用带阻滤波，以保留当前工作频率信号，削弱另一个频率的信号）来抑制触发脉冲的干扰。双通道时基控制是基于时间上的分时工作机理来实现的，由主时钟fMAIN分频实现两个通道发射频率的最小公倍频率fCOM作为基频时钟，由fCOM产生第一通道控制脉冲fpulse1，由fCOM取反产生第二通道控制脉冲fpulse2，在fpules1和fpulse2脉冲的高电平时间内产生初始触发信号，在通道切换信号的控制下，可以确保产生触发双通道雷达工作的两组互不干扰的发射触发、接收触发信号。

步进逻辑模块的控制部分主要包括主时钟和逻辑芯片CPLD（复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device,CPLD）；CPLD通过接收DSP控制单元发送的参数命令，完成步进逻辑控制信号的输出；CPLD芯片通过SPI串口接收上位DSP芯片发送的参数命令，包括时窗、扫速、信号位置、记录道长度、步进间隔等，完成步进逻辑控制功能，主要包括产生初始触发信号、控制延时芯片数据总线、控制寄存器同步移位、接收并上传延时自检结果和向上位DSP芯片提供F A/D信号、F scan信号等。CPLD主要完成各种控制功能，包括与上位机通信接收雷达参数、控制延时芯片、控制寄存器同步移位、控制雷达通道切换等。

主时钟为CPLD提供时钟信号，主时钟输出的时钟信号经过电平转换电路得到时钟电平Clk。

CPLD输出的发射触发信号脉冲Tri_pulse与时钟电平Clk在发射触发脉冲整形模块中同步整形后得到Trig信号；所述CPLD输出的发射触发信号脉冲Step_pulse与时钟电平Clk在接收触发脉冲整形模块中同步整形后得到信号，该信号经过延时逻辑及自检功能模块的延时处理后得到Step信号。

CPLD输出延时逻辑及自检功能模块的延时控制命令。CPLD接收并上传来自延时逻辑及自检功能模块的延时自检结果，并向DSP控制单元提供F A/D信号(模数转换信号)、Fscan信号(触发天线发射探测脉冲的信号)。

其中高、低频天线接收机的信号经过解码得到的数据传给DSP控制单元；DSP控制单元控制数据存储单元存储数据；图像处理单元把来自DSP控制单元的数据转换成显示单元所需的图像信号，传给显示单元。

本发明延时逻辑及自检功能模块选用高精度LVPECL（Low Voltage PositiveEmitter-Coupled Logic）电平可编程时延芯片实现，其输入信号的最高工作频率大于1.5GHz，延时芯片自检功能是通过D触发器来实现的，利用系统主时钟和延时后的触发脉冲信号，通过计数并向主控系统反馈D触发器输出周期内对应延时脉冲信号个数，实现延时芯片自检功能。

所述触发脉冲整形模块，采用CCD驱动芯片产生脉冲触发信号，延时后的差分信号经高速运放合成为单向脉冲信号，单脉冲经微波晶体管放大和变压器整形后，输出端脉冲信号。

所述通道切换开关，要求通道开关切换迅速及隔离度好。在开关芯片的选择上采用MC100EP56DTG芯片来实现该功能。

本发明双通道雷达主机中装设的系统软件主要由：文件管理、参数设置、预处理、数据处理、数据分析与解释、帮助等6个模块组成，这6个模块组成3个部分：雷达数据的显示及预处理、数据处理部分、数据分析和解释部分。其中雷达数据的显示及预处理为软件的主体框架程序，其他两个部分采用动态链接库的形式添加到主框架中，对软件的显示和预处理无影响。在软件的主框架中主要包括了数据采集和文件管理模块、参数设置模块、预处理模块和帮助模块。每个模块之间低耦合，模块之内高聚合。若在主框架中添加不同态库或处理模块，可以直接在其他后处理软件中使用。

其中双频复合天线采用变形的蝶形偶极子天线(天线形状如图6所示)来缩小天线尺寸，双频复合天线结构示意图如图2所示。为了保证天线的探测性能，在复合天线的设计中，天线屏蔽体的宽度和高度采用与低频天线相同。天线振子的宽度及排列方式决定了的天线长度。其中高频天线的中心频率为400MHz，低频天线的中心频率为200MHz。高频天线是高频蝶形偶极子天线；所述低频天线是低频蝶形偶极子天线。在复合天线的设计中首先在CST中进行仿真和优化，建立起复合天线的排列模型。为了减小天线之间的相互耦合，采用两套天线系统共地处理的方式来消除两者之间的相互影响，同时在两天线各自电路上进行屏蔽处理，并通过加载吸波材料（微波海绵）消除发射接收机传输线上的相互干扰。

