CN105911526B - 一种井中雷达时域接收机前端 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种井中雷达时域接收机前端，井中雷达测井系统的硬件组成单元。本发明提供的井中雷达时域接收机前端，通道选择连接多路接收天线实现资源复用，串并转换精简控制信号位数，增益控制单元提供了‑31.5dB～60dB极大线性增益控制范围以及0.5dB极小增益步进，同时增益步进在0.5dB～10dB之间可调。大范围可调、小步进的增益控制方案可应用到所有输入信号变化范围极大的接收系统中。

Description

一种井中雷达时域接收机前端
应用领域
本发明属于井中雷达测井系统的硬件组成单元，主要在多路接收天线后端对信号进行线性处理，输出单路射频信号供给后续数据采集单元。
背景技术
随着世界范围内能源资源的不断消耗，石油勘探与开采的难度日益增大，试错成本越来越高，迫切需要一种高精确度高效率的测井方法。井中雷达测井系统是将钻孔雷达应用于石油测井的产物，其工作机理是借助电磁波在地下土壤与岩层中传播进而探测电磁特性不连续的地质异常，在获得高分辨率的同时，可达到井周3～10m的探测距离，相较于传统测井方法2～3m的探测距离更远，因此引发各国争相研究。
目前绝大多数的钻孔雷达都属于冲击脉冲体制，这种雷达对外辐射功率极高的纳秒级甚至皮秒级的时域窄脉冲，遇到电磁特性不连续的地下介质时反射特性或者传输特性发射变化，最终在从反射波或者传输波的时域波形中提取目标信息。通常通过单个发射天线、多个接收天线组阵的方式来实现目标的定位，地下介质对于雷达波的衰减最大可达100dB，输入信号变化范围极大。接收机作为雷达系统接收处理信号的重要单元，极大地影响整个系统的性能，因此需要结合上述雷达特征针对性地设计接收机。
发明内容
本发明主要针对冲击脉冲体制的定向钻孔雷达多路接收天线信号需处理、回波信号变化范围极大的特征，设计了一款具有多通道选择、极大线性增益控制范围、极小增益步进的时域接收机前端。
本发明采用的技术方案为：
一种井中雷达时域接收机前端，包括：限幅器、通道选择器、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器、串并转换模块；所述限幅器、通道选择、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器依次级联组成射频链路；所述串并转换模块将输入的串行控制信号转换为11路并行控制信号，其中的两路信号控制通道选择器进行通道选择；一路信号控制输入级低噪声放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断，输入级低噪声放大器对通过信号执行放大则同时接通电源，若不放大则断开电源；一路信号控制中间级高增益放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断；六路信号控制数字步进衰减器对通过信号衰减的幅度；一路信号控制输出级放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断。
进一步的，所述输入级低噪声放大器为20dB低噪声放大器，中间级高增益放大器为30dB放大器，数字步进衰减器为6位电阻式可调衰减器，输出级放大器为10dB放大器；其中6位数字步进衰减器的6档衰减量分别为16dB、8dB、4dB、2dB、1dB、0.5dB。
进一步的，所述通道选择器对四路输入信号随意选择并轮询处理。
进一步的，所述井中雷达时域接收机前端从纳秒级瞬态脉冲时域波形中提取目标信息。
有益效果：本发明提供的井中雷达时域接收机前端，通道选择连接多路接收天线实现资源复用，串并转换精简控制信号位数，增益控制单元提供了-31.5dB～60dB极大线性增益控制范围以及0.5dB极小增益步进，同时增益步进在0.5dB～10dB之间可调。大范围可调、小步进的增益控制方案可应用到所有输入信号变化范围极大的接收系统中。
附图说明
图1接收机前端结构示意图。
图2接收机前端系统设计图。
图3数字步进衰减器结构图。
具体实施方式
如图1所示为接收机前端的结构示意图。所述接收机前端包括限幅器、通道选择、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器、串并转换、逻辑变换、电源控制；所述限幅器、通道选择、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器依次级联组成射频链路；所述串并转换与电源控制与射频链路相连，对射频链路状态进行控制。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述接收机前端从纳秒级瞬态脉冲时域波形中提取目标信息。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述限幅器对幅度超限的信号具有削峰作用，对所述接收机前端起保护作用。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述通道选择对四路输入信号随意选择并轮询处理。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器组成增益控制单元。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述增益控制单元可实现线性增益控制范围-31.5dB～60dB，最小增益步进0.5dB。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述增益控制单元的增益步进值在0.5dB～10dB之间可调。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述串并转换仅用1位信号线实现11位控制信号的输入。
所述的井中雷达时域接收机前端，其特征在于：所述电源控制在相应器件不工作时停止供电。
如图2所示为接收机前端系统设计图。限幅器为并联型电压限幅器，对过大的输入信号削峰处理，保护后续单元不过载。通道选择由SP4T开关实现，该单元需要C1、C2两位信号控制四个通道间的切换。
低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器各自与一组SPDT开关构成四级增益基元，最终组合成增益控制单元，增益控制单元是该接收机前端的核心部分。各级增益基元的有效增益器件分别为20dB低噪声放大器、30dB放大器、6位数字步进衰减器、10dB放大器，各级增益基元可在直通与有效增益器件两种状态间切换，进而调整增益。
本发明的接收机前端可实现-31.5dB～60dB线性增益控制范围，既满足大信号的衰减需要，又满足小信号的放大需求。
各级增益基元在直通状态时切断有效增益器件的电源供应以减少耗能产热，启用有效增益器件则提供电源。低噪声放大器、中间级高增益放大器、输出级放大器三级增益基元各自的有效增益器件电源导通/断开两种状态分别由一位信号控制切换，对应为C3、C4、C11，该信号同时控制对应的一组SPDT开关在两个链路通道间的切换。
数字步进衰减器是增益调整的关键所在，6档衰减量分别为16dB、8dB、4dB、2dB、1dB、0.5dB，选用的最小衰减量决定了接收机前端的增益步进，因此本发明的接收机前端增益步进在0.5dB～10dB间可调。数字步进衰减器6位控制信号直接控制对应的6档衰减量切换，通过不同的衰减组合可以调整衰减量，进而影响接收机前端的增益。数字步进衰减器的电源导通/断开需一位控制信号，该信号由C5～C10六位信号逻辑或得到，同时控制对应的一组SPDT开关在两个链路通道间的切换。
增益控制单元表面上分为四级增益基元，实质上数字步进衰减内含六级衰减，如图3所示，因此射频链路总共有9级可控基元，对应地需9位二进制增益控制信号；四通道切换需2位二进制控制信号。总共的11为控制信号由两片8位移位寄存器级联组成的16位移位寄存器串行输入、并行输出，减少系统外部走线。
该接收机前端外部输入+12V DC，内部芯片需要+5V DC，还设计有相应的+12V转换为+5V的DC-DC变换电路。

