CN112485787A - 一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种多通道超宽带多频阵列探地雷达控制系统，包括：用于收发多频雷达探测脉冲的多频天线阵列模块、用于控制多频天线阵列的天线阵时基控制模块、数据采集及预处理模块、数据成像处理模块、电源管理模块。系统采用多个不同频率的天线阵列设计，天线密度大，集成度高，能够高效地进行大面积区域扫描，同时完成不同深度的结构探测，探测速度快，数据采集效率高，测线间隔均匀，剖面数据一致性好，能够充分保证成像及探测效果。本发明还提供了该多通道超宽带多频阵列探地雷达控制系统的控制方法。

Description

一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统及控制方法

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，特别是指一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统及控制方法。

背景技术

超宽带雷达技术利用地下介质的电磁差异性来探测埋设目标，电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体时，如空洞、水、分界面时，电磁波便发生反射或散射，雷达控制系统根据接收回波信号的幅度、延时、形状及频谱特性等参数对接收到的电磁波进行信号处理和分析，可以解译出目标深度、介质结构及性质，从而完成隐蔽目标的成像与识别。

对于探测深度差别较大的目标检测领域，如公路探测领域的路基厚度及路基内部缺陷检测，既要满足高精度分辨率要求，也要满足探测深度的要求，此时需要使用不同频率的天线进行探测。传统的探地雷达控制系统采用单频率天线或者单频率天线阵进行探测，当探测深度发生较大变化时，需要更换相应频率的天线或天线阵对探测区域重复扫描，探测速度慢，效率较低，测线难于控制，不利于目标成像。

发明内容

本发明旨在提供一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达控制系统，采用多个不同频率的天线阵列设计，天线密度大，集成度高，能够高效地进行大面积区域扫描，同时完成不同深度的结构探测，探测速度快，数据采集效率高，测线间隔均匀，剖面数据一致性好，能够充分保证成像及探测效果。

本发明的技术方案是这样实现的：一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，包括：用于收发多频雷达探测脉冲的多频天线阵列模块、用于控制多频天线阵列的天线阵时基控制模块、数据采集及预处理模块、数据成像处理模块、电源管理模块；

多频天线阵模块包括由N个低频发射天线单元和N个低频接收天线单元组成的低频天线阵列、由N个中低频发射天线单元和N个中低频接收天线单元组成的中低频天线阵列、由N个中高频发射天线单元和N个中高频接收天线单元组成的中高频天线阵列、由N个高频发射天线单元和N个高频接收天线单元组成的高频天线阵列。

优选的，所述低频天线阵列、所述中低频天线阵列、所述中高频天线阵列、所述高频天线阵列布置在同一矩形平面板ABCD上；所述矩形平面板ABCD的左短边AD的中点为E，所述矩形平面板ABCD的右短边BC的中点为F，中点连线为EF；

所述N个低频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个低频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个低频发射天线单元与所述N个低频接收天线单元关于EF对称；

所述N个中低频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中低频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中低频发射天线单元与所述N个中低频接收天线单元关于EF对称；

所述N个中高频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中高频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中高频发射天线单元与所述N个中高频接收天线单元关于EF对称；

所述N个高频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个高频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个高频发射天线单元与所述N个高频接收天线单元关于EF对称。

优选的，所述N个低频发射天线单元从左到右依次为第1低频发射天线、第2低频发射天线、……、第N低频发射天线，所述N个低频接收天线单元从左到右依次为第1低频接收天线、第2低频接收天线、……、第N低频接收天线；第1低频发射天线与第1低频接收天线的连线中点为第1扫描点，第1低频发射天线与第2低频接收天线的连线中点为第2低频扫描点，第2低频发射天线与第2低频接收天线的连线中点为第3低频扫描点，第2低频发射天线与第3低频接收天线的连线中点为第4低频扫描点，……，第N-1低频发射天线与第N-1低频接收天线的连线中点为第2N-3低频扫描点，第N-1低频发射天线与第N低频接收天线的连线中点为第2N-2低频扫描点，第N低频发射天线与第N低频接收天线的连线中点为第2N-1低频扫描点；所述2N-1个低频扫描点构成低频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个中低频发射天线单元从左到右依次为第1中低频发射天线、第2中低频发射天线、……、第N中低频发射天线，所述N个中低频接收天线单元从左到右依次为第1中低频接收天线、第2中低频接收天线、……、第N中低频接收天线，所述中低频天线阵列包括2N-1个中低频扫描点；所述2N-1个中低频扫描点构成中低频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个中高频发射天线单元从左到右依次为第1中高频发射天线、第2中高频发射天线、……、第N中高频发射天线，所述N个中高频接收天线单元从左到右依次为第1中高频接收天线、第2中高频接收天线、……、第N中高频接收天线，所述中高频天线阵列包括2N-1个中高频扫描点；所述2N-1个中高频扫描点构成中高频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个高频发射天线单元从左到右依次为第1高频发射天线、第2高发射天线、……、第N高频发射天线，所述N个高频接收天线单元从左到右依次为第1高频接收天线、第2高频接收天线、……、第N高频接收天线，所述高频天线阵列包括2N-1个高频扫描点；所述2N-1个高频扫描点构成高频扫描线。

