CN109507644B - 大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法和电路，属于探地技术领域，方法包括，以雷达探测脉冲的触发信号为基准，产生延时采样脉冲序列；采用延时采样脉冲序列，对回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；采用延时采样脉冲序列，对回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号；其中延时采样脉冲序列为相对于触发信号依次后延的步进脉冲序列或为相对于触发信号后延时间可调的脉冲序列。本发明对探地雷达的延时电路设计进行了简化，实现延时调整，方便匹配不同频段的探地雷达回波信号，同时满足了高等效采样率的要求和深层探测的宽时窗要求，适合应用到探地雷达等效采样当中。

Description

大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法和电路

技术领域

本发明涉及探地技术领域，尤其是一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法和电路。

背景技术

探地雷达大多采用无载频冲激体制，以目前的技术水平，直接对纳秒量级的窄脉冲进行实时采样需要昂贵的超高速模数转换芯片以及存储器，因此工程实现上一般按照等效采样原理进行等效采样。

目前在探地雷达中比较常用的延时系统是快慢斜波比较式时序电路，该电路主要由快斜波电路、阶梯波电路和高速比较器组成，这种方式的定时精度和稳定性依赖于外部的电容，尽管可以采用高质量的电容，但是其性能指标仍然达不够理想，且在一定的延时精度时，要获得更宽的采样时窗必须增加电路规模，容易导致系统的复杂化，且对于延时时间的控制也不够灵活，不能自由的选择延时时间进行输出，这些因素限制了其在深层探测领域的应用。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法和电路，解决传统探地雷达采样时窗较小的问题，并可应用于探地雷达对深层回波信号的采集，提高探测深度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法，包括，

以雷达探测脉冲的触发信号为基准，产生延时采样脉冲序列；

采用所述延时采样脉冲序列，对回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；

采用所述延时采样脉冲序列，对所述回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号；

所述延时采样脉冲序列，为相对于触发信号依次后延的步进脉冲序列或为相对于触发信号后延时间可调的脉冲序列。

进一步地，所述依次后延的步进脉冲序列的产生步骤，包括：

1)确定步进延时的起始点；

2)获取步进延时的延时控制字序列；

3)读取延时控制字序列的第一延时控制字，进行数字延时控制，产生第一延时步进量，在第一延时步进量后产生第一采样脉冲；

4)在第一采样脉冲后，顺序读取延时控制字序列的后续延时控制字，按照后续延时控制字所确定的延时步进量进行数字延时控制，依次向后延时，产生延时采样脉冲序列。

进一步地，对于与直达波信号邻近的采样脉冲，数字延时控制的采样延时步进量大，对于与目标信号邻近的采样脉冲，数字延时控制的采样延时步进量小。

进一步地，所述后延时间可调的脉冲序列的产生步骤，包括：

1)确定时延的起始点；

2)获取可调延时的延时控制字；

3)按照所述延时控制字，重复进行数字延时控制，产生可调延时间隔的采样脉冲序列。

进一步地，所述延时控制字包括粗延时控制字和精延时控制字；

所述数字延时控制包括粗数字延时控制和精数字延时控制；

首先，通过粗延时控制字进行粗数字延时控制，产生粗延时时间；

其次，通过精延时控制字进行精数字延时控制，产生精延时时间；

最后，将粗延时时间与精延时时间进行叠加，得到最终的数字延时时间。

一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样电路，包括延时采样脉冲生成模块和采样处理模块；

所述延时采样脉冲生成模块，以雷达探测脉冲的触发信号为基准，输出延时采样脉冲序列；一方面到信号增益控制模块，用于对接收的回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；另一方面输出到采样处理模块；

所述采样处理模块，在延时采样脉冲序列的控制下，对所述回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号；

所述延时采样脉冲生成模块，在输入指令的控制下，输出的所述采样脉冲序列为依次后延的步进脉冲序列、或后延时间可调的脉冲序列。

进一步地，延时采样脉冲生成模块包括，脉冲序列样式控制模块、延时控制字生成模块和数字延时模块；

所述延时控制字生成模块与数字延时模块连接，用于输出延时控制字到数字延时模块；

所述数字延时模块受雷达探测脉冲触发信号的触发，用于在所述延时控制字的控制下，产生延时采样脉冲序列；

所述脉冲序列样式控制模块与所述延时控制字生成模块连接，用于根据输入的延时脉冲序列样式指令，控制延时控制字生成模块生成依次后延的延时控制字序列或后延时间可调的延时控制字序列。

