CN210835227U - 基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，用于浅层地下目标探测。该系统由发射单元、接收单元和计算机单元组成。所述发射单元发射高频脉冲，经由地下探测目标反射后的信号由接收单元进行接收，发送到计算机单元进行储存，来完成整个探测过程。通过反射信号的变化，可以对地下物质进行有效的识别和定位。本实用新型具有成本低、设备体积小、探测速度快、高分辨率等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及探地雷达技术领域，尤其涉及一种基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统。
背景技术
探地雷达是一种无损、便捷且能有效识别地下金属或非金属物体的探测装置，其广泛应用于地下管线探测、岩土勘查等工程勘察领域。超宽屏脉冲探地雷达是当前应用较多的一类探地雷达，其系统中的接收器一般采用等效时间采样法，即运用模拟前端取样门将射频信号转换为视频信号。这类典型的取样门由肖基特二极管或取样鉴相器构成。由于该类元件对温度较为敏感，无法满足需要高分辨率的场合，且维护成本较高；而且传统的探地雷达还具有整体体积大、成本高等缺点。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，该探地雷达系统使用逐次逼近寄存器和等效时间采样法取代了传统的模数转换器，可以解决模拟元件在高分辨率应用场景下因其温度敏感造成的元件参数退化问题，并具有体积小、探测速率快、高分辨率等特点。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供的了一种基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，具体包括发射装置、接收装置和计算机单元，所述接收装置分别与发射装置和计算机单元连接，所述接收装置通过接收所述发射装置发射并经地底反射的信号以实现探测；所述发射装置包括发射天线和发射器，发射器是由阶跃恢复二极管电路组成，所述接收装置由接收天线和数据采集模块组成，所述发射天线与接收天线均采用紧凑型超宽带天线；所述数据采集模块包括带低噪声放大器(LNA)、可编程延时器、高速比较器、12位模数转换器(DAC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、处理器(ARM)；所述低噪声放大器与接收天线相连，所述比较器连接低噪声放大器，所述现场可编程门阵列连接比较器，所述12位模数转换器连接于比较器和现场可编程门阵列之间，所述延时器连接于比较器和现场可编程门阵列之间，现场可编程门阵列连接所述发射器。
本实用新型进一步的技术方案为：所述发射天线和接收天线为尺寸、大小均完全相同的铜制紧凑型超宽带天线，具体包括铜制L型主板、舌型天线臂和反射板，所述舌型天线臂是由一侧窄另一侧宽的铜板制成，舌型天线臂较窄的一端通过螺栓固定在L型主板上，另一侧向下弯折，所述反射板固定在L型主板的顶部，并向上呈弧形弯折。
本实用新型进一步的技术方案为：所述现场可编程门阵列(FPGA)用于对比较器输出的采样、控制数模转换器的输出、发射脉冲重复频率对发射器进行触发，为雷达反射信号采样提供稳定的时钟并将采用送入电流模式逻辑延时器中，对延时器进行编程。
本实用新型进一步的技术方案为：所述DSP对经模数转换后的信号进行数字带通滤波和信号叠加处理，并经所述处理器分别传给所述计算机单元以进行显示和存储。
本实用新型较优的技术方案为：所述计算机单元包括笔记本电脑或台式电脑和USB总线，连接所述处理器，进行采集数据的储存。在数据采集之前可通过计算机单元对采样点、时窗、放大比例等参数进行设置。
本实用新型较优的技术方案为：所述发射天线和接收天线并列摆放在绝缘盒子内。
本实用新型较优的技术方案为：所述发射器由±12V电压驱动，通过阶跃恢复二极管产生窄脉冲。
本实用新型中优选的，FPGA采用Xilinx XC3S400A型；低噪声放大器采用BGU7031MMIC，该器件专门针对40MHz至1GHz频率范围的高线性度、低噪声应用设计。所述数据存储单元和计算机单元采用串口直连线相连(若计算机单元为笔记本，则需要USB转RS232电缆)，采用RS232串行通信协议；可编程延时器采用AD9501型；所述高速比较器采用LM393型；所述12位模数转换器DAC采用DAC7512型；所述RAM采用CY7C025型；所述DSP采用TMS320VC5509A型。