优选的，所述第i低频扫描点、所述第i中低频扫描点、所述第i中高频扫描点、所述第i高频扫描点，其相互间距不超过0.1m，i＝{1,2，……，N}。

优选的，所述低频发射天线单元、所述中低频发射天线单元、所述中高频发射天线单元、所述高频发射天线单元，均包括发射单元，所述发射单元采用放大电路通过阶跃产生快沿高幅度脉冲，所述发射单元包括运算放大器、射频三极管。

优选的，所述低频接收天线单元、所述中低频接收天线单元、所述中高频接收天线单元、所述高频接收天线单元，均包括接收单元，所述接收单元包括阶跃电路、取样门电路、保持放大电路和入端匹配电路。

优选的，所述天线阵时基控制模块，包括高精度时序控制单元、高频率开关切换单元；所述高精度时序控制单元产生发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲、数据采集控制脉冲；所述高频率开关切换单元用于接收发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲，并实现各个天线的选通；

所述高精度时序控制单元还产生基频信号、4路异相基频信号；所述4路异相基频信号依次为异相基频信号1、异相基频信号2、异相基频信号3、异相基频信号4；所述异相基频信号1作为所述低频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号2作为所述中低频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号3作为所述中高频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号4作为所述高频接收天线阵列的同步控制时钟；

所述高精度时序控制单元包括CPLD芯片、延时控制电路；所述高精度时序控制单元采用低摆幅、快速的LVPECL主时钟。

优选的，所述基频信号为50％占空比的矩形脉冲信号；

所述异相基频信号1为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号1的起始沿与所述基频信号的第1脉冲上升沿对齐；

所述异相基频信号2为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号2的起始沿与所述基频信号的第1脉冲下降沿对齐；

所述异相基频信号3为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号3的起始沿与所述基频信号的第2脉冲上升沿对齐；

所述异相基频信号2为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号2的起始沿与所述基频信号的第2脉冲下降沿对齐。

优选的，所述数据采集及预处理模块，用于采集4个通道的回波数据并进行数据预处理，包括4通道回波数据采集单元、数据预处理单元以及数据传输单元；所述4通道回波数据采集单元，依次连接低频天线阵列、中低频天线阵列、中高频天线阵列、高频天线阵列；

所述数据成像处理模块，用于与数据采集及预处理模块进行数据通信、人机交互控制、数据成像、数据成像结果显示，包括计算机、网络通信模块；

所述电源管理模块用于产生系统所需各种电压，电源管理模块采取噪声抑制措施。

一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统的控制方法，包括：

所述天线阵时基控制模块通过所述4路异相基频信号，控制所述低频天线阵列、所述中低频天线阵列、所述中高频天线阵列、所述高频天线阵列依次工作；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述低频天线阵列依次扫描所述2N-1个低频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述中低频天线阵列依次扫描所述2N-1个中低频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述中高频天线阵列依次扫描所述2N-1个中高频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述高频天线阵列依次扫描所述2N-1个高频扫描点。

