CN1305089A - 冲击脉冲地下成像雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线定位和定向技术,涉及一种利用冲击脉冲探测地表结构和地下物体的成像雷达,本发明是在系统时基同步下,向地下发射冲击脉冲信号,在地下目标与地下介质边界处产生散射,散射回波信号经天线进入接收机取样系统,通过时域取样交换,在原有形状基础上展宽变为低频信号,然后再经适当处理而显示成像。本发明具有分辨率高和对介质穿透能力强等特点。

Description

冲击脉冲地下成像雷达

本发明属于无线电定位和定向技术领域，是一种利用冲击脉冲探测地表结构和地下物体的成像雷达。

根据探测物和探测目标不同，出现了多种类型的雷达系统，如“飞机场地面探测雷达(CN1190466A，公开日980812)，“矿井地质雷达仪”(CN1174998A，公开日980304)，“一个具有扫描区阀门的脉冲雷达”(CN1173226A，公开日980211)等。就这些雷达而言，主要包括天线，发射系统，接收系统和数据处理系统。象CN1190466A就包括发射天线；发射器，它通过发射天线发射实质上线性频率调制的CW信号；一个单脉冲接收天线及一个单脉冲接收器，它通过接收天线接收来自飞机场地面上一个目标的至少一个响应信号，产生方位和信号及差信号，并响应于瞬时和及差信号及天线的方向确定目标的位置。

地下成像雷达(GPR)是探测地表下结构和埋设物质新型无损伤探测仪器，它利用电磁波对地表的穿透能力，从地表向下发射某种形式的电磁波，电磁波在地下介质特性变化的介面上产生散射，通过接收散射回波信号，根据回波信号的延时、波形及频谱特性等参数，解译出目标深度、介质结构及性质，通过计算机数据处理和数字成像技术，对地下目标进行成像处理，以达到对地下探测目标的真实和直观的再现。

地下雷达具有探测速度快、非接触、非破坏性探测、分辨率高、可直接获得地下剖面图、可进行数据的实时成像处理、经济方便等优点，有着广泛的应用前景，得到了一些先进国家政府部门及相关机构的关注，许多国家都投入了大量的人力物力进行地下雷达的研制和实验工作。虽然近些年来国内外已经陆续出现了一些地下雷达产品，但在探测方法、性能、精度、图像质量等方面都有很多不尽人意的地方。因而制约了地下雷达的广泛应用。另外，进口的地下雷达设备售价很高，也限制了它的应用。

目前国内外地下雷达大体采用以下五种技术实现其功能，它们分别是：幅度调制(Amplitude modulation)；调频连续波(FMCW)；连续波(Continuous wave)；脉冲展宽-压缩技术(也叫chirp雷达)和极化调制(Polarization modulation)。这五种技术方法都具有各自的特点，有些方法之间还存在着应用上的互补性。由于地下介质的不规则性、被测目标的随机性以及探测方法的多样性等复杂因素的制约，地下雷达还没有形成一套较为完整的、成熟的、系统的探测理论和技术。

本发明的目的是提供一种采用冲击脉冲作为发射信号，探测地表下结构和地下物的地下成像雷达，探测目标的分辨率和对不同介质穿透能力等方面具有独特的优势。

地下雷达是从常规的空中雷达发展而来的，其基本理论和技术基础也源于空中雷达。地下雷达所要检测的是来自地下目标的后向散射。

本发明是在系统时基同步下，雷达发射机以100KHz的频率通过发射天线向地下发射脉宽为5ns峰值电压为±160V脉冲信号，当它遇到地下目标时将在目标与地下介质的边界处产生散射，散射回波信号经接收天线进入接收机取样系统，通过时域取样变换，使回波信号在保持原有形状的基础上在时间轴上展宽了2000倍而变为低频信号。对此信号进行适当处理后送入图像处理和图像显示系统形成探测区域的地下剖面图。

图1为本发明的原理框图。本发明分为五个部分即天线部分、发射部分、接收部分、数据预处理和显示部分、计算机时序控制部分。其中，天线为收、发分开的领结型振子天线，天线具有宽带阻抗匹配特性；发射机在触发脉冲到来后，通过雪崩三极管的雪崩特性产生脉冲宽度为5ns、幅度为±160V的双向冲击脉冲，脉冲重复频率为100KHz；接收机部分包括取样脉冲产生器、取样门、放大、展宽及幅度增益控制电路，将接收到的回波信号变换成易于处理的慢信号，接收机的噪声系数为6dB；时序控制部分由主振、快斜波产生器、慢斜波产生器、比较器等组成，它除了为发射机和接收机提供发射触发和取样触发外，还要为数据预处理提供中断信号；数据处理和显示部分采用12位高速A/D变换器，精度为5mV；它将接收的数据进行实时处理后送入图像显示器，实时显示16色假彩色图像。

