地质雷达测控系统的FPGA实现

(长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

0 引言

超宽带地质雷达(ground penetrating radar,GPR)是一种新型有效的浅层地下目标探测设备[1]。超宽带地质雷达以纳秒或亚纳秒级脉冲波为信息载体，通过对来自地下目标散射回波的旅行时间、幅度与相位等信息分析，推断地下介质的结构及性质。

由于散射回波的高频率、宽频带特性，对散射回波的采集一般采用等效采样技术[2]实现，这就需要一个延时范围大、调节步长小、相位抖动小的精密延时电路。该电路早期常采用AD9500、AD9501芯片来实现[3-4]，芯片采用8位2进制码控制总延迟时间，存在延迟时间的大范围和小步长矛盾。近年来多采用可编程延时器(如MC100EP196)和可编程计数器相结合的方式[5]，实现延时范围大、调节步长精细的可编程延时器。

Altea公司Cyclone III、IV的锁相环(phase locked loop,PLL)模块的动态相位调整功能[6]为实现精密延时电路提供了一个可行方案。采用该方案系统更加紧凑，稳定性更高，功耗更低。

1 地质雷达的总体结构

超宽带地质雷达的总体结构如图1所示。

图1 超宽带地质雷达的系统结构

在时基控制下，发射触发电路周期性地触发脉冲电路并通过发射天线输出一个高频率、宽频带的电磁脉冲。同时，该时基经过可编程延时器产生Δt的延时后，触发取样积分器对异常体S的散射回波信号进行采样，得到旅行时间为Δt-Δtt-Δta的回波信号。这里Δtt和Δta分别表示发射脉冲电路的时间延迟和高频放大电路的时间延迟。重复上述过程，经过一系列不同时延Δti的采样，获得完整的回波信号。因此，测控系统设计围绕等效采样变换的实现展开，即发射触发脉冲和取样触发脉冲控制电路的设计。

2 FPGA的动态相位调整

Cyclone III、IV 的PLL模块支持包括频率、电荷泵环路、滤波参数和输出相位的动态调整。PLL模块的压控振荡器(voltage controlled oscillator,VCO)输出8个不同相位的时钟信号，输出计数器Ci(i=0,1,…,4)和反馈计数器M可选择不同相位输出作为时钟信号。输出计数器Ci通过选择VCO输出相位和调整计数器起始时间，可实现高解析度、大范围的时钟延迟。

输出计数器Ci选择VCO不同相位的输出作为时钟，可获得不同时延的时钟信号，其时延步长为：

(1)

式中：TVCO为VCO周期，最小达到769 ps。

利用计数器Ci的输出，可生成可编程时延的触发信号。为了实现PLL的动态相位调整，Cyclone III、IV 的PLL提供了相应的控制接口，典型的动态相位调整模块电路接口如图2所示。其中，inclk0为PLL的参考时钟；areset为复位信号。通过phasecounterselect[2…0]选定输出计数器Ci作为相位调整对象，phaseupdown确定相移方向(phaseupdown为1时，相位后移，否则前移)，在移相使能信号phasestep的作用下完成一次相位调整。在移相过程中，指示信号phasedone被拉低，待相位调整完成以后，自动拉高。通过适当时序的控制命令，可使输出计数器Ci产生向前或向后Δt的相移。控制命令与相关时序的细节可参考文献[6]。

图2 动态相位调整模块接口

当向前(或向后)的相移累计达到8次，即时延达到一个TVCO时，PLL动态相位调整模块通过吞(或吐)脉冲的方式，实现其整周期的相移，形成PLL动态相位调整模块的粗调。

3 测控系统设计

利用Cyclone III、IV PLL模块的动态相位调整功能设计的地质雷达测控系统如图3所示。该系统主要由5部分组成，即PLL模块、相位调整电路、发射触发模块、取样触发模块和NIOS II软核。发射触发模块结构与取样触发模块结构相似，只是在取样触发模块中添加有计数器C及其相关部件，用于地质雷达扫描控制。相位调整电路、发射触发模块和取样触发模块设计为IP核，并通过Avalon总线与NIOS II软核连接，且在NIOS II的指挥下工作。

