CN104931962A - 一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达 - Google Patents

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张安学
郑适
蒋延生
朱士涛
施宏宇
陈建忠
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Abstract

本发明公开了一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，包括发射天线、接收天线、用于发射超宽带正交频分复用信号的发射机、以及用于进行信号的接收及处理的接收机；发射机包括超宽带OFDM信号源及功率放大及滤波电路，超宽带OFDM信号源的输出端与功率放大及滤波电路的输入端相连接，功率放大及滤波电路的输出端与发射天线相连接；接收机包括信号调理电路、信号采集电路以及用于与外接设备相连接的数据接口，接收天线与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端与信号采集电路的输入端相连接，信号采集电路的输出端通过数据接口与外接设备相连接。本发明系统结构简单，分辨率高,平均发射功率高，可使用的天线范围更广。

Description

一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达
技术领域
本发明属于探地雷达领域，涉及一种探地雷达，具体涉及一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达。
背景技术
探地雷达是用宽带电磁波来探测地表之下或确定不可视的物体内部或结构的一种地球物理方法。探地雷达技术广泛应用于考古、矿产资源勘探、灾害地质勘查、岩土工程调查和军事探测等众多领域。
探地雷达系统主要分为两个部分，包括探地雷达系统硬件设计以及探地雷达系统软件设计及信号处理算法。其中硬件设计主要由发射机，接收机，以及天线组成。工作时发射机产生大功率的探测信号，馈入超宽带发射天线。电磁波在地下的传播过程中，可能遇到地下多层媒质分界面导致的阻抗不匹配，会产生电磁波的反射；地下存在点状目标时，也会产生电磁波的反射。这两种原因使得接收天线可以感应到反射回波。另外，接收天线还会感应到发射天线直接耦合过来的直达波。接收机接收天线的接收信号是直达波和反射波信号的叠加。将接收到的信号(包含直达波与反射波)发送给PC机，由信号处理算法进行处理，得到地下层状、点状目标的位置等信息。
探地雷达系统通常分为冲激脉冲体制和连续波体制。多数探地雷达系统为冲激脉冲体制，业界产品较多，对其研究也已较为成熟。其优点是电路比较成熟，测量结果直观，因此在目前商业探地雷达中占统治地位。但基于脉冲体制的探地雷达成本高，信号形式单一，天线形式单一，并且现有的探地雷达发出脉冲信号，因此对地探测时的分辨率较差。同时，使用脉冲体制雷达会减小平均发射功率，造成深度不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，该探地雷达系统结构简单，分辨率高，发射平均功率高，可使用的天线范围广。
为达到上述目的，本发明所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达包括发射天线、接收天线、用于发射超宽带正交频分复用信号的发射机、以及用于进行信号的接收及处理的接收机；
所述发射机包括超宽带OFDM信号源及功率放大及滤波电路，超宽带OFDM信号源的输出端与功率放大及滤波电路的输入端相连接，功率放大及滤波电路的输出端与发射天线相连接；
所述接收机包括信号调理电路、信号采集电路以及用于与外接设备相连接的数据接口，接收天线与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路的输出端与信号采集电路的输入端相连接，信号采集电路的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
所述超宽带OFDM信号源包括第一处理器、正交上变频器及第一低通滤波器，第一处理器的输出端与正交上变频器的控制端相连接，正交上变频器的输出端与第一低通滤波器的输入端相连接，第一低通滤波器的输出端与功率放大及滤波电路的输入端相连接。
所述功率放大及滤波电路包括宽带功率电路、宽带可调增益放大器、功率放大器及第二低通滤波器，第一低通滤波器的输出端与宽带功率电路的输入端相连接，宽带功率电路的输出端与宽带可调增益放大器的输入端相连接，宽带可调增益放大器的输出端与功率放大器的输入端相连接，功率放大器的输出端与第二低通滤波器的输入端相连接，第二低通滤波器的输出端与发射天线相连接。
所述信号调理电路包括第三低通滤波器、宽带增益可变放大器及宽带低噪声放大器，接收天线与宽带低噪声放大器的输入端相连接，宽带低噪声放大器的输出端与宽带可调增益放大器的输入端相连接，宽带增益可变放大器的输出端与第三低通滤波器的输入端相连接。