图2是本发明各部分连接显示整体方案框图。

图3是本发明的信号时序图。图中(A)为测地雷达系统的主振波形，(B)为比较过程波形，(C)为发射触发信号波形，(D)为经过快斜波与慢斜波的比较产生的取样脉冲触发信号，(E)为回波波形，(F)为展宽波形。

在图3所示的信号时序图中，系统的时间基准由一个高稳定度的100KHz晶振提供，晶振的稳定度为10-5。由于地下雷达的测距属于近距离的测距，回波距发射脉冲的时间仅为ns量级，如果采用收发公用的天线体制，ns级的切换速度对射频开关有一定的技术难度。从工程上考虑采用了收发天线分开模式。通过快斜波与慢斜波的比较产生取样脉冲的触发信号，周期为T+Δt，当发射脉冲与某一周期的取样脉冲信号同步时，取样脉冲在其后的每一周期相对前一个发射脉冲都多延时一个Δt，在第n个周期，延时为n×Δt，取样脉冲到来时，取样门被打开，开门时间等于取样脉冲宽度τ。这样每个时钟脉冲将获得回波波形的一个样点，这些样点在放大及展宽电路中被积分，经过一个慢斜波周期，形成一个新的在时间上被展宽的回波波形，如图3中的(F)所示。样本包络的形状与回波波形一致，但持续时间增大了上千倍，本发明的一个具体实例是2000倍。然后将展宽后的回波信号进行A/D变换送入图像处理部分，经图像处理和软件处理后在显示器上进行实时滚动成像。

本发明的天线部分包括接收天线和发射天线，接收天线和发射天线是分开的，彼此独立。发射部分包括发射脉冲控制器和发射机。接收部分包括取样脉冲控制器，取样脉冲产生器，取样门，放大展宽电路，幅度控制电路和低过滤波器。数据预处理和显示部分包括A/D转换器，主控机和显示器。计算机时序控制部分包括主振100KHz，快斜波产生器，慢斜波产生器和两个比较器。主振100KHz的信号分成两路，一路进入快斜波产生器，另一路进入慢斜波产生器，快斜波产生器分别同比较器1和2相连接，慢斜波产生器同比较器2相连接。比较器1出来的信号选进入发射脉冲控制器，而后到发射机通过发射天线发出冲击脉冲信号。比较器2出来的信号先经取样脉冲控制器，而后进入取样脉冲产生器，最后到取样门。接收天线接收信号后，先经过取样门，进入到放大及展开电路，然后进入到幅度控制电路，经低通滤波器后，通过A/D转换进入主控机。慢斜波产生器和主控机之间是相互连接的。

本发明发射的冲击脉冲要求天线具有很宽的带宽。由于本系统的发射脉冲是重复频率为100KHz、脉宽为5ns的冲击脉冲，因此要求发射天线有100KHz～200MHz的带宽。如此宽的相对带宽使天线在设计和测试过程中需重点考虑阻抗带宽，而所有振子形式天线皆属窄带谐振天线，很难达到系统所要求的性能，因此本系统采用了顶端电阻加载的领结型阵子天线。图4为本发明领结型阵子天线示意图。

图4所示的领结发射天线由两个完全相同的领结结构的领尖相对排列的1mm厚的铜板构成，每个领结的长度为500mm，领结宽边的宽度和上下间距离分别为100mm，宽边的两个金属片之间并接有十个阻值为820Ω完全相同的负载电阻，以提高带宽性能，两个领结间距为25mm，上部加75Ω的电阻进行屏蔽。

本发明的发射机主要是利用三极管在高压使用时的雪崩效应特性来产生大幅度窄脉冲，当晶体管的集电极电压足够高时，收集结空间电荷区内的电场强度比正常低压运用大许多倍，进入收集结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，他们与晶格碰撞时便产生了新的电子空穴。新产生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。于是流过收集结的电流便“雪崩”式增长，这就是晶体管的雪崩倍增现象。

