葉盛波 周 斌 方廣有

（1.中國科學院研究生院，北京 100190；2.中國科學院電子學研究所，北京 100190）

1.引 言

探地雷達（GPR）是利用超高頻脈沖電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，它具有快速、簡便的對淺層目標和結(jié)構進行無損探測的特點，已被廣泛應用于城建、交通、地質(zhì)、考古、國防等部門［1］。由于具有分辨率高、電路系統(tǒng)接收簡單等優(yōu)點，已被產(chǎn)品化的探地雷達基本上都采用無載頻毫微秒脈沖信號體制。

在寬帶脈沖探地雷達系統(tǒng)中，雷達接收機多采用等效時間采樣技術［2］。該方法需要一個模擬采樣門電路將周期重復的高頻降頻為低頻信號。常見的取樣門主要有橋式肖特基二極管取樣門［3－5］或者由取樣相位檢測器（SPD）構成的取樣門［6－7］。這些采樣門的帶寬能達到數(shù)GHz以上，但基于這些采樣門結(jié)構的接收機屬于模擬接收機，信號在降頻的過程中，可能會丟失部分原始信息。同時這種接收機不僅回波利用率較低，而且電路調(diào)試難度大。

與模擬接收機不同的是，數(shù)字接收利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（A／D）對信號進行實時采樣，回波利用率很高，電路靈活性好。實時采樣不需要對信號進行降頻，從而保留了信號的所有信息［8］。然而高速A／D芯片的成本一般成本高、功耗大。另外，由于高速A／D需要的時鐘頻率高，容易產(chǎn)生電磁干擾。同時，高速A／D輸出的數(shù)據(jù)碼流高，增加了后續(xù)的存儲、處理等電路的復雜度。

綜合考慮模擬接收機和數(shù)字接收機的優(yōu)缺點，結(jié)合等效時間采樣和實時采樣，論文提出了一種新的探地雷達采樣技術——等效數(shù)字采樣［9］。該方法的基本思想是通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）編程，對脈沖回波信號進行1比特采樣并進行均勻量化，實現(xiàn)脈沖回波信號的等效接收和數(shù)字化。利用該思想，本文研制出無集成A／D的探地雷達數(shù)字接收機。該接收機的模擬帶寬達500MHz，可應用于中心頻率低于300MHz的超寬帶探地雷達系統(tǒng)中。同時它具有等效7位、4.096GHz采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，從周期性的雷達回波得到任意點的A－scan波形僅需經(jīng)歷512個回波周期。與傳統(tǒng)探地雷達接收機相比，電路結(jié)構簡單、功耗低、回波利用率高。

2.數(shù)字接收機采樣原理分析

數(shù)字接收機采樣原理圖如圖1所示。其電路基本結(jié)構主要包括采樣接收電路和觸發(fā)延遲電路。采樣基本過程通過1比特并行交替實時采樣、延遲采樣和均勻量化3部分來完成。

圖1 數(shù)字接收機采樣原理框圖

2.1 1比特并行交替實時采樣

設比較器后級的八個D采樣觸發(fā)器DFF00～DFF07的輸入時鐘分別為clk0～clk7，頻率均為fD，相鄰相位差為45°。則第n個D采樣觸發(fā)器輸出序列為

式中TD＝1／fD.

將Q0（k）～Q7（k）這8個序列按照時間先后進行排序后，可以得到等效采樣率為8fD的1比特的實時采樣，即

2.2 延遲采樣

為了進一步提高采樣率，將發(fā)射機的同步觸發(fā)信號Tx經(jīng)過可變延遲單元延遲一個小的時間間隔，同時保持相同的采樣時刻。設可變延遲單元的延遲步進量為Δτ，并且滿足

設第m次延遲量為Δt（m），且滿足：則Tx經(jīng)過Δt（m）的延遲后，得到的1比特交替并行實時采樣的結(jié)果ym（k）為

經(jīng)過M次延遲后，將M次延遲觸發(fā)后的1比特交替并行實時采樣的結(jié)果y1（k）～yM（k）構造為二維數(shù)據(jù)矩陣Y［m］［k］，且有