优选的，该控制方法包括：

步骤1.1，所述天线阵时基控制模块控制所述低频发射天线1、低频接收天线1工作，采集低频扫描点1的探测数据；

步骤1.2，所述天线阵时基控制模块控制所述中低频发射天线1、中低频接收天线1工作，采集中低频扫描点1的探测数据；

步骤1.3，所述天线阵时基控制模块控制所述中高频发射天线1、中高频接收天线1工作，采集中高频扫描点1的探测数据；

步骤1.4，所述天线阵时基控制模块控制所述高频发射天线1、高频接收天线1工作，采集高频扫描点1的探测数据；

步骤2.1，所述天线阵时基控制模块控制所述低频发射天线1、低频接收天线2工作，采集低频扫描点2的探测数据；

步骤2.2，所述天线阵时基控制模块控制所述中低频发射天线1、中低频接收天线2工作，采集中低频扫描点2的探测数据；

步骤2.3，所述天线阵时基控制模块控制所述中高频发射天线1、中高频接收天线2工作，采集中高频扫描点2的探测数据；

步骤2.4，所述天线阵时基控制模块控制所述高频发射天线2、高频接收天线2工作，采集高频扫描点1的探测数据；

步骤3，与步骤1.1～步骤1.4相似，所述天线阵时基控制模块控制相应天线工作，采集低频扫描点3、中低频扫描点3、中高频扫描点3、高频扫描点3数据；

步骤4，与步骤2.1～步骤2.4相似，所述天线阵时基控制模块控制相应天线工作，采集低频扫描点4、中低频扫描点4、中高频扫描点4、高频扫描点4数据；

……

步骤2N-1，与步骤1.1～步骤1.4相似，所述天线阵时基控制模块控制相应天线工作，采集低频扫描点2N-1、中低频扫描点2N-1、中高频扫描点2N-1、高频扫描点2N-1数据，完成一个工作周期。

本发明的有益效果：

提供一种混频天线阵列的摆阵方式，同时提供一种多通道混频天线阵列探地雷达控制系统设计方法。在不同探测深度的情况下，既能满足高分辨率要求，也能确保探测深度要求，克服了单一频率天线阵系统的不足，集成度高，探测速度快，采集效率高，剖面数据一致性好，能够充分保证成像及探测效果。

不同频率的多个天线阵进行扫描，可大大减少目标的漏判误判，对目标体的识别成像有着最佳的探测效果。

多种频率天线阵列之间采用相位交错并联工作方式，同一天线阵列之间采用串联工作方式，时序电路采用抖动较小的LVPECL芯片，确保各时序时间严格同步，能够有效避免各通道之间的相互干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统框图；

图2为本发明实施例中的天线示意图；

图3为本发明实施例中的不同频率的天线阵控制时序图；

图4为本发明实施例中的同频天线阵列扫描控制时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括多频天线阵模块、天线阵时基控制模块、数据采集及预处理模块、数据成像处理模块和电源管理模块。多频天线阵模块设计由4种不同频率的天线阵组成，其中低频天线阵用于深层探测，中低频天线阵用于中层目标探测，中高频天线阵用于中浅层目标探测，高频天线阵用于浅层结构探测。天线阵时基控制模块是雷达系统的关键技术模块，意在产生高精度时序基础上，控制高频率开关切换，以实现各个天线的选通，包括高精度时序控制单元，高频率开关切换单元。天线阵时基控制模块产生4路阵列时序控制信号分别控制4种不同频率的天线阵。阵列时序控制信号主要包含：发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲，以及异相时基信号。天线阵时基控制模块通过UART口接收数据采集及处理模块发送的多路雷达控制参数。数据采集及预处理模块主要完成4个通道回波的数据采集、预处理及数据传输功能，4个通道与4种不同频率的天线阵一一对应。数据采集及预处理模块由4通道的数据采集单元、数据预处理单元以及数据传输单元组成。数据采集受天线阵时基控制模块产生的采集同步信号控制。数据预处理单元主要完成数据的通道分解、零点校准、滤波等算法的实时处理，以及去背景、自动增益、克西霍夫偏移及希尔伯特变换等算法的预处理。数据传输单元通过网口与数据成像处理模块通信。数据成像处理模块主要由一台计算机组成，用以实现探地雷达系统的人机交互控制、数据成像及结果显示功能。

