地質雷達測控系統的FPGA實現

(長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

0 引言

超寬帶地質雷達(ground penetrating radar,GPR)是一種新型有效的淺層地下目標探測設備[1]。超寬帶地質雷達以納秒或亞納秒級脈沖波為信息載體，通過對來自地下目標散射回波的旅行時間、幅度與相位等信息分析，推斷地下介質的結構及性質。

由于散射回波的高頻率、寬頻帶特性，對散射回波的采集一般采用等效采樣技術[2]實現，這就需要一個延時范圍大、調節步長小、相位抖動小的精密延時電路。該電路早期常采用AD9500、AD9501芯片來實現[3-4]，芯片采用8位2進制碼控制總延遲時間，存在延遲時間的大范圍和小步長矛盾。近年來多采用可編程延時器(如MC100EP196)和可編程計數器相結合的方式[5]，實現延時范圍大、調節步長精細的可編程延時器。

Altea公司Cyclone III、IV的鎖相環(phase locked loop,PLL)模塊的動態相位調整功能[6]為實現精密延時電路提供了一個可行方案。采用該方案系統更加緊湊，穩定性更高，功耗更低。

1 地質雷達的總體結構

超寬帶地質雷達的總體結構如圖1所示。

圖1 超寬帶地質雷達的系統結構

在時基控制下，發射觸發電路周期性地觸發脈沖電路并通過發射天線輸出一個高頻率、寬頻帶的電磁脈沖。同時，該時基經過可編程延時器產生Δt的延時后，觸發取樣積分器對異常體S的散射回波信號進行采樣，得到旅行時間為Δt-Δtt-Δta的回波信號。這里Δtt和Δta分別表示發射脈沖電路的時間延遲和高頻放大電路的時間延遲。重復上述過程，經過一系列不同時延Δti的采樣，獲得完整的回波信號。因此，測控系統設計圍繞等效采樣變換的實現展開，即發射觸發脈沖和取樣觸發脈沖控制電路的設計。

2 FPGA的動態相位調整

Cyclone III、IV 的PLL模塊支持包括頻率、電荷泵環路、濾波參數和輸出相位的動態調整。PLL模塊的壓控振蕩器(voltage controlled oscillator,VCO)輸出8個不同相位的時鐘信號，輸出計數器Ci(i=0,1,…,4)和反饋計數器M可選擇不同相位輸出作為時鐘信號。輸出計數器Ci通過選擇VCO輸出相位和調整計數器起始時間，可實現高解析度、大范圍的時鐘延遲。

輸出計數器Ci選擇VCO不同相位的輸出作為時鐘，可獲得不同時延的時鐘信號，其時延步長為：

(1)

式中：TVCO為VCO周期，最小達到769 ps。

利用計數器Ci的輸出，可生成可編程時延的觸發信號。為了實現PLL的動態相位調整，Cyclone III、IV 的PLL提供了相應的控制接口，典型的動態相位調整模塊電路接口如圖2所示。其中，inclk0為PLL的參考時鐘；areset為復位信號。通過phasecounterselect[2…0]選定輸出計數器Ci作為相位調整對象，phaseupdown確定相移方向(phaseupdown為1時，相位后移，否則前移)，在移相使能信號phasestep的作用下完成一次相位調整。在移相過程中，指示信號phasedone被拉低，待相位調整完成以后，自動拉高。通過適當時序的控制命令，可使輸出計數器Ci產生向前或向后Δt的相移。控制命令與相關時序的細節可參考文獻[6]。

圖2 動態相位調整模塊接口

當向前(或向后)的相移累計達到8次，即時延達到一個TVCO時，PLL動態相位調整模塊通過吞(或吐)脈沖的方式，實現其整周期的相移，形成PLL動態相位調整模塊的粗調。

3 測控系統設計

利用Cyclone III、IV PLL模塊的動態相位調整功能設計的地質雷達測控系統如圖3所示。該系統主要由5部分組成，即PLL模塊、相位調整電路、發射觸發模塊、取樣觸發模塊和NIOS II軟核。發射觸發模塊結構與取樣觸發模塊結構相似，只是在取樣觸發模塊中添加有計數器C及其相關部件，用于地質雷達掃描控制。相位調整電路、發射觸發模塊和取樣觸發模塊設計為IP核，并通過Avalon總線與NIOS II軟核連接，且在NIOS II的指揮下工作。