對該矩陣數(shù)據(jù)元素按列讀取，即可得到延遲采樣后的1比特數(shù)據(jù)so（k）為

可以看到，經(jīng)過M次延遲采樣后，可以得到等效采樣率fs為

采樣率提高了M倍。

2.3 均勻量化

為提高量化精度，改變比較器反相端的閾值電壓vth，設第j個閾值電壓vth（j）滿足

式中：v0為初值；Δv為遞增量。設在vth（j）下得到的8MfD的1比特采樣序列為soj（k），則經(jīng)過J次比較后，將J次的1比特采樣序列soj（k）進行累積，可以得到第k個采樣點的等效量化值d（k）為

等效量化位數(shù)Nbit為

從上面的結(jié)果可以得到：經(jīng)過M×J個相同的輸入信號后，可以得到等效Nbit位、8fDM采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，該結(jié)果和直接用Nbit位、8fDM采樣率的集成商用A／D的結(jié)果是等效的。在實際應用中，Δv可根據(jù)比較器允許的輸入電壓范圍以及系統(tǒng)等效量化位數(shù)Nbit來確定。為減小重構A－scan所需要的回波數(shù)，一般Nbit選擇7或8。圖2為Nbit＝7，fD＝128MHz和不同的fs下，等效時間采樣以及等效數(shù)字采樣重構A－scan所需要的回波數(shù)與采樣點數(shù)的關系曲線圖。以fs＝4.096GHz為例，當采樣點數(shù)大于512點時，等效數(shù)字采樣的回波利用率要優(yōu)于等效時間采樣。

圖2 重構A－scan所需要的回波數(shù)與采樣點數(shù)的關系曲線圖

3.數(shù)字接收機的實現(xiàn)

設計的數(shù)字接收機的原理框圖如圖3所示。接收機主要由接收機前端和采樣控制器兩大部分組成。接收機前端的作用是對雷達回波信號進行預處理，從而改善接收機的動態(tài)范圍。采樣控制器除了完成等效7－bit、4.096GHz采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能外，還要完成接收機前端的衰減控制功能、發(fā)射機觸發(fā)控制功能以及通過通用串行總線（USB）接口與PC機進行數(shù)據(jù)通信等功能。

圖3 數(shù)字接收機原理圖

3.1 接收機前端

從接收天線得到的差分雷達回波信號首先進行限幅，以保護后級的射頻器件；然后經(jīng)過數(shù)控寬帶衰減器，衰減器最大衰減范圍是50dB，最小衰減步長為1dB；最后，信號再經(jīng)過兩級寬帶放大器進行放大，兩級放大增益為50dB；放大后的差分信號經(jīng)過適當?shù)闹绷髌煤蠼拥讲蓸涌刂破鬟M行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.2 采樣控制器

采樣控制器主要由 FPGA、7－bit D／A 以及USB控制器組成。其中FPGA是整個控制器的核心，所用的FPGA是Xilinx公司的XC3S400系列。該款FPGA不僅具有豐富的邏輯資源和存儲資源，而且還具有時鐘管理單元等。另外它還支持多種不同標準的差分端口，如2.5V低壓正極性發(fā)射極耦合邏輯（LVPECL）、2.5V 低壓差分信號（LVDS）等。等效數(shù)字采樣系統(tǒng)由FPGA的LVPECL差分輸入端口、7－bit D／A以及FPGA內(nèi)部D觸發(fā)器構成，整個數(shù)字采樣系統(tǒng)等效采樣率為4.096GHz，7－bit量化位數(shù)，最小量化電壓為4.3mV.

差分輸入端口作為等效數(shù)字采樣系統(tǒng)中的高速比較器［10］。LVPECL差分端口支持的最高速率能達數(shù)GHz以上，為保證正確輸出，理論上要求差分端口輸入的差模電壓（）大于100mV，但實際測量結(jié)果表明，當小于2mV時，LVPECL差分端口仍然能正常工作。圖4為差分端口實測結(jié)果。

7－bit D／A通過權電阻網(wǎng)絡來實現(xiàn)等效D／A的功能。D／A的輸出作為比較器反相輸入的閾值電壓，其輸出范圍為549mV，電壓輸出分辨率為4.3 mV.電壓輸出值通過FPGA的7位端口對權電阻網(wǎng)絡進行控制。

