一種雙頻複合天線探地雷達的製作方法
2023-04-26 13:08:41
一種雙頻複合天線探地雷達的製作方法
【專利摘要】本發明雙頻複合天線探地雷達包括雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機，雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機通過綜合電纜連接通信，雙通道雷達主機裝有系統軟體，雙頻複合天線系統包括高頻天線和低頻天線，高、低頻天線在雙通道雷達主機中分別對應一通道，高、低頻天線在雙通道雷達主機中對應的兩個通道電路共地；兩天線在各自電路上進行屏蔽處理，雙通道雷達主機包括雙通道主機的時序控制模塊、步進邏輯模塊、延時邏輯及自檢功能模塊、觸發脈衝整形模塊及通道切換開關。系統軟體包括文件管理、參數設置、預處理、數據處理、數據分析與解釋及幫助。本發明解決了探地雷達在工程實踐中探測深度和解析度之間的矛盾，提高了探地雷達的探測質量和作業效率。
【專利說明】一種雙頻複合天線探地雷達
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種雙頻複合天線探地雷達。
【背景技術】:
[0002]探地雷達(Ground-penetrating radar,簡稱GPR),是利用超高頻脈衝電磁波探測地下目標的一種地球物理勘探方法，該方法是一種用於確定地下介質分布的電磁技術，在水文、環境、採礦和國防工程領域已得到廣泛應用，其應用範圍仍在不斷擴大。
[0003]探地雷達作為一種非破壞性探測手段，正被廣泛應用於空洞、管道及地雷等地下目標的探測。在探測地下目標時，會遇到需要同時兼顧探測深度與目標解析度的情況。選用中心頻率較小的天線時，探測的深度較深，但其解析度較低；選用中心頻率較大的天線時，其解析度較高，但其探測的深度較淺。
[0004]因此，確有必要對現有技術進行改進以解決現有技術之不足。
【發明內容】
:
[0005]本發明的目的是為了解決探地雷達在探測地下目標時，經常會遇到探測深度與目標解析度之間的矛盾，提供了一種雙頻複合天線探地雷達，克服了地質探測時不能同時兼顧探測深度與目標解析度的問題。
[0006]本發明採用如下技術方案:一種雙頻複合天線探地雷達，其包括雙頻複合天線系統、雙通道雷達主機、通信連接所述雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機的綜合電纜及裝設於所述雙通道雷達主機中的系統軟體，
[0007]所述雙頻複合天線系統包括高頻天線和低頻天線,所述高、低頻天線在雙通道雷達主機中分別對應一個通道；
[0008]所述雙通道雷達主機包括上位機和下位機，所述上位機包括數位訊號處理控制單元、數據存儲單元、圖像處理單元和顯示單元，所述下位機包括時基控制模塊、通道切換開關、第一通道電路和第二通道電路，所述通道切換開關在數位訊號處理控制單元發出的通道切換信號的控制下切換第一、二通道電路的工作，所述時基控制模塊基於時間上的分時工作機理來實現，由主時鐘分頻實現兩個通道發射頻率的最小公倍頻率作為基頻時鐘，由所述最小公倍頻率產生第一通道控制脈衝，由所述最小公倍頻率取反產生第二通道控制脈衝，在第一和二通道控制脈衝的高電平時間內產生初始的觸發信號，所述第一、二通道電路的原理相同，第一、二通道電路中任一電路包括步進邏輯控制模塊、延時邏輯及自檢功能模塊、發射觸發脈衝整形模塊和接收觸發脈衝整形模塊，所述兩個通道的步進邏輯控制模塊分別對應控制高、低頻天線，所述兩個通道的步進邏輯控制模塊分別為各自通道提供天線的發射觸發信號和接收觸發信號，並且在時序控制上，在時基控制模塊的控制下，兩個步進邏輯控制模塊採用分時工作的模式，在通道切換信號的控制下，產生觸發兩個天線工作的兩組互不幹擾的發射觸發和接收觸發信號；