如图2所示，多频天线阵模块设计由4种不同频率的天线阵组成。每种频率的天线阵包含同频多发多收形成的发射单元和接收单元。不同频率的几种天线阵采用行交错摆阵方式，低频在外，高频在内；同一频率的天线阵进行一字型排列，用串联线将天线串联起来，形成一个天线阵列。4种天线阵列布置在同一矩形平面板ABCD上。矩形平面板ABCD的短边AD的中点为E，短边BC的中点为F，中点连线为EF，EF将ABCD分为上半面ABFE和下半面EFCD。所有频率的发射天线单元均位于上半面ABFE上，所有频率的接收天线单元位于下半面EFCD上。同一频率的发射天线单元构成与EF平行的均匀线阵，同一频率的接收天线单元也构成与EF平行的均匀线阵；收发天线关于EF对称分布。以低频为例，第1低频发射天线～第6低频发射天线从左到右依次排列，第1低频接收天线～第6低频接收天线从左到右依次排列。第i低频发射天线与第i低频接收天线的连线中点为第2i-1扫描点，第i低频发射天线与第i+1低频接收天线的连线中点为第2i低频扫描点，11个低频扫描点构成低频扫描线，位于EF上。相同序号不同频率的扫描点位置相差不大，准确的说：第i低频扫描点、第i中低频扫描点、第i中高频扫描点、第i高频扫描点，其相互间距不超过0.1m，i＝{1,2，……，6}。也就是说，不同频率天线具有几乎相同的扫描线。发射单元采用放大电路通过阶跃产生快沿高幅度脉冲，利用运算放大器和射频三极管组成的射频放大电路替代雪崩三极管，形成高重复频率的脉冲源。接收单元是雷达系统的关键，考虑到所有的天线终端均为50欧姆，因此接口的入端电路必须采用50欧姆匹配进行设计，采用阶跃电路、取样门电路、保持放大电路和入端匹配电路最终形成低噪声接收机。在本实施例中，低频为160MHz，中低频为400MHz，中高频为800MHz，高频为1800MHz。

天线阵时基控制模块包括高精度时序控制单元，高频率开关切换单元。高精度时序控制单元由一片复杂可编程逻辑芯片CPLD和两路延时控制器组成，每路延时控制器通过开关切换均可实现双路参数的延时控制，此种设计可实现四种不同频率的延时控制。高精度时序控制单元，在CPLD芯片内完成各种控制功能，包括控制延时芯片、天线阵触发信号编码、控制雷达通道切换、采集同步等。电路采用低摆幅、快速的LVPECL主时钟，通过时钟分配和延时移位电路保证触发信号的数字可控。高频率开关切换单元由快速LVPECL芯片完成四路异频步进信号的切换，用于控制四种不同频率的天线阵列，其控制信号来源于CPLD的译码。

如图3所示，CPLD产生系统工作的基频信号，四种异频步进信号在系统基频信号的高低脉冲下采用相位交错并联工作方式。即基频信号第一个上升沿到来时，开关切换至低频天线阵；第一个下降沿到来时，开关切换至中低频天线阵列；第二个上升沿到来时，开关切换至中高频天线阵；第二个下降沿到来时，开关切换至高频天线阵列。为此，通过可编程延时电路产生了4路异相基频信号。异相基频信号为所述基频信号的2分频信号。异相基频信号1的起始沿与基频信号的第1脉冲上升沿对齐；异相基频信号2的起始沿与基频信号的第1脉冲下降沿对齐；异相基频信号3的起始沿与基频信号的第2脉冲上升沿对齐；异相基频信号2的起始沿与基频信号的第2脉冲下降沿对齐。这种控制方式使得在探测某个扫描点时，不同频率依次工作；在设计扫描时序时，不用再额外考虑多频转换。

如图4所示，每一种频率的步进信号控制一个天线阵列，阵列之间采用串联工作方式。即第1个采集帧同步信号到来时，开关切换至发射单元1和接收单元1；第2个采集帧同步信号到来时，开关切换至发射单元1和接收单元2；第3个采集帧同步信号到来时，开关切换至发射单元2和接收单元2；第4个采集帧同步信号到来时，开关切换至发射单元2和接收单元3；直至发射单元N和接收单元N，依次循环，形成2N-1道串行的回波信号。各时序在时间上与主时钟严格同步，能够有效避免各通道之间的相互干扰。步进信号仅考虑扫描点的变化，不用再额外考虑多频转换。步进信号通过简单的逻辑变换，产生发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲。

