提高探地雷达时域接收机性能的技术研究

赵翠荣　彭宇　胡通海

摘 要： 为了提高探地雷达接收机的性能，从时域接收机原理着手，采用降低旁通效应、降低取样脉冲泄漏、合理选择元器件、改进电源设计、优化电路设计及结构设计等技术方法进行了分析研究，并进行了测试和对比实验，证明该技术措施明显提高了接收机的性能。该技术措施也适用于其他超宽带时域接收机设计，部分措施对通用雷达频域接收机也有一定借鉴作用。

关键词： 探地雷达； 时域接收机； 取样门； 目标探测

中图分类号： TN959.71?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0051?04

Abstract：In order to improve the receiver performance of ground penetrating radar （GPR）， based on the time?domain receiver principle， several technical measures are adopted， such as reduction of by?pass effect， reduction of sampling pulse lea?king， selection of proper devices， optimized design of power supply， circuit and structure. The testing and comparison experiments were accomplished. The technical measures greatly improved the performance of the receiver. The technical measures are suitable for other wide?band time?domain receivers. Some of the technical measures have a certain reference for universal frequency?domain receivers.

Keywords： ground penetrating radar； time?domain receiver； sampling gate； target detection

0 引 言

近年来，探地雷达作为地球物理学界广为接受的一项无损探测技术，在工程检测领域得到了广泛应用[1?4]。作为探地雷达必不可少的一个组成部分，接收机的性能对系统的探测性能起着举足轻重的作用。探地雷达接收机与通用的频域接收机不同，属于时域接收机，接收机原理的差异决定了设计时的侧重点也有所不同。

探地雷达接收机的原理并不复杂，但由于接收机输出的是被测目标的反射或散射时域波形，实际接收机经常因为宽谱脉冲噪声、信号拖尾、固定波、旁通效应、取样泄漏、电源噪声等原因影响雷达的分辨率和探测深度。必须针对接收机的技术特点，对现有接收机进行技术提升。

本文从时域接收机原理出发，对提高接收机性能的技术方法进行了全面研究，提出了行之有效的技术措施，并进行了测试和对比实验验证。目前已将其成功应用于在研和在产的雷达系统中。这些技术措施不仅适用于探地雷达接收机，对其他超宽带时域接收机以及频域接收机也有一定的借鉴作用。

1 探地雷达接收机原理

对空雷达一般采用混频、检波的方式将雷达回波信号从噪声背景中提取出来[5]，其接收机属于频域接收机，主要由高频放大器、混频器、振荡器、中频放大器、检波器和视频放大器等部分组成。

冲击体制探地雷达是无载波雷达，其接收机与传统接收机有很大差别，一般采用等效取样技术，主要由取样脉冲产生电路、取样门电路和保持放大电路三部分组成。在取样脉冲的控制下，取样门将来自接收天线的几百MHz到几GHz的高频信号通过等效取样，转换为kHz量级的低频信号，放大后通过综合电缆传输到主机进行处理、显示。接收机输出的是地下不同深度处目标反射或散射信号的时域波形，属于时域接收机。接收机的原理框图如图1所示。

取样脉冲是一对正负对称的快速尖脉冲，一般先通过雪崩或放大产生大幅度脉冲，再经阶跃电路整形，控制取样门取样。

取样门电路是整个接收机的核心组成部分，主要包括三种形式：非平衡取样门、平衡取样门和行波门。目前在探地雷达中普遍采用四管桥式平衡门[6?8]，如图2所示。

保持放大电路处理的是已经被等效取样后的信号，频率一般在kHz量级，对电路设计的要求不高。

2 提高接收机性能的技术措施

取样脉冲和取样门的设计是接收机设计的关键。

接收机电路放置于天线分系统内，提高性能的措施应该从整个分系统进行考虑，同时，各种技术措施并不是孤立的，而是相互关联的。本文从减小旁通效应、降低取样脉冲泄漏、电源设计、元器件选用、电路设计和结构设计等方面对接收机进行了综合的分析研究。

2.1 减小旁通效应

二极管是取样门的关键器件，为了分析方便，通常假定取样门的开关特性是理想的。实际上，在被取样信号的速度很快的情况下，由于取样门寄生参数的影响，被取样信号的一部分会不经过取样过程直接到达输出端，形成旁通效应。

为了分析方便，假设了一种简单的模型进行分析，如图3所示。其实，旁通效应所引起的信号失真是相当复杂的，这里所做的分析只是一种最简单的情况，目的是根据分析确定所要采取的克服旁通效应的措施。

根据以上分析，在实际设计中，采用了以下几种措施减小旁通效应：

（1） 选择结电容小的二极管，减小取样门的旁通电容；

（2） 选择反向电阻大的二极管；

（3） 在保证取样效率的前提下，适当增大取样门积分电容[C；]

（4） 适当减少取样门输出电阻[R；]

（5） 选择适当的取样门电路。理论和试验均证明，非平衡单管门的旁通效应最明显，四管桥式门的最小。本设计选用四管桥式平衡门。

2.2 降低取样脉冲泄漏

四管桥式平衡门的特性已在一些文献中详细分析[9?10]，在此仅根据其结论进行设计分析。

对于1.5 GHz的系统来说，选择接收机的上限频率为3 GHz，可以计算出[τ]和[tr，]从而选择合适的取样门管。

对于取样接收机来说，在取样瞬时，取样门输出的是三种信号的叠加结果，即有用信号、取样脉冲的泄漏和旁通效应信号。对取样脉冲泄漏被输出端的[RC]网络进行积分，形成一个指数衰减的波形。由于取样脉冲是步进的，所以剩余取样脉冲相对于有用信号来说在时间上向前步进，不仅造成了信号失真，而且很难在输出端消除。最根本的解决办法是减小泄漏，主要是提高取样脉冲的对称性、提高取样门四个二极管的对称性。