[0009]所述高、低頻天線接收機的信號經過解碼得到的數據傳給數位訊號處理控制單元；數位訊號處理控制單元控制數據存儲單元存儲數據，圖像處理單元把來自數位訊號處理控制單元的數據轉換成顯示單元所需的圖像信號，傳給顯示單元。
[0010]所述步進邏輯模塊的控制部分包括複雜可編程邏輯器件，所述複雜可編程邏輯器件通過接收數位訊號處理控制單元發送的參數命令，完成步進邏輯控制信號的輸出，所述主時鐘為複雜可編程邏輯器件提供時鐘信號，主時鐘輸出的時鐘信號經過電平轉換電路得到時鐘電平；
[0011]所述複雜可編程邏輯器件輸出的發射觸發信號脈衝與時鐘電平在發射觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到Trig信號；所述複雜可編程邏輯器件輸出的發射觸發信號脈衝與時鐘電平在接收觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到信號，該信號經過延時邏輯及自檢功能模塊的延時處理後得到Step信號；
[0012]所述複雜可編程邏輯器件輸出延時邏輯及自檢功能模塊的延時控制命令；
[0013]所述複雜可編程邏輯器件接收並上傳來自延時邏輯及自檢功能模塊的延時自檢結果，並向數位訊號處理控制單元提供模數轉換信號、觸發天線發射探測脈衝的信號。
[0014]所述第一、二通道電路的步進邏輯控制模塊的地迴路布線相對獨立，且與雙通道雷達主機的地迴路為單點連接。
[0015]所述延時邏輯及自檢功能模塊由電平可編程時延晶片實現，所述晶片輸入信號的最高工作頻率大於1.5GHZ ;所述觸發脈衝整形模塊採用CCD驅動晶片產生脈衝觸發信號，延時後的差分信號經高速運放合成為單向脈衝信號，單脈衝經微波電晶體放大和變壓器整形後，輸出端脈衝信號。
[0016]所述高、低頻天線在雙通道雷達主機中對應的兩個通道的電路共地，所述兩天線在各自的電路上進行屏蔽處理。
[0017]所述高頻天線的中心頻率為400MHz，所述低頻天線的中心頻率為200MHz。
[0018]所述高頻天線是高頻蝶形偶極子天線，所述低頻天線是低頻蝶形偶極子天線。
[0019]本發明具有如下有益效果:本發明採用了雙頻複合超寬帶探地雷達技術，通過將高頻和低頻的天線進行組合，並輔之配套的雙通道主機系統及軟體，從而有效解決探測深度與探測解析度之間的矛盾，實現探地雷達在地質探測時對探測深度與解析度的同時兼顧。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0020]圖1為雙頻複合天線探地雷達的系統原理框圖。
[0021]圖2為雙頻複合天線的結構示意圖。
[0022]圖3為時基電路原理框圖。
[0023]圖4為步進邏輯模塊原理圖。
[0024]圖5天線振子的排列方式示意圖。
[0025]圖6變形的蝶形偶極子天線示意圖。
【具體實施方式】:
[0026]下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明。
[0027]請參照圖1至圖6所示，本發明雙頻複合天線探地雷達包括雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機，其中雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機通過綜合電纜連接通信，雙通道雷達主機裝有配套的系統軟體。