本发明双频复合天线探地雷达采用两对高低频蝶形偶极子天线组，且通过加填多层微波海绵吸收材料解决天线组的相互干扰问题。

本发明双频复合天线探地雷达的双通道主机，由双通道主机的时序控制模块、步进逻辑模块、延时逻辑及自检功能模块、触发脉冲整形模块及通道切换开关等六个模块组成。

本双频复合天线探地雷达的采集与分析软件采用所见即所处理的技术，只对显示在屏幕上的数据进行处理和保存，而不是对全部数据进行运算。

本发明的原理如下：

电磁波的衰减会随着频率的增加而增加，雷达天线的工作频率越高，其探测的深度就越浅。有耗媒质中的雷达方程为

$\frac{P_r}{P_t}=\frac{G_r{G}_t{\mathrm{\ζ}}_r{\mathrm{\ζ}}_t\mathrm{\λ\σ}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{R}^4}{e}^{-4\mathrm{\αR}}$

P_r为接收天线功率，P_t为发射天线功率，G_r为接收天线增益，G_t为发射天线增益，ζ_r和ζ_t分别代表通过地表的传播损失，σ为目标雷达的散射截面（RCS），λ为工作波长，α为衰减常数，R为电磁波传播路径长度，e为自然常数。其中衰减常数、天线增益、目标雷达散射截面和地表损耗都是波长的函数，有些量甚至随频率变化很大。

探地雷达的深度分辨率与探测深度有关，探测深度越深，带宽越小，分辨率就越低。通过将高频天线与低频天线组合成天线组，高频天线可提高浅层介质中探测的分辨率，而低频天线可以增加目标的探测的深度，从而可有效解决探地雷达在进行探测作业时探测深度与分辨率之间的矛盾。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双频复合天线探地雷达，其包括双频复合天线系统、双通道雷达主机、通信连接所述双频复合天线系统和双通道雷达主机的综合电缆及装设于所述双通道雷达主机中的系统软件，其特征在于：

所述双频复合天线系统包括高频天线和低频天线，所述高、低频天线在双通道雷达主机中分别对应一个通道；

所述双通道雷达主机包括上位机和下位机，所述上位机包括数字信号处理控制单元、数据存储单元、图像处理单元和显示单元，所述下位机包括时基控制模块、通道切换开关、第一通道电路和第二通道电路，所述通道切换开关在数字信号处理控制单元发出的通道切换信号的控制下切换第一、二通道电路的工作，所述时基控制模块基于时间上的分时工作机理来实现，由主时钟分频实现两个通道发射频率的最小公倍频率作为基频时钟，由所述最小公倍频率产生第一通道控制脉冲，由所述最小公倍频率取反产生第二通道控制脉冲，在第一和二通道控制脉冲的高电平时间内产生初始的触发信号，所述第一、二通道电路的原理相同，第一、二通道电路中任一电路包括步进逻辑控制模块、延时逻辑及自检功能模块、发射触发脉冲整形模块和接收触发脉冲整形模块，所述两个通道的步进逻辑控制模块分别对应控制高、低频天线，所述两个通道的步进逻辑控制模块分别为各自通道提供天线的发射触发信号和接收触发信号，并且在时序控制上，在时基控制模块的控制下，两个步进逻辑控制模块采用分时工作的模式，在通道切换信号的控制下，产生触发两个天线工作的两组互不干扰的发射触发和接收触发信号；

所述高、低频天线接收机的信号经过解码得到的数据传给数字信号处理控制单元；数字信号处理控制单元控制数据存储单元存储数据，图像处理单元把来自数字信号处理控制单元的数据转换成显示单元所需的图像信号，传给显示单元。

2.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述步进逻辑模块的控制部分包括复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件通过接收数字信号处理控制单元发送的参数命令，完成步进逻辑控制信号的输出，所述主时钟为复杂可编程逻辑器件提供时钟信号，主时钟输出的时钟信号经过电平转换电路得到时钟电平；

所述复杂可编程逻辑器件输出的发射触发信号脉冲与时钟电平在发射触发脉冲整形模块中同步整形后得到Trig信号；所述复杂可编程逻辑器件输出的发射触发信号脉冲与时钟电平在接收触发脉冲整形模块中同步整形后得到信号，该信号经过延时逻辑及自检功能模块的延时处理后得到Step信号；

所述复杂可编程逻辑器件输出延时逻辑及自检功能模块的延时控制命令；

所述复杂可编程逻辑器件接收并上传来自延时逻辑及自检功能模块的延时自检结果，并向数字信号处理控制单元提供模数转换信号、触发天线发射探测脉冲的信号。

3.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述第一、二通道电路的步进逻辑控制模块的地回路布线相对独立，且与双通道雷达主机的地回路为单点连接。

4.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述延时逻辑及自检功能模块由电平可编程时延芯片实现，所述芯片输入信号的最高工作频率大于1.5GHz；所述触发脉冲整形模块采用CCD驱动芯片产生脉冲触发信号，延时后的差分信号经高速运放合成为单向脉冲信号，单脉冲经微波晶体管放大和变压器整形后，输出端脉冲信号。

5.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述高、低频天线在双通道雷达主机中对应的两个通道的电路共地，所述两天线在各自的电路上进行屏蔽处理。

6.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述高频天线的中心频率为400MHz，所述低频天线的中心频率为200MHz。

7.如权利要求1所述的双频复合天线探地雷达，其特征在于：所述高频天线是高频蝶形偶极子天线，所述低频天线是低频蝶形偶极子天线。