2.3 元器件选择

对于高频超宽带系统来说，元器件的选择非常重要，首先应选择低噪声器件，从设计源头控制系统的噪声；其次，优先选择集成芯片，降低电路分布参数的影响。

（1） 以往的设计中一般采用雪崩的方式产生取样脉冲，该电路最大的缺点是会产生较大的雪崩噪声。雪崩噪声是宽谱噪声，很难通过滤波减小。为了有效降低噪声，选用合适的射频元件，采用射频放大电路来取代雪崩电路。

（2） 为有效减少取样泄漏，理想情况下取样门四个二极管的特性应该完全相同，尤其在实现高带宽时，对取样门的电路布局也提出了比较高的要求，增加了电路匹配和筛选的难度。目前，安捷伦公司已有将四个二极管集成在同一基片内的集成取样门，采用表面贴装，可有效减小分布参数的影响，降低匹配难度和电路设计难度，提高了取样门的对称性，减小取样泄漏。本设计选择其桥式门HSMS2828。

2.4 电源设计

电源是整个电路设计的根本。探地雷达高频天线主要用于探测浅层的小目标，回波信号比较微弱，对系统的信噪比和灵敏度要求更高。本文主要对高频接收机电源设计方案进行了研究。

从结构上来说，发射机和接收机封装于同一个箱体内，大幅度发射脉冲对接收机的干扰不容忽视，电源分布供电是降低干扰的有效措施。供电设计如图4所示。

（1） 在设计中采用低噪声、小温漂的微功率电源调整器（DC?DC）。

（2） 测距装置单独供电。测距装置对天线的干扰在高频天线上表现得尤为明显，会造成信号的时间抖动和幅度抖动，将其单独供电是提高接收机信噪比的重要措施。

（3） 发射机和接收机单独供电。舍弃以往仅通过稳压管处理的方案，选用集成电源调整器分布供电。在功耗增加不大的情况下，有效地提高了系统的信噪比。

（4） 优化电源滤波。在电源的始端进行有效滤波，同时加强高速电路的滤波处理，如图5所示。在高速电路的前端增加一个T型带阻式三端滤波器来抑制高速脉冲对电源的干扰，而不是像处理低速电路那样并联一个电容形成一个低通滤波器。

2.5 电路板设计

由于探地雷达接收机的特殊性，在设计电路板时必须采取相应的技术措施，以保证接收机的性能。除了通常的电磁兼容设计要求[11?12]，本设计中主要注意了以下几点：

（1） PCB电路划分为高频区和低频区，元器件按照上述原则布局，每个功能区采用切分或地护沟分开；

（2） 双极性取样脉冲对称走线，关键信号线设置地线保护；

（3） 小电容采用短路线来实现，小电感采用开路线实现；

（4） 为了有效地保护电路中的器件，端口采用TVS二极管进行防护。

2.6 结构设计

整个天线分系统（含发射机、接收机和天线）封闭于同一个腔体内，采用上中下三层结构，如图6所示，中层电路板为屏蔽板，对强弱信号进行一定程度的隔离。

该天线系统具有以下特点：

（1） 接收机封闭于金属屏蔽腔内；

（2） 填充吸波材料吸收电磁干扰；

（3） 腔体采取注塑模喷涂金属漆的方式（不含辐射面），相对于金属折弯方式，其壳体无缝隙，屏蔽性能更好，而且重量轻。

3 测试与试验验证

按照本文分析研究的结果，对1.5 GHz接收机进行了改进设计，采用Agilent的DSO90404A示波器对取样脉冲进行了测试，图7为单个取样脉冲测试图，图8为对称取样脉冲的测试图。从图中可以看到，取样门宽度为150 ps左右，脉冲形状基本对称，技术改进措施有效。

将改进的接收机和原接收机分别与匹配的发射机、天线以及主机组成中心频率为1.5 GHz的探测系统，进行对比实验。探测对象为双层钢筋混凝土试件，试件70 mm和250 mm处放置钢筋网，100 mm、300 mm和500 mm处分别放置三个目标如图9所示。图10为未改进接收机探测的二维图谱，图11为改进的新接收机探测图谱。

从图10和图11数据图像可以看出，新改进的接收机探测效果明显好于原接收机，两层钢筋分辨清楚，水平分辨率较高，三个目标清晰可见；而原设计接收机只能探测到一层钢筋，由于噪声和固定波的干扰，分辨率低，而且未能检测到深层目标。

4 结 语

本文从探地雷达时域接收机的原理着手，提出了改进接收机性能的多种技术措施，并进行了测试和对比实验。结果表明本文设计的新接收机探测分辨率高，探测深度深，效果良好，为进一步提高冲激脉冲探地雷达的系统性能、设计新型探地雷达接收机提供了技术支持。文中所采用技术措施也适用于其他超宽带时域接收机设计，部分措施对通用雷达频域接收机也有一定借鉴作用。

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