[0028]其中雙頻複合天線系統包括高頻天線和低頻天線，高、低頻天線在雙通道雷達主機中分別對應一個通道，其中高、低頻天線在雙通道雷達主機中對應的兩個通道的電路共地；兩天線在各自的電路上進行屏蔽處理。雙通道雷達主機包括上位機和下位機，上位機包括DSP (數位訊號處理)控制單元、數據存儲單元、圖像處理單元和顯示單元；下位機包括時基控制模塊、通道切換開關、第一通道電路和第二通道電路；其中通道切換開關在DSP控制單元發出的通道切換信號的控制下切換第一、二通道電路的工作。
[0029]其中時基控制模塊是基於時間上的分時工作機理來實現的:由主時鐘分頻實現兩個通道發射頻率的最小公倍頻率作為基頻時鐘；由所述最小公倍頻率產生第一通道控制脈衝，由所述最小公倍頻率取反產生第二通道控制脈衝；在第一和二通道控制脈衝的高電平時間內產生初始的觸發信號。
[0030]其中第一、二通道電路的原理相同，第一、二通道電路中任一電路包括步進邏輯控制模塊、延時邏輯及自檢功能模塊、發射觸發脈衝整形模塊和接收觸發脈衝整形模塊；兩個通道的步進邏輯控制模塊分別對應控制高、低頻天線。
[0031]兩個獨立的步進邏輯控制模塊分別為各自通道提供天線的Trig信號(發射觸發信號)和Step信號(接收觸發信號)，並且在時序控制上，在時基控制模塊的控制下，兩個步進邏輯控制模塊採用分時工作的模式，即一個通道工作時另一個通道停止工作；在通道切換信號的控制下，產生觸發兩個天線工作的兩組互不幹擾的發射觸發和接收觸發信號，兩個步進邏輯模塊的地迴路布線相對獨立，與整個系統的地迴路單點連接。電源上兩個模塊復用的供電迴路，採用適當頻率的濾波器(為了防止兩個頻率收發天線間相互幹擾而採取的濾波方式，一般採用帶阻濾波，以保留當前工作頻率信號，削弱另一個頻率的信號)來抑制觸發脈衝的幹擾。雙通道時基控制是基於時間上的分時工作機理來實現的，由主時鐘fMAIN分頻實現兩個通道發射頻率的最小公倍頻率fCOM作為基頻時鐘，由fCOM產生第一通道控制脈衝fpulsel,由fCOM取反產生第二通道控制脈衝fpulse2,在fpulesl和fpulse2脈衝的高電平時間內產生初始觸發信號，在通道切換信號的控制下，可以確保產生觸發雙通道雷達工作的兩組互不幹擾的發射觸發、接收觸發信號。
[0032]步進邏輯模塊的控制部分主要包括主時鐘和邏輯晶片CPLD (複雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device, CPLD);CPLD 通過接收 DSP 控制單兀發送的參數命令，完成步進邏輯控制信號的輸出；CPLD晶片通過SPI串口接收上位DSP晶片發送的參數命令，包括時窗、掃速、信號位置、記錄道長度、步進間隔等，完成步進邏輯控制功能，主要包括產生初始觸發信號、控制延時晶片數據總線、控制寄存器同步移位、接收並上傳延時自檢結果和向上位DSP晶片提供F A/D信號、F scan信號等。CPLD主要完成各種控制功能，包括與上位機通信接收雷達參數、控制延時晶片、控制寄存器同步移位、控制雷達通道切換
坐寸ο
[0033]主時鐘為CPLD提供時鐘信號，主時鐘輸出的時鐘信號經過電平轉換電路得到時鐘電平Clk。
[0034]CPLD輸出的發射觸發信號脈衝Tri_pulse與時鐘電平Clk在發射觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到Trig信號；所述CPLD輸出的發射觸發信號脈衝Step_pulse與時鐘電平Clk在接收觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到信號，該信號經過延時邏輯及自檢功能模塊的延時處理後得到step信號。
[0035]CPLD輸出延時邏輯及自檢功能模塊的延時控制命令。CPLD接收並上傳來自延時邏輯及自檢功能模塊的延時自檢結果，並向DSP控制單元提供F A/D信號(模數轉換信號)、Fscan信號(觸發天線發射探測脈衝的信號)。