所述信号采集电路包括模数转换器、第二处理器及存储器，第三低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连接，模数转换器的输出端与第二处理器的输入端相连接，第二处理器的输出端与存储器的输入端相连接，存储器的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达在工作时，通过超宽带OFDM信号源发出相对带宽高达100％的超宽带正交频分复用信号，所述超宽带正交频分复用信号通过功率放大及滤波电路处理后通过发射天线发出到地下，接收天线接收反射回来的信号，并通过信号调理电路及信号采集电路进行处理后输出的外接设备中，从而实现雷达的探地，另外，本发明首次采用超宽带正交频分复用信号作为探地信号进行探地，分辨率及发射的平均功率得到大幅的提高，并且降低探地雷达的成本及体积，可使用的天线范围广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中发射机1的结构示意图；
图3为本发明中接收机2的结构示意图；
图4为本发明中超宽带OFDM信号源3的结构示意图；
图5为本发明中功率放大及滤波电路4的结构示意图；
图6为本发明中信号调理电路6的结构示意图；
图7为本发明中信号采集电路5的结构示意图；
图8为本发明发出的超宽带正交频分复用信号的示意图。
其中，1为发射机、2为接收机、3为超宽带OFDM信号源、4为功率放大及滤波电路、5为信号采集电路、6为信号调理电路、7为第一处理器、8为正交上变频器、9为第一低通滤波器、10为宽带功率电路、11为宽带可调增益放大器、12为功率放大器、13为第二低通滤波器、14为第三低通滤波器、15为宽带增益可变放大器、16为宽带低噪声放大器、17为模数转换器、18为第二处理器、19为存储器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8，本发明所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达包括发射天线、接收天线、用于发射超宽带正交频分复用信号的发射机1、以及用于进行信号的接收及处理的接收机2；发射机1包括超宽带OFDM信号源3及功率放大及滤波电路4，超宽带OFDM信号源3的输出端与功率放大及滤波电路4的输入端相连接，功率放大及滤波电路4的输出端与发射天线相连接；接收机2包括信号调理电路6、信号采集电路5以及用于与外接设备相连接的数据接口，接收天线与信号调理电路6的输入端相连接，信号调理电路6的输出端与信号采集电路5的输入端相连接，信号采集电路5的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
需要说明的是，所述超宽带OFDM信号源3包括第一处理器7、正交上变频器8及第一低通滤波器9，第一处理器7的输出端与正交上变频器8的控制端相连接，正交上变频器8的输出端与第一低通滤波器9的输入端相连接，第一低通滤波器9的输出端与功率放大及滤波电路4的输入端相连接；功率放大及滤波电路4包括宽带功率电路10、宽带可调增益放大器11、功率放大器12及第二低通滤波器13，第一低通滤波器9的输出端与宽带功率电路10的输入端相连接，宽带功率电路10的输出端与宽带可调增益放大器11的输入端相连接，宽带可调增益放大器11的输出端与功率放大器12的输入端相连接，功率放大器12的输出端与第二低通滤波器13的输入端相连接，第二低通滤波器13的输出端与发射天线相连接；信号调理电路6包括第三低通滤波器14、宽带增益可变放大器15及宽带低噪声放大器16，接收天线与宽带低噪声放大器16的输入端相连接，宽带低噪声放大器16的输出端与宽带可调增益放大器11的输入端相连接，宽带增益可变放大器15的输出端与第三低通滤波器14的输入端相连接；信号采集电路5包括模数转换器17、第二处理器18及存储器19，第三低通滤波器14的输出端与模数转换器17的输入端相连接，模数转换器17的输出端与第二处理器18的输入端相连接，第二处理器18的输出端与存储器19的输入端相连接，存储器19的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
本发明的具体工作过程为：
第一处理器7发出包络信号，并将所述包络信号存储到正交上变频器8中，并配置正交上变频器8的工作模式，正交上变频器8读取内部存储器内的包络信息，自动发出超宽带正交频分复用信号，所述超宽带正交频分复用信号经第一低通滤波器9低通滤波滤除谐波后再经宽带功率电路10、宽带可调增益放大器11及功率放大器12进行三级放大，三级放大后的超宽带正交频分复用信号经第二低通滤波器13低通滤波后通过发射天线发出到地下；经第一低通滤波器9保证后面三级放大的线性度，通过第二低通滤波器13滤除由于三级放大的非线性造成的高次谐波。接收天线接收直达波与反射波信号，然后将接收到的信号转发至接收机2上，宽带低噪声放大器16及宽带增益可变放大器15对接收天线接收到的信号依次进行处理后，将接收的信号转发至第三低通滤波器14中，所述接收的信号再经第三低通滤波器14低通滤波处理、模数转换器17模数转换后通过第二处理器18存储到存储器19中；其中，信号调理电路6处理对接收的信号放大至合适的电平，使模数转换器17的精度最大可能的利用，第三低通滤波器14提供抗混叠功能。