基于上述原理本发明采用了中国科学院长春地理所的“地下探测雷达发射机”(CN2289250Y，公告日980826)专利的电路，做出了重复频率为100KHz，脉宽为5ns，幅度为±160V冲击脉冲。图5为冲击脉冲波形图。

本发明接收部分主要由取样脉冲产生器、取样门、放大展宽电路、幅度控制电路、和低通滤波器组成。采用取样变换法将接收到的回波信号变换成易于处理的慢信号。本系统用步进取样，如图3所示，将每个周期的样品步进了Δt，而且每个周期的Δt相等。取样变换的过程是一个同步积累的过程，因此大大提高了信噪比。

取样脉冲的形状决定取样系统的主要特性，因此要求取样脉冲产生器将取样触发脉冲整形成为高速阶跃响应的脉冲，然后通过微分电路，使阶跃脉冲形成足够窄的尖脉冲。取样脉冲产生器电路如图6所示。

通过选择元件及参数，调试结果为：取样幅度为3V；底宽为2ns；正负脉冲的偏压分别为+2V和-2V。

取样门是取出样品的电路，通常情况下，取样门是关闭的，当取样脉冲到来时取样门被打开，对信号进行取样。取样门的频率特性与过度特性除了取决于取样脉冲和取样门结构的频率特性外，还与取样门所选用的二极管开关速度有关。为了尽可能减少取样过程的信号失真，取样二极管必须是高速开关二极管。

本发明的取样门可以选择四管平衡取样门，电路如图7所示，图中±Ep为偏压。

我们知道取样脉冲越窄，取样系统的带宽越宽。为了配合5ns的发射脉宽，取样系统的带宽要大于200MHz，取样脉冲底宽要小于3ns，因此本发明选用了国产的2KE64B作为取样二极管。

放大展宽电路，幅度增益控制电路和低通滤波器组成了本发明的低频处理部分。低频处理框图如图8所示。

在放大展宽电路中，本发明采用了场效应管低噪声积分放大器来实现地下回波信号的展宽。即取样门输出的离散的样本点经过积分放大器后复现了信号的包络，如图3(F)中的展宽波形。

地下雷达的回波信号幅度具有很大的变化范围。这是由于来自地表的直达波使起始处信号幅度很大，加上由于地下衰减造成随回波延迟时间的增加信号幅度越来越小。这种幅度随时间的变化范围有时可达40dB，因而使回波信号的起始部分放大时很容易产生饱和现象，所以，本发明采用了抗过载的幅度增益控制电路，使幅度强的地表回波不被放大至饱和，而来自地下目标的弱信号可得到较高的增益。

在数据预处理和显示部分中，本发明采用了ISA总线的接口设计，数据处理作为计算机的接口电路，通过ISA总线实现与计算机之间的通信与控制。

数据处理框图如图9所示。

数据处理由单片机、Intel8254定时控制器和可编程增益放大器等组成。单片机通过Intel8254控制数据予处理及图像显示与图像处理软件的同步运行。单片机的控制是通过Intel8254定时器来实现的，定时器由两个高精度晶振(1MHz,10MHz)和三个可编程计数器组成。其中两个计数器级联后接A/D触发器的周期触发端。可编程增益放大器的电压放大倍数为0～255，可达到48dB的电压增益范围，控制它的AGC信号由计算机软件产生。采用的高速A/D变换器转换时间为3μs，结合1K字节的先进先出数据堆栈，数据传输的最快速率为330KHz。A/D变换的分辨率为12位，输入电压范围±10V，精度小于5mV。数据传输采用中断方式，即回波到来时与慢斜波的同步脉冲通过ISA总线向计算机的CPU申请中断，通知计算机此时回波已到，正在进行A/D变换，在数据予处理部分的单片机直辖下转换的数据以330KHz的速率传向主机CPU，由软件的中断服务程序处理。1K字节的先进先出堆栈的设计是为了避免将A/D变换的数据在通过总线进行高速传输时出现数据丢失。A/D的输出首先进入堆栈，从堆栈中读取数据，这样即使有更高级的中断发生，也不会发生数据丢失。

软件的系统环境为DOS6.22,CPU为133MHz的奔腾芯片，中断控制器为主从式的Ine18259，内存为32MB。

软件分为界面程序、初始化程序、中断服务程序、数据处理程序和图像显示程序。所有程序基本上采用C语言汇编，在中断处理程序、数据处理程序和图像显示程序中嵌套了部分汇编程序以便减少程序代码，提高程序的执行速度。