[0036]其中高、低頻天線接收機的信號經過解碼得到的數據傳給DSP控制單元；DSP控制單元控制數據存儲單元存儲數據；圖像處理單元把來自DSP控制單元的數據轉換成顯示單元所需的圖像信號，傳給顯示單元。
[0037]本發明延時邏輯及自檢功能模塊選用高精度LVPECL (Low Voltage PositiveEmitter-Coupled Logic)電平可編程時延晶片實現，其輸入信號的最高工作頻率大於
1.5GHz，延時晶片自檢功能是通過D觸發器來實現的，利用系統主時鐘和延時後的觸發脈衝信號，通過計數並向主控系統反饋D觸發器輸出周期內對應延時脈衝信號個數，實現延時晶片自檢功能。
[0038]所述觸發脈衝整形模塊，採用CXD驅動晶片產生脈衝觸發信號，延時後的差分信號經高速運放合成為單向脈衝信號，單脈衝經微波電晶體放大和變壓器整形後，輸出端脈衝信號。
[0039]所述通道切換開關，要求通道開關切換迅速及隔離度好。在開關晶片的選擇上採用MC100EP56DTG晶片來實現該功能。
[0040]本發明雙通道雷達主機中裝設的系統軟體主要由:文件管理、參數設置、預處理、數據處理、數據分析與解釋、幫助等6個模塊組成，這6個模塊組成3個部分:雷達數據的顯示及預處理、數據處理部分、數據分析和解釋部分。其中雷達數據的顯示及預處理為軟體的主體框架程序，其他兩個部分採用動態連結庫的形式添加到主框架中，對軟體的顯示和預處理無影響。在軟體的主框架中主要包括了數據採集和文件管理模塊、參數設置模塊、預處理模塊和幫助模塊。每個模塊之間低耦合，模塊之內高聚合。若在主框架中添加不同態庫或處理模塊，可以直接在其他後處理軟體中使用。
[0041]其中雙頻複合天線採用變形的蝶形偶極子天線(天線形狀如圖6所示)來縮小天線尺寸，雙頻複合天線結構示意圖如圖2所示。為了保證天線的探測性能，在複合天線的設計中，天線屏蔽體的寬度和高度採用與低頻天線相同。天線振子的寬度及排列方式決定了的天線長度。其中高頻天線的中心頻率為400MHz，低頻天線的中心頻率為200MHz。高頻天線是高頻蝶形偶極子天線；所述低頻天線是低頻蝶形偶極子天線。在複合天線的設計中首先在CST中進行仿真和優化，建立起複合天線的排列模型。為了減小天線之間的相互耦合，採用兩套天線系統共地處理的方式來消除兩者之間的相互影響，同時在兩天線各自電路上進行屏蔽處理，並通過加載吸波材料(微波海綿)消除發射接收機傳輸線上的相互幹擾。
[0042]本發明雙頻複合天線探地雷達採用兩對高低頻蝶形偶極子天線組，且通過加填多層微波海綿吸收材料解決天線組的相互幹擾問題。
[0043]本發明雙頻複合天線探地雷達的雙通道主機，由雙通道主機的時序控制模塊、步進邏輯模塊、延時邏輯及自檢功能模塊、觸發脈衝整形模塊及通道切換開關等六個模塊組成。
[0044]本雙頻複合天線探地雷達的採集與分析軟體採用所見即所處理的技術，只對顯示在屏幕上的數據進行處理和保存，而不是對全部數據進行運算。
[0045]本發明的原理如下:
[0046]電磁波的衰減會隨著頻率的增加而增加，雷達天線的工作頻率越高，其探測的深度就越淺。有耗媒質中的雷達方程為
【權利要求】
1.一種雙頻複合天線探地雷達，其包括雙頻複合天線系統、雙通道雷達主機、通信連接所述雙頻複合天線系統和雙通道雷達主機的綜合電纜及裝設於所述雙通道雷達主機中的系統軟體，其特徵在於: 所述雙頻複合天線系統包括高頻天線和低頻天線，所述高、低頻天線在雙通道雷達主機中分別對應一個通道； 所述雙通道雷達主機包括上位機和下位機，所述上位機包括數位訊號處理控制單元、數據存儲單元、圖像處理單元和顯示單元，所述下位機包括時基控制模塊、通道切換開關、第一通道電路和第二通道電路，所述通道切換開關在數位訊號處理控制單元發出的通道切換信號的控制下切換第一、二通道電路的工作，所述時基控制模炔基於時間上的分時工作機理來實現，由主時鐘分頻實現兩個通道發射頻率的最小公倍頻率作為基頻時鐘，由所述最小公倍頻率產生第一通道控制脈衝，由所述最小公倍頻率取反產生第二通道控制脈衝，在第一和二通道控制脈衝的高電平時間內產生初始的觸發信號，所述第一、二通道電路的原理相同，第一 