数据采集及预处理模块主要完成多个通道回波数据的采集、预处理及数据传输功能，由多通道回波数据采集单元、数据预处理单元以及数据传输单元组成。由于系统设计处理数据量大、数据处理相关性高，要求实时处理系统具有较大的存储空间以及强大的运算能力，采用一种基于FPGA和DSP的采集处理系统进行设计。多通道回波数据采集单元通过一片4路A/D芯片及外围驱动电路实现，混频阵列输出的四种不同频率的回波信号分别接入A/D的4个信号输入端，FPGA用以产生数据采集的控制时序，由于每个信号输入端同时包含N个通道的回波信号，数据量较大，设计时将采集的数据存放在FPGA的外围存储芯片DDR3中。数据预处理单元由FPGA、DSP及其外围存储芯片DDR3构成，FPGA负责主要完成数据的通道分解、零点校准、滤波等算法的实时处理，DSP负责完成数据的去背景、自动增益、克西霍夫偏移及希尔伯特变换等算法的预处理。数据传输单元采用88E1111网络芯片，自适应10M/100M以太网网络，预处理后的数据通过网口传输至数据成像处理模块。

数据成像处理模块由一台计算机组成，用以实现探地雷达系统的人机交互控制、数据成像及结果显示功能。通过网口将控制参数发送至数据采集及预处理模块，同时接收多通道雷达预处理数据，并将接收到预处理的数据进行数据融合、三维插值及切片处理，实现目标的成像处理。

电源管理模块给系统提供持续的、稳定的能量，并在故障发生时及时作出反应，避免或减少设备损失。电源接口输入范围为9V-32V，为了给系统提供稳定可靠的电压，将输入电压进行12V稳压处理，入口采取瞬态电压抑制二极管和压敏电阻用以抑制瞬变浪涌电压，对敏感的时基控制单元采取电源隔离和屏蔽的方式，以减少系统噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，包括：用于收发多频雷达探测脉冲的多频天线阵列模块、用于控制多频天线阵列的天线阵时基控制模块、数据采集及预处理模块、数据成像处理模块、电源管理模块；

多频天线阵模块包括由N个低频发射天线单元和N个低频接收天线单元组成的低频天线阵列、由N个中低频发射天线单元和N个中低频接收天线单元组成的中低频天线阵列、由N个中高频发射天线单元和N个中高频接收天线单元组成的中高频天线阵列、由N个高频发射天线单元和N个高频接收天线单元组成的高频天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，所述低频天线阵列、所述中低频天线阵列、所述中高频天线阵列、所述高频天线阵列布置在同一矩形平面板ABCD上；所述矩形平面板ABCD的左短边AD的中点为E，所述矩形平面板ABCD的右短边BC的中点为F，中点连线为EF；

所述N个低频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个低频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个低频发射天线单元与所述N个低频接收天线单元关于EF对称；

所述N个中低频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中低频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中低频发射天线单元与所述N个中低频接收天线单元关于EF对称；

所述N个中高频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中高频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个中高频发射天线单元与所述N个中高频接收天线单元关于EF对称；

所述N个高频发射天线单元位于上半面ABFE上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个高频接收天线单元位于下半面EFCD上，并构成与EF平行的均匀线阵；所述N个高频发射天线单元与所述N个高频接收天线单元关于EF对称。

3.根据权利要求2所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，所述N个低频发射天线单元从左到右依次为第1低频发射天线、第2低频发射天线、……、第N低频发射天线，所述N个低频接收天线单元从左到右依次为第1低频接收天线、第2低频接收天线、……、第N低频接收天线；第1低频发射天线与第1低频接收天线的连线中点为第1扫描点，第1低频发射天线与第2低频接收天线的连线中点为第2低频扫描点，第2低频发射天线与第2低频接收天线的连线中点为第3低频扫描点，第2低频发射天线与第3低频接收天线的连线中点为第4低频扫描点，……，第N-1低频发射天线与第N-1低频接收天线的连线中点为第2N-3低频扫描点，第N-1低频发射天线与第N低频接收天线的连线中点为第2N-2低频扫描点，第N低频发射天线与第N低频接收天线的连线中点为第2N-1低频扫描点；所述2N-1个低频扫描点构成低频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个中低频发射天线单元从左到右依次为第1中低频发射天线、第2中低频发射天线、……、第N中低频发射天线，所述N个中低频接收天线单元从左到右依次为第1中低频接收天线、第2中低频接收天线、……、第N中低频接收天线，所述中低频天线阵列包括2N-1个中低频扫描点；所述2N-1个中低频扫描点构成中低频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个中高频发射天线单元从左到右依次为第1中高频发射天线、第2中高频发射天线、……、第N中高频发射天线，所述N个中高频接收天线单元从左到右依次为第1中高频接收天线、第2中高频接收天线、……、第N中高频接收天线，所述中高频天线阵列包括2N-1个中高频扫描点；所述2N-1个中高频扫描点构成中高频扫描线；

