STM32 单片机与冲击型探地雷达的设计与研究

只看该作者 · 2018-10-22 12:39

探地雷达是一种有效的无损探测仪器，在地质勘探方面具有广泛的应用前景。
在探地雷达的各种体制结构中，冲击型探地雷达因其结构简单、探测效果良好等
特点而被广泛采用。本文主要围绕冲击型探地雷达的脉冲源和数据采集系统展开
研究。为了简化系统的结构，提高系统的性能，降低系统的功耗，提出了一种基
于FPGA和MCU架构的设计方案。该方案以FPGA作为主控芯片，MCU辅助系统通信
和功耗控制，既保证了系统良好的工作性能，又具有出色的低功耗特性。
冲击型探地雷达的发射机需要一个高功率的超宽带脉冲。系统采用了雪崩三极
管设计方案实现超宽带脉冲。在分析了雪崩三极管的击穿特性的基础上，设计并
制作了双极性脉冲源电路。实验测试，该电路输出脉冲最大幅度可达到100V，脉
冲宽度为7nso
数据采集系统采用等效采样的设计方案。为了回避高速采样门的设计，等效采
样采样选用了可控延时器配合宽带模数转换器的思想，其中，可编程延时器选用
MC100EP196，模数转换器选用AD9629oMC100EP196的最小延时步长为lops，所以，
理论上该系统的等效采样率可达到100GSa/so
在该部分的设计中，(1)在详细说明等效采样原理的基础上，分析了系统方案
的可行性;(2)等效采样的控制系统由FPGA设计。通过FPGA的高速逻辑设计，
调节采集时钟的精延时和粗延时，以及发射触发脉冲和采样时钟的同步，实现了
雷达回波的数据采集;(3)设计了前端保护电路，该电路采用二极管限幅电路，
允许输入端输入最高脉冲达到近100V。这样采集系统可用于收发一体的天线系统。
(4)利用STM32F103作为雷达的电源管理模块，在长时间接收不到工作命令或者
收到待机命令时，切断发射机和数据采集模块的电源，实现系统的低功耗。
为了检验系统的性能，对系统进行了系列测试。其中包括时钟信号完整性的测
试，数据采集系统的测试。根据测试结果和采集回波的效果图可知，该方案能够
实现对较低频探地雷达回波的采集，等效采样率为20GSa/s时，测试效果良好。

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探地雷达的发展历史悠久，早在1910由一份德国专利中提出了这个概念，到
目前为止经历了一百多年的发展，上个世纪初期中期多以理论研究为主，逐步建
立了电磁波在有损介质中的基本理论，探地雷达设备真正高速发展的时期是在上
个世纪后期。得益于上个世纪后期电子信息技术、计算机技术的发展，探地雷达
的研究在数据采集、超宽带脉冲、回波信号分析、图形图像处理等领域取得了很
多成就，也发展了很多不同体制的探地雷达设备。目前，由于电磁波在地下介质
中传播的复杂性，探地雷达在理论上没有什么根本性的突破，研究的方向多放在
对设备硬件性能的提高和功能扩展以及数字信号处理。数字信号处理技术多应用
在对雷达回波的处理和分析，如对雷达回波的滤波技术，信号增强，图像的三维
处理，对目标体反演的结果解释等等。在设备的硬件研究上主要对发射机、数据
采集系统和天线的设计展开，也有对雷达辅助设备的研究，比如雷达的a}n」距定位
功能。

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探地雷达主要的发展历史可以概括为三个阶段:第一阶段(1900年至1960年)，
这一阶段主要是提出了探地雷达探的概念，对探地雷达的可行性研究进行了理论
分析;第二阶段(1960年至1980年)，这一阶段制作出了探地雷达的基本系统，
开始逐渐的应用和推广探地雷达了，在这一阶段建立了电磁波对地下目标探测的
基本理论;第三阶段(1980年至今)，在这一阶段探地雷达得到了空前的发展，借
助于电子信息技术计算机技术的发展，探地雷达在性能上得到了很大的提升，同
时在数据处理，图像解释等技术上发展得越来越成熟。从这一阶段开始，探地雷
达作为一种成熟的探测方法被广泛地应用于各行各业的探测应用中，取得了不错
的探测效果。

