基于分时复用原理的多通道探地雷达时序控制模块设计及应用

王百泉， 刘昌斌， 王 华， 张安学, *， 陈思宇， 谢 韬

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室， 广东 广州 511458； 3. 西安交通大学电磁与信息技术研究所， 陕西 西安 710049 )

0 引言

近年来，我国铁路交通飞速发展，隧道里程量的不断提高，对隧道的质量检验、病害排除以及日常维护工作提出了巨大挑战[1-2]。 探地雷达 (GPR, ground-penetrating radar)作为一种利用高频电磁波获取地下介质分布规律的无损探测设备[3]，是隧道衬砌空洞、裂缝等病害检测的主流方法，具有快速、分辨率高等优点[4-5]。传统的单通道GPR通常由时序控制模块、信号源、收发天线、上位机4部分构成[6]； 多通道GPR则具有多组相关的时序控制电路、窄脉冲信号源和收发天线。GPR的多通道探测一方面可以提高雷达的探测精度、范围和跟踪性能，另一方面也可以满足如三维成像等更为复杂的探测需求[7-8]。

本文涉及到一种多发多收体系的多通道瞬态脉冲型GPR[9]。这种GPR需要考虑多通道同时工作时产生的通道间串扰。尽管GPR的每个通道一般都会设计有屏蔽结构(如铺设吸波材料)，但是当雷达通道密集分布时，这种强干扰依然无法被有效地消除，从而降低雷达的探测精度。目前，关于消除多发多收体系GPR通道间串扰的文献较少，可供借鉴的有利用程控多路开关对通道进行快速切换来消除通道间串扰[10]。程控开关具有切换速度快、灵活度高的优势，但开关本身存在的寄生参数、通道间的电路串扰以及开关切换时引入的高频噪声都会影响信号质量，且开关器件的引入会带来额外的成本和开发难度[11-12]，加之该方法主要以多路复用的方式应用于一发多收体系的GPR中[13]，从结构上很难适用于多发多收系统。也有文献提及了Sensors & Software Inc.公司的GPR系统通过交错采集方式实现多通道同时采集[14-15]，但这种交错采集方式同样针对的是单发射机系统，不适用于多发多收系统。

本文基于分时复用原理，设计一种瞬态脉冲型多通道GPR时序控制模块，并成功应用于3频段6通道隧道病害检测探地雷达系统，使得双200 MHz、双400 MHz以及双900 MHz通道能在互不影响的前提下同时工作。试验和测试结果表明，本文提出的时序控制模块能有效降低6通道GPR系统通道间的串扰并实现GPR 6个通道同时有效工作。

1 6通道探地雷达系统原理及结构

1.1 系统原理

由GPR的基本原理可知[16]，瞬态脉冲型GPR主要通过脉冲信号的发射、接收和采样实现对介质内部结构分布规律的信息获取。脉冲型GPR的脉冲信号属于超宽带信号，而影响GPR性能的主要因素在于超宽带信号采样方案的选取。等效采样是目前GPR系统中主流的超宽带信号采样方法[17]，既比实时采样易于实现，又能轻易获得当前实时采样技术达不到的极高采样率。

就工作原理而言，单通道GPR与多发多收的多通道GPR完全一样，主要区别在于多通道GPR的设计需要考虑通道间的协调关系，尽可能降低串扰信号的影响。

1.2 结构分析

根据等效采样方案的特点，本文提出的6通道GPR系统框图如图1所示。

图1 6通道探地雷达系统框图

由图1可知，时序控制模块主要为系统收发机和采集卡提供相应的控制时钟。收发机完成脉冲信号的发射、接收、采样和恢复过程；采集卡对恢复后的低频模拟信号进行采样并传输至上位机；上位机对接收信号进行实时成像、存储及后处理；多普勒雷达用于距离采集模式下，按照移动距离触发探地雷达的数据采集。

将时序控制模块与采集卡集成到一起作为主机箱，整个系统的结构示意如图2所示。

图2 6通道雷达系统结构示意图

2 时序控制模块设计

2.1 电路设计

2.1.1 电路结构及功能

为了使多通道探地雷达系统有严格的时序控制、较高的脉冲重复频率和较低的系统功耗，本文的时序控制模块核心选取了英特尔Cyclone Ⅳ E系列EP4CE10F17C8型FPGA芯片，该芯片可配置50 MHz系统基础时钟，在具备并行处理高速信号的前提下，兼具多引脚、高内存、低功耗和低成本的特性，十分适用于多通道系统的开发。

