一種新型多調制模式探地雷達系統的設計

蔣知明，曾 鏢，徐位君

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北 荊門 448000）

0 引言

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）作為一種高效、便捷的地下情況探測設備，它依靠發射高頻或超高頻電磁波和接收其從目標反射的回波來獲取目標的信息[1]。通過對回波的處理，可以獲得地下探測目標的二維或三維圖像，目前在高速公路、鐵路路基檢測、考古發掘探測等各項工程探測中得到了廣泛應用[2]。 以電力行業探測場景為例，使用探地雷達進行地層管線探測，可根據回波的波相差異特征來判斷介質的結構狀態和物理特征，從而準確判斷地下地質結構、地下線纜和管道位置和走向[3]。

一般來說，雷達是利用電磁波探測目標的電子設備，發射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位高度等信息。 但是，復雜的地理環境所產生的雜波信號，未知的電磁環境所導致的干擾信號，嚴重影響了雷達目標探測的性能[4]。 近年來，得益于軟、硬件技術的發展，探地雷達技術在數據處理方面越發精細，對于干擾信號的屏蔽能力也越發強大，并能夠搭載在無人機等平臺上進行使用。 而新的探測信號類型，例如連續波信號（Continuous Wa-ve，CW），尤其是連續可調頻信號 （Fr-equency Modulated Continuous Wave，FMCW）的出現，使得探地雷達能夠對具有生命體征或是具有移動能力對象的檢測成為了可能。 相較于鋸齒波和三角形波，FMCW 擁有更大的測量范圍，且對干擾信號有一定的抵抗性。 此外，FMCW方式還具有易于調制、發射功率低、帶寬大、分辨率高、信號處理復雜度低、成本低廉、工程技術成熟等顯著優點[5]。

盡管探地雷達在各類需要地層探測的場景中得到了較為廣泛的應用，且搭載功能也越發強大和多樣，其探測也朝著可視化、智能化的方向發展。 但其仍然是一種價格較為昂貴的探測設備，以市場上探地雷達售價相對較低和英國雷迪和加拿大Sensor&Software 為例，其單個產品價格最低也近20 萬元，這也在一定程度上限制了探地雷達在普通用戶中的使用。

本文設計了一種成本低、 調制模式可變探地雷達系統，在滿足傳統探底雷達探測需求的情況下，降低了探地雷達系統的成本，且調制模式可變。

1 總體設計方案

該雷達系統具有三角波調制、鋸齒波調制、方波調制、階梯波調制等四種不同的調制方式，以發射不同的探測信號波形。 該雷達的工作信號頻率為2.4GHz，內置ISM 頻段。能夠產生頻率范圍在2 315GHz ～2 536GHz 的正弦波信號，該信號通過壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）生成。 VCO 選用的是 ZX95-2536C+，作用是產生同步脈沖信號，其具有低相位噪聲、 低頻率牽引等優點。為了對調制模式進行控制，并能夠接收同步脈沖和檢測信號，收發器通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接到筆記本電腦和音頻端口。

該雷達選用FMCW 作為觸發信號是因為其既可測距又可測速，并且在近距離測量上的優勢較為明顯。 盡管可能遇到同頻干擾和零監測點等問題，但通過探測頻率的選定，能夠較好解決同頻干擾代理的影響。 此外，由于FMCW 探地雷達采用VCO 產生觸發信號，這也簡化了該雷達調制部分的電路設計，降低了其電路的設計成本。

2 硬件設計

該雷達硬件部分包含兩個部分：調制器模塊、射頻電路和視頻放大器模塊。

2.1 調制器模塊

調制器模塊采用基于32 位的ARM Cortex-M 微控制器LPC1768 來連接VCO 的Vtune 引腳，在微控制器和之間VCO，安裝有一個低頻電壓緩沖器，其作用是將電流從700 uA 放大到至少36 mA，以滿足VCO 引腳要求。 調制器模塊圖如圖1 所示。