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从上个世纪八十年代开始，出现了商用的探地雷达，国外越来越多的公司投入
到探地雷达的商用发展中「16]。目前，国外主要的探地雷达公司有EMRAD,  ERA
Technology,  Geophysical Survey Systems Inc.(GSSI)、GeoRadar Inc.、Ingegneria Dei
Sistemi(IDS), Koden Electronics Co., Ltd, MALA GeoScience, Radar Systems Inc.等等。
国外的探地雷达商用化程度很高，比如美国的GSSI的SIR系列探地雷达:SI R30,
SIR20,  SIR3000。该公司的产品每个控制单元有四个天线通道，用于不同的探测环
境，数据采集时间窗口。-8000 ns，脉冲源重复频率从400 KH:到800 KH:不等，
采用RS232串口传输。加拿大pulse EKKO公司的探地雷达的数据采集时间窗口可
达200 us，增益可达186 d B，采用无线模块传输，收发天线采用的是偶极子天线
的结构。日本的Georadar探地雷达公司的Zond-12e探地雷达脉冲重复频率115
KHz，天线工作频率300 MHz-2 GHz。瑞典探地雷达公司MALA有长达80年的历
史，一直致力于探地雷达系统的研发，产品类型包括车载式，钻孔式以及手持式
等多种形式的探地雷达，适用于不同的应用场合，其RAMAC钻孔雷达系统的探测
距离可达10-20m，该公司的产品的脉冲源重复频率在10 k Hz-200 KHz可选，采样
率高达100 GSa/s，距离传输采用光纤传输方式，采样点超过8000个点。各个公司
探地雷达都是超宽带的接收和发射系统，工作的方式基本一致，主要区别在于结
构设计、数据处理和软件。

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脉冲源电路设计是探地雷达系统的重要组成部分，脉冲源的性能直接影响探地
雷达探测效果。一般评估脉冲源性能有几个重要参数:脉冲幅度，脉冲宽度，重
复频率。脉冲幅度越高，辐射能力越强，探测深度越深，根据应用的场合不同设
计出的脉冲幅度一般从几十伏到上千伏不等「上列「2。」。脉冲宽度越窄，频谱越宽，分辨
率越高，探测的目标越小。重复频率越高探测速度越快，但过高的重复频率会使
器件发热严重。
有时候处于对天线尺寸和辐射增益考虑，需要把脉冲源设计成双极性脉冲，这
时候双极性脉冲波形一致性也应该被重视。探地雷达是一个精密的测量仪器，不
仅会受到外界电磁环境的影响，也容易受到自身发射脉冲的电磁干扰，所以发射
机的脉冲源电路需要进行一定的电磁屏蔽处理「2上」。

只看该作者 · 2018-10-22 12:42

脉冲源电路设计的关键就是提高输出脉冲的幅度，并且要求脉宽窄(频带宽)，
这样可以提高探地雷达的探测深度和分辨率，但是脉冲的幅度和频带往往不能兼
得，需要合理的取舍。产生发射脉冲的电路有很多种形式，常用于脉冲源设计的
半导体开关有雪崩三极管、阶跃二极管等器件，使用雪崩三极管电路可以产生上
千伏的窄脉冲。
当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。产生漂移运动的少
数载流子通过空间电荷区时，在很强的电场作用下获得足够的动能，与晶体原子
发生碰撞，从而打破共价键的束缚，形成更多的自由电子一空穴对，新产生的电子
和空穴与原有的电子和空穴一样，在强电场作用下获得足够的能量，继续碰撞电
离，再产生电子一空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值
后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多
而快，使反向电流急剧增大，于是PN结被击穿，这种现象称为雪崩效应。晶体管
一般都有一定的雪崩效应，管子的材质结构不同雪崩效应差别很大，一般情况下，
PNP管的雪崩效应比NPN管的要差很多，所以使用雪崩三极管一般采用NPN管。