一種等效時變增益探地雷達接收機設計

徐 偉，張 明

(中國人民解放軍工程兵學院 工程裝備管理與保障系， 江蘇 徐州 221004)

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一種等效時變增益探地雷達接收機設計

徐 偉，張 明

(中國人民解放軍工程兵學院 工程裝備管理與保障系， 江蘇 徐州 221004)

無載波沖激體制的探地雷達具有脈沖波形產生簡單、測量速度快、不存在頻域旁瓣干擾等特點，目前的商用探地雷達大多采用這種體制。但是現有的探地雷達系統普遍存在接收機動態范圍較小的問題，限制了其在深層探測領域的應用。針對沖激體制探地雷達的大動態范圍接收機技術進行深入研究，提出了適用于等效采樣電路的時變增益動態范圍壓縮技術，設計的動態壓縮電路可以有效地對接收信號進行20 dB的動態范圍壓縮，并且研制出了性能優越的等效時變增益探地雷達接收機。

探地雷達；接收機；動態范圍；時變增益

0 引 言

沖激體制探地雷達的回波信號隨著土壤深度的增加而急劇衰減，由于直耦波的存在，探地雷達接收機接收到的回波信號動態范圍非常大[1-2]。因此，對于探地雷達接收機而言，大動態范圍設計是非常重要的。除了增大采樣門本身的動態范圍外，還可以在接收機前端對接收信號進行動態范圍壓縮來提高整個接收機系統的動態范圍，從而增加探地雷達系統的探測深度。壓縮信號動態范圍的方法有很多種，雷達系統里常用的方法有：時變增益控制(TGC)、自動增益控制(AGC)、對數放大器等[3-4]，但是它們用于探地雷達回波信號的動態壓縮存在一些局限性，下面做簡略的介紹和分析。

TGC可以使接收機的靈敏度隨時間而變化，從而擴大了接收機的動態范圍，但是TGC會導致信號幅度在壓縮時畸變，對靈敏度的影響較大，而且會產生互調失真，引入調制噪聲。AGC是一種增益反饋技術，大多使用穩定的閉環結構，但對輸入信號需要一定的建立時間，反應不夠迅速[5]，在一定的條件下還會產生自激振蕩[6]，而且AGC 適用于處理連續信號，對于具有高度隨機性和時間很短的脈沖信號而言，AGC 系統的使用受到限制。對數放大器在輸入信號弱時，是線性放大器；在輸入信號強時，實質是輸出與輸入呈對數關系的對數變換器，屬于對動態范圍的非線性壓縮[7]。其輸出信號會產生嚴重畸變，不利于后端信號的處理[8]，在要求高精度的雷達接收系統中不適用。

以上這些壓縮信號動態范圍的方法一般用在對空雷達中，不適用于探地雷達[9]，主要是因為對空雷達的回波信號一般在數秒之上，而探地雷達的有效回波信號一般集中在幾百納秒之內，在這么短的時間內對接收信號進行動態范圍壓縮難度較大。結合以上傳統對空雷達增益控制的方法和探地雷達回波信號的等效采樣方式[10]的特點，本文提出了等效時變增益探地雷達接收機的設計方案。

1 等效時變增益探地雷達接收機設計

探地雷達的回波信號可以采用等效采樣的方法進行采樣，因為接收波形具有可重復性，可以在每個等效采樣周期內改變所有接收信號的增益，這樣接收信號中的大信號放大倍數小，小信號放大倍數大，從而壓縮了接收信號的動態范圍，起到了增大整個接收機系統動態范圍的效果。如圖1所示，觸發信號(周期為T)控制采樣脈沖在每個周期想定時刻(每個周期遞增t)對接收信號進行采樣，由于采樣脈沖是周期性遞增的，相鄰周期(周期為T)間遞增t，而在每個周期內增益的幅值會根據接收信號的特點進行設定，使采樣時刻的小信號增強、大信號抑制，這樣采樣出的信號就是T，2T+t，3T+2t，4T+3t，5T+4t，6T+5t，…時刻不同增益的接收信號，而接收信號是周期可重復的，相當于采樣出了0，t，2t，3t，4t，5t，…時刻的接收信號，這樣可以使接收機一直保持最大的靈敏度，不用擔心過飽和情況的出現。本文稱這樣的采樣技術為等效時變增益采樣技術。

圖1 等效時變增益采樣示意圖

圖 2為基于壓控增益放大器(VGA)設計的等效時變增益探地雷達接收機系統框圖。系統的增益在每次等效采樣的間隔都可以通過改變VGA 的控制電壓進行修改，從而達到等效時變增益的效果。