进一步地，所述延时控制字生成模块生成的每个延时控制字包括粗延时控制字和精延时控制字，分别用于进行粗延时控制和精延时控制。

进一步地，所述数字延时模块包括粗数字延时模块和精数字延时模块；

所述粗数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的粗延时控制字的控制下，产生纳秒级的延时，延时总时间为微秒级，保证延时等效采样电路的时窗；

所述精数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的精延时控制字的控制下，产生皮秒级的延时，延时总时间为纳秒级，保证等效采样电路的延时精度。

进一步地，所述采样处理模块包括采保模块、模数转换延时模块和模数转换模块；

所述采保模块，用于在所述精数字延时模块输出的延时采样脉冲序列的触发下，对所述回波放大信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换模块，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字化回波信号。

所述模数转换延时模块，用于对延时采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换模块，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

本发明有益效果如下：

本发明通过数字延时方法，解决传统探地雷达采样时窗较小的问题，应用于探地雷达对深层回波信号的采集，提高探测深度；

对探地雷达的延时电路设计进行了简化，能够方便的实现延时调整，并且可配置为多种时延间隔的等效采样方法，方便匹配不同频段的探地雷达回波信号，同时满足了高等效采样率的要求和深层探测的宽时窗要求，适合应用到探地雷达等效采样当中。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实施例中的延时等效采样方法流程图；

图2为本实施例中的延时等效采样电路组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样方法，如图1所述包括，

步骤S101、以雷达探测脉冲的触发信号为基准，产生延时采样脉冲序列；

所述延时采样脉冲序列相对于触发信号的延时受控，为依次后延的步进脉冲序列或为后延时间固定的脉冲序列。

步骤S102、采用所述延时采样脉冲序列对回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；

所述增益受控放大控制，以采样脉冲相对触发信号的延时为基础控制回波信号的放大量，采样脉冲相对触发信号的延时时间越长，放大增益越大；

以符合探地雷达目标信号随地层深度的增加幅度减小的特点，实现在大信号时使用小的增益放大倍数，在小信号时使用大的增益放大倍数，提高了采样前端的动态范围，保证了采样前端的灵敏度，大大提高探地雷达的探测深度。

步骤S103、采用所述延时采样脉冲序列对所述回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号。

具体的，通过所述延时采样脉冲序列对回波放大信号的采样时间进行控制，采样后进行适当时间的保持得到采样后的模拟回波信号；

对采样后的模拟回波信号进行模数转换输出数字化回波信号；

通过将所述延时采样脉冲序列进行适当的延迟后对模数转换的时序进行控制，使模数转换过程与采样保持后的模拟回波信号同步，避免了干扰信号对模数转换的影响。由于，探地雷达的回波信号包括直达波信号和目标信号，在目标信号地层不明的情况下，可以采用依次后延的步进脉冲序列作为采样脉冲，对回波信号进行延时由小到大的采样处理，实现对地层由浅到深的搜索，从而采样到目标信号，用于后续的信号处理。

具体的，依次后延的步进脉冲序列的产生步骤包括：

1)确定步进延时的起始点；

2)获取步进延时的延时控制字序列；

3)读取延时控制字序列的第一延时控制字，进行数字延时控制，产生第一延时步进量，在第一延时步进量后产生第一采样脉冲；

4)在第一采样脉冲后，顺序读取延时控制字序列的后续延时控制字，按照后续延时控制字所确定的延时步进量进行数字延时控制，依次向后延时，产生延时采样脉冲序列。

特殊的，由于在直达波信号附近会有很多的干扰信号，为了避免干扰信号的影响，且加快采样速率，减小采样数据量；本实施例，对于与直达波信号邻近的采样脉冲，采样延时步进量大，对于与目标信号邻近的采样脉冲，采样延时步进量小。