Claims (3)

1.一种井中雷达时域接收机前端，包括：限幅器、通道选择器、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器、串并转换模块；所述限幅器、通道选择、输入级低噪声放大器、中间级高增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器依次级联组成射频链路；所述串并转换模块将输入的串行控制信号转换为11路并行控制信号，其中的两路信号控制通道选择器进行通道选择；一路信号控制输入级低噪声放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断，输入级低噪声放大器对通过信号执行放大则同时接通电源，若不放大则断开电源；一路信号控制中间级高增益放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断；六路信号控制数字步进衰减器对通过信号衰减的幅度；一路信号控制输出级放大器是否对通过的信号进行放大及其电源的通断；
所述井中雷达时域接收机前端从纳秒级瞬态脉冲时域波形中提取目标信息；所述井中雷达时域接收机前端提供了-31.5dB至60dB线性增益控制范围，最小增益步进为0.5dB。
2.如权利要求1所述的一种井中雷达时域接收机前端，其特征在于所述输入级低噪声放大器为20dB低噪声放大器，中间级高增益放大器为30dB放大器，数字步进衰减器为6位电阻式可调衰减器，输出级放大器为10dB放大器；其中6位数字步进衰减器的6档衰减量分别为16dB、8dB、4dB、2dB、1dB、0.5dB。
3.如权利要求1所述的一种井中雷达时域接收机前端，其特征在于所述通道选择器对四路输入信号随意选择并轮询处理。
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