本实用新型中的探地雷达系统，包括发射单元、接收单元和连接所述发射单元和接收单元的数据储存单元，所述接收单元通过接收所述发射单元发射并经地底反射的信号以实现探测。其中接收单元中的数据采集模块为所述发射装置和接收装置提供触发信号，并对所述接收天线接收的信号进行采样和处理。
与现有技术相比，本实用新型采用的紧凑型超宽带天线设计简单、造型紧凑，占用空间小；而探地雷达系统使用逐次逼近寄存器和等效时间采样法取代了传统的模数转换器，解决了模拟元件在高分辨率应用场景下因其温度敏感造成的元件参数退化问题，具有较好的采样速率且能提高接收器的带宽。综上，本实用新型具有成本低、体积小、探测速率快、高分辨率等特点。
附图说明
图1为本实用新型的基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统的结构框图；
图2为本实用新型中紧凑型超宽带天线的结构示意图；
图3是本实用新型中舌型天线臂展开状态图。
图中：101—发射天线，102—发射器，201—接收天线，302—低噪声放大器，303—可编程延时器，304—高速比较器，305—12位模数转换器，306—现场可编程门阵列，307—数字信号处理器，308—ARM处理器，401—笔记本，402—USB总线，501—L型主板，502—舌型天线臂，502—反射板，504—螺孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。附图1至图3均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本实用新型实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本实用新型的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例提供的一种采用紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，如图1所示包括发射装置、接收装置和计算机单元，所述接收装置通过接收所述发射单元发射并经地底反射的信号以实现探测。所述发射装置由发射天线101和发射器102组成；接收端元由接收天线201和数据采集模块组成。其中，数据采集模块为发射器101提供触发信号，并对接收天线201所传回的信号进行处理和采样。所述数据采集模块和计算机单元采用串口直连线相连(若计算机单元为笔记本，则需要USB转RS232电缆)，采用RS232串行通信协议。所述发射器101采用阶跃恢复二极管，产生中心频率为800MHz的单周型窄脉冲，其峰值电压为8V。脉冲宽短为1ns，重复频率为2MHz。频谱带宽在400MHz至1.2GHz之间。
实施例中的发射天线101和接收天线201并列摆放在绝缘盒子里，并列摆放在盒子的最底部。所述发射天线101和接收天线201尺寸、大小完全相同。所述发射天线101和接收天线201均采用一种铜制紧凑型超宽带天线，其在空气中的中心频率为800MHz，能够满足发射器的带宽要求。发射天线102将发射器101产生的窄脉冲信号发射出去，并由接收天线201接收。如图2所示，具体包括铜制L型主板501、舌型天线臂502和反射板503，所述舌型天线臂是由一侧窄另一侧宽的铜板制成，在其较窄的一侧开设有螺孔505，并通过螺栓固定在L型主板上，另一侧向下弯折，所述反射板503固定在L型主板的顶部，并向上呈弧形弯折。
实施例提供的一种采用紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，如图1所示，所述数据采集模块包括带低噪声放大器302、可编程延时器303、高速比较器304、12位模数转换器(DAC)305、现场可编程门阵列(FPGA)306、数字信号处理器(DSP)307、处理器(ARM)308组成。其中，FPGA采用Xilinx XC3S400A型；低噪声放大器采用BGU7031MMIC，该器件专门针对40MHz至1GHz频率范围的高线性度、低噪声应用设计；可编程延时器采用AD9501型；所述高速比较器采用LM393型；所述12位模数转换器DAC采用DAC7512型；所述RAM采用CY7C025型；所述DSP采用TMS320VC5509A型。所述高速比较器304采用电流模式驱动以及锁存输入，锁存器的设置时间和锁存器的保持时间都小于20ps。所述可编程延时器303每当一次采样完成后就产生相应的控制信号，将该信号进行适当的延时，作为数据存储器的存储控制信号。所述DSP402对FPGA306中经模数转换后的信号进行数字带通滤波和信号叠加处理，并经所述ARM403分别传给所述计算机单元中的笔记本401进行采集数据的显示和储存，所述USB总线402连接移动电源，为整个系统供电。