对于，事先已经进行底层预测或通过其他方法预测到目标底层深度时，为了对采集微弱信号进行更好的接收处理，可以在设定的延时位置重复采样，即采用后延时间可调的脉冲序列重复采样，利用过采样原理提高模数采集波形的信噪比，提高了采样效率。所述后延时间可调延时脉冲序列可以根据设定的点进行调整，浅层的点稀疏，底层深度的采样点密集。

具体的，所述后延时间可调的脉冲序列的产生步骤包括：

1)确定时延的起始点；

2)获取可调延时的延时控制字；

3)按照所述延时控制字，重复进行数字延时控制，产生可调延时间隔的采样脉冲序列。

为了即满足高等效采样率的要求和深层探测的宽时窗要求，本实施例的所述数字延时控制包括粗数字延时控制和精数字延时控制；用于对数字延时控制进行粗数字延时控制和精数字延时控制；

具体的，

首先，通过粗延时控制字进行粗数字延时控制，产生粗延时时间；

粗延时时间的步进为5ns，粗延时控制字为8位控制信号，总延时时间为1275ns；

其次，通过精延时控制字进行精数字延时控制，产生精延时时间；

精延时时间的步进为10ps，精延时控制字为10位控制信号，总延时时间为10230ps；

最后，将粗延时时间与精延时时间进行叠加，得到最终的数字延时时间。

以此输出的延时采样脉冲系列，既能够实现等效采样宽延时时窗要求，又能够提供高等效采样率，保证采样的精度。

本实施例还公开了一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样电路，如图2所示，包括延时采样脉冲生成模块和采样处理模块；

所述延时采样脉冲生成模块，以雷达探测脉冲的触发信号为基准，输出延时采样脉冲序列；一方面到信号增益控制模块，用于对接收的回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；另一方面输出到采样处理模块；

所述采样处理模块，在延时采样脉冲序列的控制下，对所述回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号；

所述延时采样脉冲生成模块，在输入指令的控制下，输出的所述采样脉冲序列为依次后延的步进脉冲序列、或后延时间可调的脉冲序列。

具体的，延时采样脉冲生成模块包括，脉冲序列样式控制模块、延时控制字生成模块和数字延时模块；

所述延时控制字生成模块与数字延时模块连接，用于输出延时控制字到数字延时模块；

所述数字延时模块受雷达探测脉冲触发信号的触发，用于在所述延时控制字的控制下，产生延时采样脉冲序列；

所述脉冲序列样式控制模块与所述延时控制字生成模块连接，用于根据输入的延时脉冲序列样式指令，控制延时控制字生成模块生成依次后延的延时控制字序列或后延时间可调的延时控制字序列。

具体的，所述延时控制字生成模块生成的每个延时控制字包括粗延时控制字和精延时控制字，分别用于进行粗延时控制和精延时控制。

所述粗延时控制字为8位控制信号；所述精延时控制字为10位控制信号。

具体的，所述数字延时模块包括粗数字延时模块和精数字延时模块；

所述粗数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的粗延时控制字的控制下，产生纳秒级的延时，延时总时间为微秒级，保证延时等效采样电路的时窗；例如，粗延时时间的步进为5ns，总延时时间为1275ns；

所述精数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的精延时控制字的控制下，产生皮秒级的延时，延时总时间为纳秒级，保证等效采样电路的延时精度；例如精延时时间的步进为10ps，精总延时时间为10230ps。

所述粗延时控制字和精延时控制字，分别通过并口对所述粗数字延时模块与所述精数字延时模块的延时时间进行配置，通过选择不同的粗延时控制字和精延时控制字即可实现多种等效采样率。

所述数字延时模块的时钟可为雷达探测脉冲的触发信号，或雷达主控单元产生的与探测脉冲的触发信号同源的定时器提供信号，不需要专门的高精度时钟电路，简化了电路的复杂程度，提高了电路的可靠性。

具体的，所述采样处理模块包括采保模块、模数转换延时模块和模数转换模块；

所述采保模块，用于在所述精数字延时模块输出的延时采样脉冲序列的触发下，对所述回波放大信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换模块，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字化回波信号。

所述模数转换延时模块，用于对延时采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换模块，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