圖1 調制器模塊圖

借助 LPC1768ARM 庫，對 LPC1768 進行 C 語言編程，驅動程序通過數模轉換器 （DAC）、 通用異步收發器（UART）、USB 和其他接口來實現。LPC1768 自帶一個最大更新速率為 1 MHz 的 10 位 DAC。 其中，DAC 的更新頻率可由 SysTick（System tickTimer）進行設置，SysTick 是所有基于Cortex-M3 系列處理器的微控制器，都帶有一個24位的系統節拍定時器，具有自動重載和溢出中斷功能，通過這個定時器能夠獲得一定的時間間隔。

模擬信號的輸出采用的周期為40 ms 的三角波，其最小值為和最大值分別為1.75V 和3.25V，分別對應2.4GHz和2.5GHz 的VCO 輸出。在三角波輸出信號的開始及輸出周期的中段，同步脈沖由微控制器的另一個模擬信號輸出端口輸出，該同步脈沖信號由到電腦的左通道音頻輸入端接接收。通過改變LPC1768 DAC 的輸出，可以實現其他類型的調制，例如鋸齒型FMCW、FSK 和SFCW。

2.2 射頻電路和視頻放大器模塊

如圖2 所示為射頻電路結構示意圖，由VCO、兩個低噪聲放大器以及分離器、衰減器和混合器組成。 射頻電路和視頻放大器采用四路低噪聲運算放大器（OP467），實現視頻增益，并通過抗混疊濾波器將輸出電平中把混疊頻率分量減小到最低。 該視頻信號的輸出連接到電腦的右音頻端。 采集到的數據（回波信號），通過已有的雷達探測數據分析軟件，能夠實時在電腦上顯示探測的波形圖。

圖2 射頻電路結構示意圖

2.3 天線選擇

探地雷達的天線必須具有良好的脈沖保真度和良好的穿透性。考慮到通常天線是在距離土壤或是其他地層表面很近的場景下工作，由此帶來的折射波和反射波往往會影響天線性能。 此外，在天線的設計中還需要考慮如何降低發送和接收天線之間的耦合性，以此降低檢測錯誤率。

考慮到上述問題，本文采用兩個微帶電路進行發射天線和接收天線的設計，保證了相互隔離，不會造成干擾，微帶天線和后級電路相互連接時，通過軟件優化對阻抗進行匹配，減小因阻抗失配而引起的駐波現象。

3 探測過程的實現

本文探地雷達的整個探測過程的具體實現步驟如下。

1） 微控制器同時發出兩種信號。 通過模擬信號輸出端P18 將啁啾信號輸出到低頻放大器； 通過輸出端P19將同步脈沖信號輸入到低頻放大器。 低頻放大器將放大信號后的信號輸出到壓控振蕩器中。

2） 壓控振蕩器將頻率在 2.4GHz～2.5GHz 的 ISM 頻段信號輸出到射頻電路中的混頻器中。 而通過輸出端P19輸出的同步脈沖信號，經低頻放大器放大后的信號輸出到電腦左音頻端。 同時，壓控振蕩器將啁啾信號傳輸至衰減器，經衰減器衰減固定值的信號進入寬帶放大器。

3） 寬帶放大器對該信號進行放大后將信號傳輸至分離器。分離器將該信號分離，高頻信號傳輸至發射天線，由發射天線將該信號發出，由此完成整個探測的發射過程。

4） 接收天線對回波信號進行接收，并將信號傳遞至低噪聲放大器，低噪聲放大器對接收天線傳回的信號進行放大（放大系數可在0.4～2.0 之間進行調整），并將放大后的信號傳輸至混頻器中，混頻器將分離器傳輸的信號和低噪聲放大器傳輸的信號進行混頻，并進行峰值檢波，檢波后的信號被視頻放大器放大，傳輸至電腦端的右音頻端進行顯示。

4 結語

本文設計了一種基于FMCW 的探地雷達系統，在保持制造成本相對低廉的情況下，通過多種調制模式的變換，使其能夠很好地適應各種不同的探測場景。 隨著科技水平的不斷進步和經濟社會的不斷發展，探地雷達的應用范圍也將越發寬廣，其功能也將不斷完善，而結構輕量化、 信號處理和介質識別智能化、 制造和使用成本低廉化，必將是探地雷達系統未來的發展方向。