Claims (5)

1.一种利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，其特征在于，包括发射天线、接收天线、用于发射超宽带正交频分复用信号的发射机(1)、以及用于进行信号的接收及处理的接收机(2)；
所述发射机(1)包括超宽带OFDM信号源(3)及功率放大及滤波电路(4)，超宽带OFDM信号源(3)的输出端与功率放大及滤波电路(4)的输入端相连接，功率放大及滤波电路(4)的输出端与发射天线相连接；
所述接收机(2)包括信号调理电路(6)、信号采集电路(5)以及用于与外接设备相连接的数据接口，接收天线与信号调理电路(6)的输入端相连接，信号调理电路(6)的输出端与信号采集电路(5)的输入端相连接，信号采集电路(5)的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
2.根据权利要求1所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，其特征在于，所述超宽带OFDM信号源(3)包括第一处理器(7)、正交上变频器(8)及第一低通滤波器(9)，第一处理器(7)的输出端与正交上变频器(8)的控制端相连接，正交上变频器(8)的输出端与第一低通滤波器(9)的输入端相连接，第一低通滤波器(9)的输出端与功率放大及滤波电路(4)的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，其特征在于，所述功率放大及滤波电路(4)包括宽带功率电路(10)、宽带可调增益放大器(11)、功率放大器(12)及第二低通滤波器(13)，第一低通滤波器(9)的输出端与宽带功率电路(10)的输入端相连接，宽带功率电路(10)的输出端与宽带可调增益放大器(11)的输入端相连接，宽带可调增益放大器(11)的输出端与功率放大器(12)的输入端相连接，功率放大器(12)的输出端与第二低通滤波器(13)的输入端相连接，第二低通滤波器(13)的输出端与发射天线相连接。
4.根据权利要求3所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，其特征在于，所述信号调理电路(6)包括第三低通滤波器(14)、宽带增益可变放大器(15)及宽带低噪声放大器(16)，接收天线与宽带低噪声放大器(16)的输入端相连接，宽带低噪声放大器(16)的输出端与宽带可调增益放大器(11)的输入端相连接，宽带增益可变放大器(15)的输出端与第三低通滤波器(14)的输入端相连接。
5.根据权利要求4所述的利用超宽带正交频分复用信号的探地雷达，其特征在于，所述信号采集电路(5)包括模数转换器(17)、第二处理器(18)及存储器(19)，第三低通滤波器(14)的输出端与模数转换器(17)的输入端相连接，模数转换器(17)的输出端与第二处理器(18)的输入端相连接，第二处理器(18)的输出端与存储器(19)的输入端相连接，存储器(19)的输出端通过数据接口与外接设备相连接。
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