所述信号增益控制模块，包括增益调整电路和可控增益放大电路；

所述增益调整电路，在所述采样脉冲的控制下，产生受控增益信号输出到可控增益放大电路；具体的，以采样脉冲相对触发信号的延时为基础产生受控增益信号，采样脉冲相对触发信号的延时时间越长，增益越大；

所述可控增益放大电路，用于在受控增益信号的控制下，对探地雷达采样前端低噪声放大电路放大后的回波信号，进行受控增益放大，输出增益受控的回波放大信号。

本发明实施例通过数字延时方法，解决传统探地雷达采样时窗较小的问题，应用于探地雷达对深层回波信号的采集，提高探测深度；

对探地雷达的延时电路设计进行了简化，能够方便的实现延时调整，并且可配置为多种时延间隔的等效采样方法，方便匹配不同频段的探地雷达回波信号，同时满足了高等效采样率的要求和深层探测的宽时窗要求，适合应用到探地雷达等效采样当中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种大动态探地雷达采样前端延时等效采样电路，其特征在于，包括延时采样脉冲生成模块和采样处理模块；

所述延时采样脉冲生成模块，以雷达探测脉冲的触发信号为基准，输出延时采样脉冲序列；一方面到信号增益控制模块，用于对接收的回波信号进行增益受控放大控制，得到增益受控的回波放大信号；另一方面输出到采样处理模块；

所述采样处理模块，在采样脉冲序列的控制下，用于对所述回波放大信号进行采样时间控制和数字化处理，得到数字化回波信号；

所述延时采样脉冲生成模块，在输入指令的控制下，输出的所述采样脉冲序列为依次后延的步进脉冲序列、或后延时间固定的脉冲序列；

延时采样脉冲生成模块包括，脉冲序列样式控制模块、延时控制字生成模块和数字延时模块；

所述延时控制字生成模块与数字延时模块连接，用于输出延时控制字到数字延时模块；

所述数字延时模块受雷达探测脉冲触发信号的触发，用于在所述延时控制字的控制下，产生延时采样脉冲序列；

所述脉冲序列样式控制模块与所述延时控制字生成模块连接，用于根据输入的延时脉冲序列样式指令，控制延时控制字生成模块生成依次后延的延时控制字序列或后延时间可调的延时控制字序列；

在目标信号地层不明的情况下，采用依次后延的步进脉冲序列作为采样脉冲，对回波信号进行延时由小到大的采样处理，实现对地层由浅到深的搜索，从而采样到目标信号，用于后续的信号处理；

对于与直达波信号邻近的采样脉冲，数字延时控制的采样延时步进量大，对于与目标信号邻近的采样脉冲，数字延时控制的采样延时步进量小；

在事先已经进行地层预测得到目标地层深度的情况下，采用后延时间可调的脉冲序列进行重复采样，利用过采样来提高模数采集波形的信噪比；所述后延时间可调延时脉冲序列根据设定的地层点进行调整，浅层的采样点稀疏，深层的采样点密集；

所述延时控制字生成模块生成的每个延时控制字包括粗延时控制字和精延时控制字，分别用于进行粗延时控制和精延时控制；所述数字延时模块包括粗数字延时模块和精数字延时模块；

所述粗数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的粗延时控制字的控制下，产生纳秒级的延时，延时总时间为微秒级，保证延时等效采样电路的时窗；

所述精数字延时模块，用于在所述延时控制字生成模块输出的精延时控制字的控制下，产生皮秒级的延时，延时总时间为纳秒级，保证等效采样电路的延时精度；

所述粗延时控制字和精延时控制字，分别通过并口对所述粗数字延时模块与所述精数字延时模块的延时时间进行配置，通过选择不同的粗延时控制字和精延时控制字实现多种等效采样率；

所述数字延时模块的时钟为雷达主控单元产生的与探测脉冲的触发信号同源的定时器提供信号；

所述采样处理模块包括采保模块、模数转换延时模块和模数转换模块；

所述采保模块，用于在精数字延时模块输出的延时采样脉冲序列的触发下，对所述回波放大信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换模块，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字化回波信号；

所述模数转换延时模块，用于对延时采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换模块，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

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