为了在获得足够高等效采样率的同时保证较高的数据刷新速率，设计每道数据由1 024点构成，波形观察时窗长60 ns左右。相应地，需要时序控制模块为采样单元提供具有60 ps(10 ps精度)步进延时的触发时钟，对应等效采样率约为16.7 GSPS。

考虑到电路焊接出错率和系统可拓展性，设计时序控制模块时按照图2所示预留了2个备用通道。8通道时序控制模块电路的结构框图见图3。

图3 8通道时序控制模块电路结构框图

图3中，时序控制模块电路主要包括FPGA控制电路和各通道外围电路。其中，FPGA控制电路用于完成FPGA芯片的配置； 外围电路负责各通道输出信号的调节，包括时钟同步电路、可编程延时电路和电平转换电路3个部分。

FPGA控制电路输出的时钟1至时钟8为8路分时复用的同频时钟，控制字1至控制字8为8通道可编程延时电路的控制字。

各通道外围电路完全相同： 同步电路将输入时钟分成2条同步时钟，分别用于脉冲源触发和ADC触发； 可编程延时电路为ADC触发时钟提供步进时延； 电平转换电路用于不同电平标准的转换。每个通道都配置有采集卡触发时钟，实际使用时任取1个即可。

2.1.2 电路器件选取

为了实现各个电路的功能，分别选取LTC6957IDD-3TRPB芯片、DS1023S芯片、MC100EP195FA芯片以及SN65EPT21芯片进行通道外围电路的设计。其中，LTC6957IDD-3TRPB芯片作为双输出缓冲器，可以将1路时钟分为2路同步时钟；可编程延时电路由步进500 ps的DS1023S和步进10 ps的MC100EP195FA 2种延时芯片级联得到；SN65EPT21芯片作为差分PECL/LVDS电平到TTL电平转换器，可以将延时电路输出的差分PECL电平转换为采样单元能够识别的TTL电平。

最终设计加工得到的8通道探地雷达时序控制模块PCB(印制电路板)如图4所示。

图4 时序控制模块PCB实物图

2.2 分时复用

本文利用FPGA的时序管理和约束能力，通过程序分频和计数定时的方式实现8通道雷达单个脉冲触发周期内的分时复用，在降低通道间串扰的同时避免了雷达在高速移动时通道探测偏差过大的问题。

2.2.1 分时逻辑及原理

由于时序控制模块8个通道的输出电路完全一致，所以只需对图3中的时钟1至时钟8进行分时复用即可。

首先，通过对FPGA芯片进行编程，可以实现对50 MHz基础时钟的任意系数分频，得到时钟1至时钟8的基准时钟，该基准时钟与时钟1至时钟8同频。然后，利用50 MHz时钟进行计数定时，对基准时钟进行单个时钟周期内的8等分相移，得到8路同频不同相的输出时钟，即时钟1至时钟8。

若将时钟1至时钟8之间的相位差用时间间隔表示，则相邻时钟相位差对应的时间间隔可由式(1)、(2)得到。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：fb为分频后的基准时钟；f0为50 MHz基础时钟频率；N为分频系数；t为相邻时钟相位差对应的时间间隔；M为通道数；T0为50 MHz基础时钟周期。

2.2.2 应用说明

当8通道时序控制模块的基准时钟取500 kHz时，分频系数为100，设置计数定时值为12(接近N/M的最小整数)，则时钟1至时钟8相邻时钟相位差对应的时间间隔为12个50 MHz时钟周期； 相应地，时序控制模块相邻通道之间的脉冲触发时钟、采样触发时钟也具有相同的时序关系。这样就保证了每个通道的观察时窗至少相差240 ns，且所有通道的脉冲触发、采样触发在1个基准时钟周期内完成，使通道间串扰对观察时窗240 ns以内的雷达回波信号影响较小。根据电磁波传播速度与介质介电常数的关系，可以得到240 ns对应混凝土(介电常数可取8)介质探测深度约为13 m，适用于绝大多数GPR的应用场景。

已知系统所有触发信号上升沿有效。根据上述分时复用实现方案，可以得到如图5所示的FPGA输出时钟信号时序。

图5 FPGA输出时钟信号时序示意图

2.3 集成装配

根据图1和图2所示的系统框架及实物结构，将时序控制模块应用到6通道GPR系统中，得到如图6(a)所示的主机箱； 再按照图6(c)和图6(d)配置图6(b)所示的收发机； 最后，利用集束线缆将主机箱和收发机相连，完成6通道GPR系统装配。