圖3 測控系統總體結構

PLL模塊的輸入時鐘頻率設定為100 MHz，由晶體振蕩器產生。輸出計數器C0、C1的輸出頻率也配置為100 MHz，分別為發射觸發模塊和取樣觸發模塊提供時鐘。壓控振蕩器(VCO)頻率配置為1 GHz。通過動態相位調整功能，可使得C0、C1間產生步長為125 ps的相對時延，實現最高采樣率8 GS/s的等效采樣。

發射觸發模塊由1個計數器和2個比較器組成。將PLL輸出計數器C0的輸出作為發射觸發脈沖的參考時鐘。該時鐘輸入到16位計數器T，計數器T在計數值為start_t時輸出發射觸發脈沖。當計數值達到寄存器R的設定值時，計數器清零并重新計數。通過設定寄存器R，可以控制發射脈沖的重復頻率。重復頻率(單位：MHz)計算公式如下：

(2)

將PLL輸出計數器C1的輸出作為取樣觸發脈沖的參考時鐘。該時鐘輸入到16位計數器S，計數器S的工作過程與計數器T基本相同。該計數器在計數值為start_s時輸出取樣觸發脈沖。當計數值達到寄存器R的設定值時，計數器清零并重新計數。計數器C1的時鐘信號受PLL動態相位調整模塊的控制，每兩次取樣之間，C1的時鐘信號需經過k次相位調整。相對于發射觸發脈沖，第i次取樣的取樣脈沖時延為：

Δti=125ikk=1,2,…

(3)

式中：k為相位調整次數。

由此可實現采樣率為(8/k)GS/s的等效采樣。調整start_t和start_s可以調整Δtt和Δta，即調整測試的起始時間。

在取樣觸發模塊中，添加的計數器P用于對取樣脈沖計數，記錄采樣樣點數。當樣點數達到寄存器N設定的樣點數時，停止計數器T和S，完成一道掃描線測試，等待下一道掃描命令。

相移控制器用于調整C1的時延。測試過程中，在取樣觸發脈沖輸出后即開始相位調整，輸出phasestep移相使能信號，等待相位調整完成，再進行下一次調整。在相移控制器中，設計了2個寄存器，其中一個用于存儲相移計數器Ci的選擇和相移方向，另一個設置每個重復周期相移次數，調整采樣率。

4 試驗測試與分析

利用Altera的EP4CE15，配上相應的取樣積分器，實現了上述控制系統的試驗測試。

試驗測試中，將發射脈沖衰減后分別輸入到取樣積分器和示波器，時間步長設定為250 ps，等效采樣時間設為100 ns。系統對發射脈沖信號測試與示波器測試的比較如圖4所示。由圖4可以看出二者一致性良好。

圖4 采樣變換輸出和示波器測試比較

在試驗測試中，有以下幾個問題需要注意。

① 計數器T和S均設計為簡單的二進制16位計數器，計數器高位的進位延遲可能會導致清零觸發時間錯誤。為了解決該問題，可考慮采用高速的同步計數器[7]。將寄存器R的值設定為十六進制數0x***7(這里*表示任意數)，最后一位為7。這樣在從0x***0到0x***7的計數過程中不會有高位進位，之前的高位進位可在這段時間從容完成，確保計數器清零并準確觸發。

② 一道掃描線的樣點數應設置為：

(4)

即等效采樣的時間為10 ns的n倍。由于C0、C1的時鐘周期均為10 ns，經過N次采樣后，C0、C1的時鐘相位恰好一致，因此可直接進入下一掃描線測試。

③ 觸發脈沖的時間抖動會嚴重影響接收回波的信噪比[8]。因此，發射觸發脈沖和取樣觸發脈沖的輸出和對應的脈沖電路需要精心設計。試驗系統中，觸發脈沖的輸出采用了差分信號，后續的脈沖電路采用了階躍二極管脈沖整形電路[9]和雪崩電路[10-12]的混合方式，以減小脈沖的時間抖動。

5 結束語

借助Cyclone III、IV 鎖相環(PLL)模塊的動態相位調整功能完成的地質雷達測控系統，能實現最高8 GS/s的等效時間采樣，可以滿足中心頻率500 MHz以下地質雷達的需要。和專用基準時鐘系統比較，Cyclone III、IV PLL模塊輸出時鐘的抖動偏大，在地質雷達的高頻段，采集數據的信噪比會有所下降，對此可以采用過采樣技術加以改善。

測控系統具有結構緊湊、功耗低、性能穩定和成本低廉的優點，對于低頻段、低成本的超寬帶地質雷達設計具有一定的意義。

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