圖4 差分輸入端口特性測試圖

采樣電路中的8個D觸發(fā)器的工作頻率均為128MHz，由FPGA內(nèi)部的數(shù)字時鐘管理（DCM）來實現(xiàn)相鄰兩個時鐘間45°的相位差，由于時鐘是在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，既減小了對外圍電路的電磁干擾，同時還能很好的保證時鐘間的相位關系。

量化累積的算法以及數(shù)據(jù)排列的算法都在FPGA中進行，以減小數(shù)據(jù)量和上位機的工作量。采樣得到的數(shù)據(jù)最終通過高速USB接口傳送到PC機并通過VC界面進行顯示。

4.實驗結(jié)果分析

整個接收機的功耗低于1.5W，采用筆記本電腦對其進行5V供電。在整個雷達接收機中，由于接收機前端較容易滿足寬帶低噪聲的特性，所以采樣控制器的性能決定了整個接收機的性能。

圖5（a）為采樣控制未接入模擬信號時（比較器同相端有固定直流偏置電壓），整個采樣控制器量化噪聲測試結(jié)果。整個采樣控制器的噪聲來源主要有：D／A的輸出電壓、偏置電路、電源和地。這些噪聲共同作用的結(jié)果直接影響了采樣控制器的量化噪聲水平。從測試的結(jié)果來看，512個采樣點具有相同的量化值，可知整個采樣控制器的量化噪聲低于2.2mV，即最小量化電壓的一半（0.5Δv）。

圖5（b）為采樣控制器轉(zhuǎn)換標準信號的測試結(jié)果。測試輸入信號為120MHz的正弦波信號，信號的峰峰值為450mV，采樣控制器觸發(fā)重復頻率為33kHz.從圖中給出的結(jié)果看，重構后的信號在幅度和周期上與原始輸入信號非常吻合，說明該采樣控制器在不需要集成A／D的情況下能很好的完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖5 測試結(jié)果圖

為測試采樣控制器的輸入帶寬，利用信號源AWG7122B產(chǎn)生50～650MHz的正弦波信號，接入采樣控制器進行采樣。經(jīng)過測試，該采樣控制器的增益轉(zhuǎn)換曲線［11］如圖5（c）所示。從曲線上可以看到，該采樣控制器的－3dB輸入模擬帶寬約為500 MHz.

為進一步測試該接收機在實際探地雷達系統(tǒng)中的性能，我們將該接收機和已有的發(fā)射機、收發(fā)天線集成在一起，研制出一套完整的脈沖探地雷達系統(tǒng)。其中發(fā)射機輸出的脈沖峰值幅度為±400V，脈寬約為8ns.天線工作的中心頻率為100MHz.圖5（d）為地下管道測試B－scan圖，圖中第332道、777道、1338道、1795道、2603道處含有管道散射的較強回波，他們呈明顯的雙曲線，是管道等線狀目標B－scan回波出現(xiàn)的特征。實測結(jié)果表明：該雷達系統(tǒng)具有很好的探測性能，同時也證明了設計的接收機具有很好的接收性能，能滿足實際探地雷達系統(tǒng)的要求。

5.結(jié) 論

論文提出了一種新型的數(shù)字采樣接收方法——等效數(shù)字采樣。該采樣技術不需要采用集成A／D，而是通過對模擬信號進行1比特并行交替采樣、多次量化累積來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。該方法不僅克服了傳統(tǒng)探地雷達模擬接收機需要模擬采樣門而導致的信號丟失、電路調(diào)試難度大的缺點，而且還克服了數(shù)字接收機需要高速A／D而造成的電路復雜、成本高、功耗大等缺點。基于該采樣思想，利用單片F(xiàn)PGA和少量外圍器件實現(xiàn)等效4.096GHz采樣率、7位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字接收機。整個接收機電路結(jié)構簡單，性能穩(wěn)定，整機功耗不超過1.5 W，采用筆記本進行供電。實測結(jié)果表明：該接收機具有很低的量化噪聲，能很好的重構輸入信號，模擬帶寬達500MHz，可應用于中心頻率低于300MHz的沖擊脈沖探地雷達系統(tǒng)中。同時外場試驗測試結(jié)果也證明了該接收機在實際探地雷達系統(tǒng)中具有很好的性能，能滿足實際探地雷達的應用需求。

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