、二通道電路中任一電路包括步進邏輯控制模塊、延時邏輯及自檢功能模塊、發射觸發脈衝整形模塊和接收觸發脈衝整形模塊，所述兩個通道的步進邏輯控制模塊分別對應控制高、低頻天線，所述兩個通道的步進邏輯控制模塊分別為各自通道提供天線的發射觸發信號和接收觸發信號，並且在時序控制上，在時基控制模塊的控制下，兩個步進邏輯控制模塊採用分時工作的模式，在通道切換信號的控制下，產生觸發兩個天線工作的兩組互不幹擾的發射觸發和接收觸發信號； 所述高、低頻天線接收機的信號經過解碼得到的數據傳給數位訊號處理控制單元；數位訊號處理控制單元控制數據存儲單元存儲數據，圖像處理單元把來自數位訊號處理控制單元的數據轉換成顯示單元所需的圖像信號，傳給顯示單元。
2.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述步進邏輯模塊的控制部分包括複雜可編程邏輯器件，所述複雜可編程邏輯器件通過接收數位訊號處理控制單元發送的參數命令，完成步進邏輯控制信號的輸出，所述主時鐘為複雜可編程邏輯器件提供時鐘信號，主時鐘輸出的時鐘信號經過電平轉換電路得到時鐘電平； 所述複雜可編程邏輯器件輸出的發射觸發信號脈衝與時鐘電平在發射觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到Trig信號；所述複雜可編程邏輯器件輸出的發射觸發信號脈衝與時鐘電平在接收觸發脈衝整形模塊中同步整形後得到信號，該信號經過延時邏輯及自檢功能模塊的延時處理後得到Step信號； 所述複雜可編程邏輯器件輸出延時邏輯及自檢功能模塊的延時控制命令； 所述複雜可編程邏輯器件接收並上傳來自延時邏輯及自檢功能模塊的延時自檢結果，並向數位訊號處理控制單元提供模數轉換信號、觸發天線發射探測脈衝的信號。
3.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述第一、二通道電路的步進邏輯控制模塊的地迴路布線相對獨立，且與雙通道雷達主機的地迴路為單點連接。
4.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述延時邏輯及自檢功能模塊由電平可編程時延晶片實現，所述晶片輸入信號的最高工作頻率大於1.5GHz ;所述觸發脈衝整形模塊採用CXD驅動晶片產生脈衝觸發信號，延時後的差分信號經高速運放合成為單向脈衝信號，單脈衝經微波電晶體放大和變壓器整形後，輸出端脈衝信號。
5.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述高、低頻天線在雙通道雷達主機中對應的兩個通道的電路共地，所述兩天線在各自的電路上進行屏蔽處理。
6.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述高頻天線的中心頻率為400MHz，所述低頻天線的中心頻率為200MHz。
7.如權利要求1所述的雙頻複合天線探地雷達，其特徵在於:所述高頻天線是高頻蝶形偶極子天線，所述低頻天線是低 頻蝶形偶極子天線。
【文檔編號】G01V3/12GK103941296SQ201410137086
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】付成群, 王勇, 王春和, 郭傑, 餘勤, 付稱心, 方濤, 覃昕垚, 謝力軍 申請人:中國人民解放軍理工大學