圖2 等效時變增益探地雷達接收機系統框圖

2 等效時變增益探地雷達接收機實現

在采樣保持模塊性能一定的情況下，探地雷達接收機的動態范圍主要由VGA 模塊決定。VGA 模塊的選擇主要考慮以下三點：

(1)探測頻率：探地雷達的探測深度與脈沖源的工作頻率相關，脈沖源的發射頻率越高，探地雷達的探測深度越淺[1-2]。一般用于深層探測的探地雷達發射信號的中心頻率在400 MHz 以下[1]，也就是發射信號的最高頻率約為800 MHz。

(2)采樣保持模塊：本實驗的探地雷達采用的是Linear 公司的LTC2259-16 模數轉化器作為系統的采樣保持模塊，它的輸入帶寬為800 MHz[11]，所以選擇的VGA 模塊帶寬要大于等于800 MHz。

(3)抗飽和能力：由于采取了等效時變增益采樣的方法，在每次等效采樣的時刻都會將接收信號全部放大一定的增益，這樣難免會使大信號飽和，進而影響放大器的性能，所以要選擇抗飽和能力強的VGA；而且由于探地雷達回波信號的特殊性，地面直耦波比較強，或者說接收信號開始的一段信號是無用的應該盡量抑制，所以應該選擇帶負增益的VGA。

最終選擇了Linear 公司的LTC6412，該器件擁有800 MHz帶寬，專門為從1 MHz～500 MHz 工作而優化，提供-14 dB～+17 dB 連續增益調節。該器件的增益用正或負斜率的控制電壓控制。采用正增益斜率模式時，增益控制斜率在140 MHz 時約為32 dB/V，控制范圍為0.1 V ～1.1 V[12]，如圖3 所示，+VG代表了正增益控制，-VG代表了負增益控制。而整個接收機系統的主控選擇了STM32F103，該芯片內部集成了數字/模擬轉換模塊(DAC)，通過電阻分壓可以使DAC的輸出范圍控制在0.1 V～1.1 V，實現對輸出信號增益的控制。

圖3 壓控增益放大器增益與控制電壓的關系

同時，該器件的抗飽和能力比較強，非常適合用于等效采樣的增益控制中，該器件的抗飽和特性如圖4 所示。0 ～80 ns時，控制電壓為1 V，電路輸出達到飽和；80 ns～400 ns時，控制電壓為0.5 V；在100 ns 時電路就恢復了正常增益狀態，只有20 ns 的飽和過渡時間，滿足設計要求。

圖4 LTC6412的抗飽和特性

使用Altium Designer 10 對設計方案進行原理圖及印制電路板版圖設計，圖5 為等效時變增益探地雷達接收機實物圖。

3 等效時變增益探地雷達接收機性能測試與分析

3.1 標準信號測試

測試采用Agilent公司的信號發生器MXG N5181A產生標準的100 MHz、700 mVpp的正弦波并接到壓控增益控制電路的信號輸入端，由于接收機輸入信號是差分的，所以信號發生器的信號要先通過一個變壓器由單端信號轉為雙端信號，變壓器選用的是線藝公司的WB3010，它是0.04 MHz～175 MHz 1∶1的射頻變壓器[13]，經過變壓器以后的信號如圖6所示。

圖6 經過變壓器后的輸入波形

采用Agilent公司的示波器DSO-X 3052A自帶的波形產生器產生200 kHz、2.4 V的方波并接到壓控增益控制電路的控制電壓輸入端，并給控制電壓輸入腳串聯了一個10 kΩ的電阻以匹配控制電壓輸入范圍在0.1 V～1.1 V之間變化，圖7為壓控增益放大器的輸出結果。

圖7 壓控增益放大器的輸出結果

由圖7的結果可知，控制電壓低時輸入信號被抑制，控制電壓高時輸入信號被放大，起到了對接收信號動態范圍壓縮的作用，圖6上部波形的峰值為250 mV，圖7上部波形的峰值為2.49 V，由增益計算公式可知

(1)

由數據手冊可知，LTC6412的最大增益為+17 dB，但是考慮到測量誤差、示波器表筆對測量的影響等原因，工程上可以認為該測量結果是正確的，由此可見設計的方案是可行的。

3.2 時變增益實驗

使用本實驗室設計的探地雷達系統對移動目標進行探測，實驗場景如圖8所示。實驗場景選在某樓頂，因為樓頂的外部干擾相對較少，背景噪聲較小。實驗儀器有本實驗室自主研發的200 MHz脈沖發射源、配套的收發天線、等效時變增益探地雷達接收機、目標、PC機、卷尺等。