界面采用了VGA彩色图形菜单，人机对话界面美观、易于操作。

初始化程序用于设置程序参数、设置程序予处理部分的参数等。

中断服务采用计算机保留的12号中断，上升沿触发，用来同步软件与数据予处理间的数据通信。

数据处理程序除对A/D变换后的数据进行各种实时处理外，还要实现数据的实时存盘及回调。图像显示程序可实现16色640×480像素实时数据滚动成像处理。为了提高显示的速度，该程序直接对显示缓冲内存储器进行操作，可实现每秒高于50Hz的图像刷新速度。

本发明采用冲击脉冲作为发射信号，具有探测目标分辨率高和对介质穿透能力强等特点。

Claims (9)

1、一种冲击脉冲地下成像雷达，主要由天线、发射部分、接收部分，数据预处理和显示部分等组成，发射部分中的发射机以一定频率通过天线向地下发射一定脉宽度和峰值功率的脉冲信号，该脉冲信号遇到地下目标产生散射，散射回波经天线进入接收部分，经数据预处理和显示部分，形成地下目标剖面图像，本发明的特征是在系统时基同步下，发射机以100KHz的频率通过发射天线向地下发射脉宽为5ns峰值电压为±160V脉冲信号，当该脉冲信号遇到地下目标时在目标与地下介质的边界产生散射，散射回波信号经接收天线进入接收机取样系统，通过时域取样变换，使回波信号在保持原有形状的基础上在时间轴上展宽2000倍而变为低频信号，对该低频信号进行适当处理后送入图像处理和图像显示系统，成像显示出地下目标。

2、根据权利要求1所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是天线为收、发分开的领结型振子天线，具有宽带阻抗匹配特性，增益为3dB；发射部分包括发射脉冲控制器和发射机，发射机在触发脉冲到来后，通过雪崩三极管的雪崩特性产生脉冲宽度为5ns，幅度为±16V的双向冲击脉冲，脉冲重复频率为100KHz；接收部分包括取样脉冲控制器，取样脉冲产生器，取样门，放大展宽电路，幅度控制电路和低通滤波器，将接收到的回波信号变换成易于处理的慢信号，数据予处理和显示部分包括A/D转换器，主控机和显示器，将接收的数据进行实时处理后送入图像显示器，实时显示16色假彩色图像；计算机时序控制部分包括主振100KHz，快斜波产生器，慢斜波产生器和两个比较器，该部分除了为发射机和接收机提供发射触发和取样触发外，还要协调数据处理提供中断信号。

3、根据权利要求2所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是主振100KHz的信号分成两路，一路进入快斜波产生器，另一路进入慢斜波产生器，快斜波产生器分别同比较器1和2相连接，慢斜波产生器同比较器2相连接；比较器1出来的信号先进入发射脉冲控制器，而后到发射机，通过发射天线发出冲击脉冲信号；比较器2出来的信号先经取样脉冲控制器，而后进入取样脉冲产生器，最后到取样门；接收天一接收信号后，先经过取样门，进入到放大及展开电路，然后进入到幅度控制电路，经低通滤波器后，通过A/D转换进入主控机；慢斜波产生器和主控机之间是相互连接的。

4、根据权利要求3所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是采用取样变换法将接收到的回波信号变换成易于处理的慢信号，把每个周期样品进行了Δt，且每个周期的Δt相等。

5、根据权利要求3所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是取样脉冲产生器将取样触发脉冲整形成为高速阶跃响应脉冲，然后通过微分电路，使阶跃脉冲形成足够窄的尖脉冲。

6、根据权利要求3所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是取样门的取出样品电路是四管平衡取样门，取样二极管是高速开关二极管。

7、根据权利要求3所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是在数据预处理和显示部分中，采用ISA总线接口设计，数据处理作为计算机接口电路，通过ISA总线实现与计算机之间的通信与控制。

8、根据权利要求7所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是数据处理由单片机、Intel8254定时控制器和可编程增益放大器等组成。单片机通过Intel8254控制数据予处理及图像显示与图像处理软件的同步运行。

9、根据权利要求8所述的冲击脉冲地下成像雷达，其特征是软件的系统环境为DOS6.22,CPU为133MHz的奔腾芯片，中断控制器为主从式的Intel8259，内存为32MB；软件分为界面程序、初始化程序、不断服务程序、数据处理程序和图像显示程序；主程序基本上采用C语言汇编，在中断处理程序、数据处理程序和图像显示程序中嵌套了部分汇编程序。

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