图3 测控系统总体结构

PLL模块的输入时钟频率设定为100 MHz，由晶体振荡器产生。输出计数器C0、C1的输出频率也配置为100 MHz，分别为发射触发模块和取样触发模块提供时钟。压控振荡器(VCO)频率配置为1 GHz。通过动态相位调整功能，可使得C0、C1间产生步长为125 ps的相对时延，实现最高采样率8 GS/s的等效采样。

发射触发模块由1个计数器和2个比较器组成。将PLL输出计数器C0的输出作为发射触发脉冲的参考时钟。该时钟输入到16位计数器T，计数器T在计数值为start_t时输出发射触发脉冲。当计数值达到寄存器R的设定值时，计数器清零并重新计数。通过设定寄存器R，可以控制发射脉冲的重复频率。重复频率(单位：MHz)计算公式如下：

(2)

将PLL输出计数器C1的输出作为取样触发脉冲的参考时钟。该时钟输入到16位计数器S，计数器S的工作过程与计数器T基本相同。该计数器在计数值为start_s时输出取样触发脉冲。当计数值达到寄存器R的设定值时，计数器清零并重新计数。计数器C1的时钟信号受PLL动态相位调整模块的控制，每两次取样之间，C1的时钟信号需经过k次相位调整。相对于发射触发脉冲，第i次取样的取样脉冲时延为：

Δti=125ikk=1,2,…

(3)

式中：k为相位调整次数。

由此可实现采样率为(8/k)GS/s的等效采样。调整start_t和start_s可以调整Δtt和Δta，即调整测试的起始时间。

在取样触发模块中，添加的计数器P用于对取样脉冲计数，记录采样样点数。当样点数达到寄存器N设定的样点数时，停止计数器T和S，完成一道扫描线测试，等待下一道扫描命令。

相移控制器用于调整C1的时延。测试过程中，在取样触发脉冲输出后即开始相位调整，输出phasestep移相使能信号，等待相位调整完成，再进行下一次调整。在相移控制器中，设计了2个寄存器，其中一个用于存储相移计数器Ci的选择和相移方向，另一个设置每个重复周期相移次数，调整采样率。

4 试验测试与分析

利用Altera的EP4CE15，配上相应的取样积分器，实现了上述控制系统的试验测试。

试验测试中，将发射脉冲衰减后分别输入到取样积分器和示波器，时间步长设定为250 ps，等效采样时间设为100 ns。系统对发射脉冲信号测试与示波器测试的比较如图4所示。由图4可以看出二者一致性良好。

图4 采样变换输出和示波器测试比较

在试验测试中，有以下几个问题需要注意。

① 计数器T和S均设计为简单的二进制16位计数器，计数器高位的进位延迟可能会导致清零触发时间错误。为了解决该问题，可考虑采用高速的同步计数器[7]。将寄存器R的值设定为十六进制数0x***7(这里*表示任意数)，最后一位为7。这样在从0x***0到0x***7的计数过程中不会有高位进位，之前的高位进位可在这段时间从容完成，确保计数器清零并准确触发。

② 一道扫描线的样点数应设置为：

(4)

即等效采样的时间为10 ns的n倍。由于C0、C1的时钟周期均为10 ns，经过N次采样后，C0、C1的时钟相位恰好一致，因此可直接进入下一扫描线测试。

③ 触发脉冲的时间抖动会严重影响接收回波的信噪比[8]。因此，发射触发脉冲和取样触发脉冲的输出和对应的脉冲电路需要精心设计。试验系统中，触发脉冲的输出采用了差分信号，后续的脉冲电路采用了阶跃二极管脉冲整形电路[9]和雪崩电路[10-12]的混合方式，以减小脉冲的时间抖动。

5 结束语

借助Cyclone III、IV 锁相环(PLL)模块的动态相位调整功能完成的地质雷达测控系统，能实现最高8 GS/s的等效时间采样，可以满足中心频率500 MHz以下地质雷达的需要。和专用基准时钟系统比较，Cyclone III、IV PLL模块输出时钟的抖动偏大，在地质雷达的高频段，采集数据的信噪比会有所下降，对此可以采用过采样技术加以改善。

测控系统具有结构紧凑、功耗低、性能稳定和成本低廉的优点，对于低频段、低成本的超宽带地质雷达设计具有一定的意义。

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