实施例中的低噪声放大器302对接收天线201传回的信号进行放大(放大系数可在0.5到2.0之间进行调整)。高速比较器304输入端连接低噪声放大器302，12位DAC305输出对应电压到高速比较器304反向端，与低噪声放大器5输出的电压信号进行比较，若Vth大于Vi，则逐次比较寄存器采样到1保存最高位为1，反之为0，依次比较直到最后一位，届时所存数据并输出到FPGA306。在一个雷达回波中只有一个采样点中的一位被量化，经过12个雷达回波，完成一次完整的采样，生成12位的二进制数字信号。所述FPGA306用于控制12位DAC304输出对应脉冲电压到高速比较器反向端，对高速比较器304的输出进行采样和储存，为发射器101提供脉冲重复频率为2MHz的触发信号。此外，FPGA306还为雷达采样返回信号提供一个稳定的时钟，并将其发送到延迟器303中。
本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：包括发射装置、接收装置和计算机单元，所述接收装置分别与发射装置和计算机单元连接，所述接收装置通过接收所述发射装置发射并经地底反射的信号以实现探测；所述发射装置包括发射天线和发射器，发射器是由阶跃恢复二极管电路组成，所述接收装置包括接收天线和数据采集模块，所述发射天线与接收天线均采用紧凑型超宽带天线；所述数据采集模块包括低噪声放大器、可编程延时器、高速比较器、12位模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器和ARM处理器，所述低噪声放大器与接收天线相连，所述比较器连接低噪声放大器，所述现场可编程门阵列连接比较器，所述12位模数转换器连接于比较器和现场可编程门阵列之间，所述延时器连接于比较器和现场可编程门阵列之间，现场可编程门阵列连接所述发射器。
2.根据权利要求1所述基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述发射天线和接收天线为尺寸、大小均完全相同的铜制紧凑型超宽带天线，具体包括铜制L型主板、舌型天线臂和反射板，所述舌型天线臂是由一侧窄另一侧宽的铜板制成，舌型天线臂较窄的一端通过螺栓固定在L型主板上，另一侧向下弯折，所述反射板固定在L型主板的顶部，并向上呈弧形弯折。
3.根据权利要求1所述的基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列用于对比较器输出的采样、控制数模转换器的输出、发射脉冲重复频率对发射器进行触发，为雷达反射信号采样提供稳定的时钟并将采用送入电流模式逻辑延时器中，对延时器进行编程。
4.根据权利要求1所述的基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述数字信号处理器对经模数转换后的信号进行数字带通滤波和信号叠加处理，并经所述处理器分别传给所述计算机单元以进行显示和存储。
5.根据权利要求1所述的基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述计算机单元包括笔记本电脑或台式电脑和USB总线。
6.根据权利要求1所述基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述发射天线和接收天线并列摆放在绝缘盒子内。
7.根据权利要求1所述基于紧凑型超宽带天线的探地雷达系统，其特征在于：所述发射器由±12V电压驱动，通过阶跃恢复二极管产生窄脉冲。
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Cited By (2)
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| CN113030957A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-06-25 | 国网山东省电力公司济南供电公司 | 一种新型地下电缆探测雷达 |
| CN113482594A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 四川华晖盛世探测技术有限公司 | 一种钻孔雷达系统 |
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| CN113482594A (zh) * | 2021-07-06 | 2021-10-08 | 四川华晖盛世探测技术有限公司 | 一种钻孔雷达系统 |
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