圖8 目標測量場景圖

目標位于發射源5 m左右處，采集平均處理后的采集圖形如圖9所示，可見10 ns前后為很強的直耦波，38 ns處為目標回波，但是目標回波很微弱，這樣的采集結果不方便用戶對目標的識別，所以進行了時變增益控制，控制曲線如圖10所示。

圖9 平均后的目標采集圖形

圖10 時變增益曲線的設計

由圖9采集結果的特點設計了圖10的增益控制曲線，在30 ns以前可以認為是系統的直耦波，盡量減小其增益；30 ns～50 ns可以認為是目標回波的區域，盡量增大其增益。時變增益處理后的采集波形如圖11所示。

圖11 時變增益處理以后的目標回波

由圖11結果可知，時變增益控制處理后的目標回波抑制了直耦波，放大了目標回波，壓縮了系統接收信號的動態范圍，從而增大了整個接收機系統的動態范圍，由此可見本設計是正確的。

3.3 整機性能實驗

使用設計的探地雷達系統對六根金屬污水排水管進行探測，管上表面距地表約1.5 m，管直徑約為1.8 m，天線頻率為200 MHz，測量方式為輪測，實驗場景如圖12所示。

圖12 實驗場景

使用數據處理軟件對采集進行處理，原始的Bscan堆積圖中有一些掃描壞道，為了更加清楚地觀察回波信號，使用壞道周邊的數據對壞道數據進行插值處理，插值處理后的圖像如圖13所示，去背景后的圖像如圖14所示。

圖13 插值處理后的圖像

圖14 去背景以后的圖像

由圖14可知，圖中有六個明顯的雙曲線回波，可以認為是目標，在圖中用黑色圓圈進行了表示，由于第三個目標的采集數據比較好，其余目標的周邊數據存在一些壞道，所以對第三個目標進行了成像，成像結果如圖15所示。

圖15 第三個目標的成像結果

由圖15的成像結果可知，該目標的深度約為1.3 m左右，這與實際的測量相符，由此可見本文設計的等效時變增益探地雷達接收機系統是正常工作的。

4 結束語

由于直耦波的存在，探地雷達接收機接收到的回波動態范圍非常大，為了增大探地雷達的探測深度，大動態設計是非常重要的。除了增大采樣門自身的動態范圍外，還可以對接收信號進行動態范圍壓縮來提高整個接收機系統的動態范圍。傳統的動態范圍壓縮模塊一般置于采樣保持模塊之后，這樣雖然方便了后續的數據處理，但實質上對接收信號的動態范圍已經沒有作用，因為接收信號的動態范圍已被采樣保持模塊限制。因此，本設計將動態范圍壓縮模塊置于采樣保持模塊之前，結合傳統對空雷達增益控制方法和探地雷達回波信號的等效采樣的特點，提出了等效時變增益探地雷達接收機的設計方案。通過在每次采樣周期內改變接收信號的增益，再將每次等效采樣的值合成起來組成最終的采樣結果。標準信號測試和實際場景實驗驗證了系統的可行性，達到了預期的設計效果，由此可見本文的設計方案是正確的。

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徐 偉 男，1988年生，碩士，助教。研究方向為表層穿透雷達信號處理。

張 明 男，1979年生，博士，副教授。研究方向為雷達信號處理。

Design of Equivalent Sampling Ground Penetrating Radar Receiver with Time-varying Gain Dynamic Range

XU Wei，ZHANG Ming

(Department of Engineering Equipment Management and Guarantee,Engineer Academy of People′s Liberation Army, Xuzhou 221004, China)

Impulse ground penetrating radar (GPR) has some obvious advantages in the field survey, such as simple waveform generation, high pulse repetition, no interference in frequency domain and so on. The common GPR systems are based on the impulse radar technique and are prevalent in the commercial market. However, small dynamic range is the common problem in the GPR receiver system currently, which limits its application in the field of deep penetrating. In this thesis, the large dynamic range receiver technology of impulse GPR system is studied deeply and time-varying gain dynamic range compression technology is proposed for the equivalent sampling circuit. The technology can provide 20 dB dynamic range compression for the received signal. A physical receiver has also been developed with good performance.

ground penetrating radar; receiver; dynamic range; time-varying gain

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.11.016

徐偉 Email：459091630@qq.com

2016-08-19

2016-10-24

TN957.5

A

1004-7859(2016)11-0075-04