(a) 主机箱结构(b) 收发机整体

3 测试及结果分析

3.1 分时复用功能验证

3.1.1 触发时钟时序验证

为了验证8通道时序控制模块的分时复用效果，需要利用示波器观察各通道输出时钟的时序关系。考虑到模块的对称性和示波器通道数限制，将时序控制模块前4个通道的脉冲源触发时钟连接至TDS5104B示波器进行观察，如图7所示。

图7 时序控制模块分时复用效果测试

通过示波器得到观测波形，如图8所示。已知触发电平设计最大值为5 V，取触发电平上升沿2.5 V处对应的时刻作为计算通道间延时的参考点，由图8中各通道画图数据得到触发信号延时差见表1。

图8 4通道触发信号时序测试结果

表1 4通道触发信号延时差

由芯片的数据手册可知，各个通道的集成电路芯片都存在不完全相同的ns级传输延时，并且相邻通道间延时差的取值范围在0～10 ns，所以相邻通道触发时钟的上升沿时差并非完全等于240 ns，但误差不超过5%。结合图8和表1可知，测试结果与理论计算相吻合，说明分时复用在时序上达到预期效果。

3.1.2 单通道回波信号分析

为了进一步验证时序控制模块在多通道雷达系统中的抗串扰效果，选取A、B 2组工作在同一频段的窄脉冲信号源与收发天线组成2个独立的测试通道。在2个通道分布紧密的情况下，分别对同时触发和分时触发2种工作模式进行对地雷达回波接收测试，具体的测试条件和参数如表2所示。

表2 实验室测试条件及参数

双通道对地雷达回波接收测试如图9所示。

图9 双通道对地雷达回波接收测试

脉冲源和时序控制模块都由外部12 V直流电压供电，时序控制模块通过2根同轴线分别实现对A、B通道脉冲源的触发，产生的高幅值窄脉冲信号由发射天线辐射出去，经由地表及地下介质层反射后被接收天线捕获，接收波形通过示波器观察。为避免直耦波淹没通道间的串扰信号，对测试结果造成影响，A、B通道之间以及A、B通道的收发天线之间都填充有蜂窝状平板吸波材料。通过调整收发天线距离和吸波材料位置，将直耦波幅值控制在1 V左右。

在上述测试中，A、B通道信号路径对称，以A通道接收脉冲信号为观察对象，利用示波器观测A通道在A、B通道同时触发、分时触发，A通道单独触发3种触发方式下接收脉冲信号的幅度，最终得到的测试结果如图10所示。

图10 3种触发方式下A通道接收脉冲幅值

同时，以A通道单独触发时的接收波形为真值，给出2种工作模式下接收波形的绝对误差值曲线，如图11所示。

图11 2种工作模式下接收波形的绝对误差值

由图10和图11可知，A、B通道分时触发和A通道单独触发时，2次的接收波形高度重合，绝对误差值在±0.1 V，整体起伏小且变化均匀； A、B通道同时触发和A通道单独触发时，2次的接收波形存在明显差异，绝对误差值在-0.3～0.4 V，整体起伏较大，且误差变化趋势与接收波形变化趋势在时间上保持一致，说明B通道对A通道造成了较大的串扰。这种串扰会使GPR通道间相互影响，降低GPR工作稳定性，造成雷达回波数据的不可靠，从而影响雷达通道的探测精度。

3.1.3 双通道回波信号分析

为了进一步验证分时复用降低通道串扰的工作原理，利用示波器同时观测A、B 2个通道接收到的脉冲信号如图12所示。

图12 分时复用双通道接收脉冲幅值

先考虑B通道对A通道的影响。由图12可知，当B通道接收天线接收到对应脉冲源产生的脉冲信号时，A通道接收天线也会接收到一个幅值较小的脉冲信号，且2个脉冲信号幅值随时间的变化趋势相同。此时，幅值较小的脉冲信号即为B通道对A通道产生的串扰信号。又由于2个通道的脉冲源采用分时复用的方式触发，串扰信号与A通道接收的有用脉冲信号存在240 ns左右的时差。由图10和图11可知，此时A通道回波的波形特征受到的影响很小。同理，A通道对B通道的作用效果也是如此。