与低频天线阵列相同，所述N个高频发射天线单元从左到右依次为第1高频发射天线、第2高发射天线、……、第N高频发射天线，所述N个高频接收天线单元从左到右依次为第1高频接收天线、第2高频接收天线、……、第N高频接收天线，所述高频天线阵列包括2N-1个高频扫描点；所述2N-1个高频扫描点构成高频扫描线。

4.根据权利要求3所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于：所述第i低频扫描点、所述第i中低频扫描点、所述第i中高频扫描点、所述第i高频扫描点，其相互间距不超过0.1m，i＝{1,2，……，N}。

5.根据权利要求2所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于：所述低频发射天线单元、所述中低频发射天线单元、所述中高频发射天线单元、所述高频发射天线单元，均包括发射单元，所述发射单元采用放大电路通过阶跃产生快沿高幅度脉冲，所述发射单元包括运算放大器、射频三极管。

6.根据权利要求2所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于：

所述低频接收天线单元、所述中低频接收天线单元、所述中高频接收天线单元、所述高频接收天线单元，均包括接收单元，所述接收单元包括阶跃电路、取样门电路、保持放大电路和入端匹配电路。

7.根据权利要求1所述的多一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，所述天线阵时基控制模块，包括高精度时序控制单元、高频率开关切换单元；所述高精度时序控制单元产生发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲、数据采集控制脉冲；所述高频率开关切换单元用于接收发射单元控制脉冲、接收单元控制脉冲，并实现各个天线的选通；

所述高精度时序控制单元还产生基频信号、4路异相基频信号；所述4路异相基频信号依次为异相基频信号1、异相基频信号2、异相基频信号3、异相基频信号4；所述异相基频信号1作为所述低频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号2作为所述中低频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号3作为所述中高频接收天线阵列的同步控制时钟，所述异相基频信号4作为所述高频接收天线阵列的同步控制时钟；

所述高精度时序控制单元包括CPLD芯片、延时控制电路；所述高精度时序控制单元采用低摆幅、快速的LVPECL主时钟。

8.根据权利要求7所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于，所述基频信号为50％占空比的矩形脉冲信号；

所述异相基频信号1为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号1的起始沿与所述基频信号的第1脉冲上升沿对齐；

所述异相基频信号2为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号2的起始沿与所述基频信号的第1脉冲下降沿对齐；

所述异相基频信号3为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号3的起始沿与所述基频信号的第2脉冲上升沿对齐；

所述异相基频信号2为所述基频信号的2分频信号，所述异相基频信号2的起始沿与所述基频信号的第2脉冲下降沿对齐。

9.根据权利要求1所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统，其特征在于：所述数据采集及预处理模块，用于采集4个通道的回波数据并进行数据预处理，包括4通道回波数据采集单元、数据预处理单元以及数据传输单元；所述4通道回波数据采集单元，依次连接低频天线阵列、中低频天线阵列、中高频天线阵列、高频天线阵列。

所述数据成像处理模块，用于与数据采集及预处理模块进行数据通信、人机交互控制、数据成像、数据成像结果显示，包括计算机、网络通信模块；

所述电源管理模块用于产生系统所需各种电压，电源管理模块采取噪声抑制措施。

10.根据权利要求1所述的一种多通道超宽带阵列探地频阵雷达系统的控制方法，其特征在于，

所述天线阵时基控制模块通过所述4路异相基频信号，控制所述低频天线阵列、所述中低频天线阵列、所述中高频天线阵列、所述高频天线阵列依次工作；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述低频天线阵列依次扫描所述2N-1个低频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述中低频天线阵列依次扫描所述2N-1个中低频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述中高频天线阵列依次扫描所述2N-1个中高频扫描点；

所述天线阵时基控制模块通过所述发射单元控制脉冲、所述接收单元控制脉冲，控制所述高频天线阵列依次扫描所述2N-1个高频扫描点。

Images