新型超寬帶探地雷達(dá)數(shù)字采樣接收機(jī)設(shè)計(jì)

葉盛波 周 斌 方廣有

（1.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190）

1.引 言

探地雷達(dá)（GPR）是利用超高頻脈沖電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，它具有快速、簡(jiǎn)便的對(duì)淺層目標(biāo)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探測(cè)的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城建、交通、地質(zhì)、考古、國(guó)防等部門［1］。由于具有分辨率高、電路系統(tǒng)接收簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已被產(chǎn)品化的探地雷達(dá)基本上都采用無載頻毫微秒脈沖信號(hào)體制。

在寬帶脈沖探地雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)接收機(jī)多采用等效時(shí)間采樣技術(shù)［2］。該方法需要一個(gè)模擬采樣門電路將周期重復(fù)的高頻降頻為低頻信號(hào)。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(cè)器（SPD）構(gòu)成的取樣門［6－7］。這些采樣門的帶寬能達(dá)到數(shù)GHz以上，但基于這些采樣門結(jié)構(gòu)的接收機(jī)屬于模擬接收機(jī)，信號(hào)在降頻的過程中，可能會(huì)丟失部分原始信息。同時(shí)這種接收機(jī)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(jī)不同的是，數(shù)字接收利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（A／D）對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，回波利用率很高，電路靈活性好。實(shí)時(shí)采樣不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻，從而保留了信號(hào)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(shí)鐘頻率高，容易產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)，高速A／D輸出的數(shù)據(jù)碼流高，增加了后續(xù)的存儲(chǔ)、處理等電路的復(fù)雜度。

綜合考慮模擬接收機(jī)和數(shù)字接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合等效時(shí)間采樣和實(shí)時(shí)采樣，論文提出了一種新的探地雷達(dá)采樣技術(shù)——等效數(shù)字采樣［9］。該方法的基本思想是通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）編程，對(duì)脈沖回波信號(hào)進(jìn)行1比特采樣并進(jìn)行均勻量化，實(shí)現(xiàn)脈沖回波信號(hào)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(dá)數(shù)字接收機(jī)。該接收機(jī)的模擬帶寬達(dá)500MHz，可應(yīng)用于中心頻率低于300MHz的超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)中。同時(shí)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(dá)回波得到任意點(diǎn)的A－scan波形僅需經(jīng)歷512個(gè)回波周期。與傳統(tǒng)探地雷達(dá)接收機(jī)相比，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、回波利用率高。

2.數(shù)字接收機(jī)采樣原理分析

數(shù)字接收機(jī)采樣原理圖如圖1所示。其電路基本結(jié)構(gòu)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(shí)時(shí)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(jī)采樣原理框圖

2.1 1比特并行交替實(shí)時(shí)采樣

設(shè)比較器后級(jí)的八個(gè)D采樣觸發(fā)器DFF00～DFF07的輸入時(shí)鐘分別為clk0～clk7，頻率均為fD，相鄰相位差為45°。則第n個(gè)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(gè)序列按照時(shí)間先后進(jìn)行排序后，可以得到等效采樣率為8fD的1比特的實(shí)時(shí)采樣，即

2.2 延遲采樣

為了進(jìn)一步提高采樣率，將發(fā)射機(jī)的同步觸發(fā)信號(hào)Tx經(jīng)過可變延遲單元延遲一個(gè)小的時(shí)間間隔，同時(shí)保持相同的采樣時(shí)刻。設(shè)可變延遲單元的延遲步進(jìn)量為Δτ，并且滿足

設(shè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)采樣的結(jié)果y1（k）～yM（k）構(gòu)造為二維數(shù)據(jù)矩陣Y［m］［k］，且有

對(duì)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?cái)?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(shè)第j個(gè)閾值電壓vth（j）滿足

式中：v0為初值；Δv為遞增量。設(shè)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(jìn)行累積，可以得到第k個(gè)采樣點(diǎn)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(gè)相同的輸入信號(hào)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(shí)際應(yīng)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(gòu)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(shí)間采樣以及等效數(shù)字采樣重構(gòu)A－scan所需要的回波數(shù)與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線圖。以fs＝4.096GHz為例，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)大于512點(diǎn)時(shí)，等效數(shù)字采樣的回波利用率要優(yōu)于等效時(shí)間采樣。

圖2 重構(gòu)A－scan所需要的回波數(shù)與采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線圖

3.數(shù)字接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的數(shù)字接收機(jī)的原理框圖如圖3所示。接收機(jī)主要由接收機(jī)前端和采樣控制器兩大部分組成。接收機(jī)前端的作用是對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，從而改善接收機(jī)的動(dòng)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(jī)前端的衰減控制功能、發(fā)射機(jī)觸發(fā)控制功能以及通過通用串行總線（USB）接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等功能。

圖3 數(shù)字接收機(jī)原理圖

3.1 接收機(jī)前端

從接收天線得到的差分雷達(dá)回波信號(hào)首先進(jìn)行限幅，以保護(hù)后級(jí)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(zhǎng)為1dB；最后，信號(hào)再經(jīng)過兩級(jí)寬帶放大器進(jìn)行放大，兩級(jí)放大增益為50dB；放大后的差分信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹绷髌煤蠼拥讲蓸涌刂破鬟M(jìn)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(gè)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(chǔ)資源，而且還具有時(shí)鐘管理單元等。另外它還支持多種不同標(biāo)準(zhǔn)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(hào)（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(gòu)成，整個(gè)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(dá)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(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)小于2mV時(shí)，LVPECL差分端口仍然能正常工作。圖4為差分端口實(shí)測(cè)結(jié)果。

7－bit D／A通過權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)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(duì)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。

圖4 差分輸入端口特性測(cè)試圖

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

量化累積的算法以及數(shù)據(jù)排列的算法都在FPGA中進(jìn)行，以減小數(shù)據(jù)量和上位機(jī)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(jī)并通過VC界面進(jìn)行顯示。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)接收機(jī)的功耗低于1.5W，采用筆記本電腦對(duì)其進(jìn)行5V供電。在整個(gè)雷達(dá)接收機(jī)中，由于接收機(jī)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(gè)接收機(jī)的性能。

圖5（a）為采樣控制未接入模擬信號(hào)時(shí)（比較器同相端有固定直流偏置電壓），整個(gè)采樣控制器量化噪聲測(cè)試結(jié)果。整個(gè)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(cè)試的結(jié)果來看，512個(gè)采樣點(diǎn)具有相同的量化值，可知整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試輸入信號(hào)為120MHz的正弦波信號(hào)，信號(hào)的峰峰值為450mV，采樣控制器觸發(fā)重復(fù)頻率為33kHz.從圖中給出的結(jié)果看，重構(gòu)后的信號(hào)在幅度和周期上與原始輸入信號(hào)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(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖5 測(cè)試結(jié)果圖

為測(cè)試采樣控制器的輸入帶寬，利用信號(hào)源AWG7122B產(chǎn)生50～650MHz的正弦波信號(hào)，接入采樣控制器進(jìn)行采樣。經(jīng)過測(cè)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(jìn)一步測(cè)試該接收機(jī)在實(shí)際探地雷達(dá)系統(tǒng)中的性能，我們將該接收機(jī)和已有的發(fā)射機(jī)、收發(fā)天線集成在一起，研制出一套完整的脈沖探地雷達(dá)系統(tǒng)。其中發(fā)射機(jī)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(cè)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(qiáng)回波，他們呈明顯的雙曲線，是管道等線狀目標(biāo)B－scan回波出現(xiàn)的特征。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該雷達(dá)系統(tǒng)具有很好的探測(cè)性能，同時(shí)也證明了設(shè)計(jì)的接收機(jī)具有很好的接收性能，能滿足實(shí)際探地雷達(dá)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(shù)不需要采用集成A／D，而是通過對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行1比特并行交替采樣、多次量化累積來實(shí)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(dá)模擬接收機(jī)需要模擬采樣門而導(dǎo)致的信號(hào)丟失、電路調(diào)試難度大的缺點(diǎn)，而且還克服了數(shù)字接收機(jī)需要高速A／D而造成的電路復(fù)雜、成本高、功耗大等缺點(diǎn)?；谠摬蓸铀枷?，利用單片F(xiàn)PGA和少量外圍器件實(shí)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(jī)。整個(gè)接收機(jī)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，整機(jī)功耗不超過1.5 W，采用筆記本進(jìn)行供電。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該接收機(jī)具有很低的量化噪聲，能很好的重構(gòu)輸入信號(hào)，模擬帶寬達(dá)500MHz，可應(yīng)用于中心頻率低于300MHz的沖擊脈沖探地雷達(dá)系統(tǒng)中。同時(shí)外場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也證明了該接收機(jī)在實(shí)際探地雷達(dá)系統(tǒng)中具有很好的性能，能滿足實(shí)際探地雷達(dá)的應(yīng)用需求。

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