3.2 6通道探地雷达测试

3.2.1 测试条件及参数说明

为测试时序控制模块在多通道GPR系统应用中的实际效果，将雷达组装完成后进行了隧道实地测试。测试地点位于陕西省西安市蓝田县东秦岭平导隧道，该隧道全长12 269 m，宽约3.6 m，内部平坦贯通，部分区域分布有大量病害预埋件。现场环境如图13所示。

图13 东秦岭平导隧道现场环境

测试过程分为单通道测试和多通道测试，涉及200 MHz/400 MHz/900 MHz 3个频段，具体测试参数如表3所示。

表3中，距离采集由多普勒雷达脉冲触发，每前进1 cm触发1次采样；数据采集软件和分析软件为自主研发设计软件。其中，采集软件主要具备多通道数据实时成像、存储和二维图像调色功能，数据分析软件主要具备雷达图像去背景、数字增益、二维滤波等基本功能。

3.2.2 单通道探测性能测试

为验证雷达通道实际探测性能是否满足要求，选取隧道侧壁一片区域的预埋病害作为雷达系统的测试目标。由于隧道内预埋病害大多埋深较浅(<40 cm)且分布密集(<70 cm)，而200 MHz和400 MHz收发机分辨率较低(取信号半波长为可清晰探测目标的尺寸标准[18])，所以仅对900 MHz收发机进行测试。

设备安装如图14(a)所示。测试时，收发机和主机都置于电动轨道车上，收发机天线辐射面正对待测墙面，整个雷达系统平行于待测墙面匀速运行。由于该GPR收发天线为空气耦合天线，且实际应用时，需要900 MHz收发机与介质分界面保持至少65 cm来满足载具机械臂支撑结构的力矩要求，所以测试时将收发机与墙体之间的距离调整至65 cm左右。

预埋病害分布如图14(b)所示，对应编号的病害信息见表4。利用自研的数据采集软件和处理软件对雷达回波进行采集处理后，得到的原始处理图像和目标层位标注图分别如图14(c)和(d)所示。

(a) 设备安装场景

图14(c)和(d)左右两侧刻度分别代表探测深度(单位： m)和观察时窗中的对应时刻(单位： ns)，二者都以墙面为参考0刻度，混凝土墙体的介电常数取8。表4中，所有预埋件均为泡沫材料填充，介电常数约为1.5，用于模拟衬砌空洞，横向尺寸为目标沿GPR运动方向上的尺寸，纵向尺寸为预埋件垂直于墙壁方向上的尺寸，埋深为预埋件离墙面最近距离。

由于GPR探测单个目标的时距关系满足双曲线特征，所以对GPR的二维扫描图像进行数据解释或图像识别时，常以双曲线作为目标匹配模型进行标示。从图14(d)可以看出，第1个标示区域(从左至右)并不具备明显的曲线特征，但标示区域两侧图像存在不连续性且颜色偏浅，说明电磁波经过不连续的介质结构，推测可能是目标对应处；第2个标示区域墙面未封闭，所以靠近墙面处(0刻度处)的图像存在明显的断层，且较深处出现明显的曲线特征，与实际情况相符合； 第3—6个标注处都存在明显的曲线特征。根据图14(d)对应数据，给出各个目标标示靠近0刻度处对应的深度和位置信息见表5。

对比表4和表5，可以确定第1个标示区域对应的是第1个目标的特征图像，其目标特征不明显，推测可能是由于局部含水量较高导致电磁波信号衰减过大； 第2个标示区由于墙面未封闭，埋深结果对应预埋件离墙最远距离(纵向尺寸+埋深)，估计埋深换算成空气距离为63.6 cm，与实际值62 cm相吻合。此外，通过对比测量值与实际值可以发现，目标病害的深度特征和位置特征虽然相吻合，但具体数值存在较大差距，分析其可能原因包括： 雷达运行路线与墙面不完全平行、数据处理不彻底或处理参数选取不合理、预埋件的实际位置存在误差、多普勒雷达安装误差等。

表4 预埋病害相关参数

3.2.3 多通道探测可行性测试

为验证系统多通道运行的可行性，选取另一处病害分布区域进行6通道同时工作测试。同样，为了满足天线空气耦合的特性和实际使用时200 MHz收发机对于机械臂支撑结构的力矩要求，现场将所有收发机离墙面距离调整至1.2 m，设备测试场景如图15所示，探测目标为PVC空管或含水管。

图15 6通道同时工作测试

对采集数据进行初步处理后，可得到如图16所示的处理结果。由于隧道内预埋件分布十分密集，导致GPR二维扫描图像中出现目标曲线混叠不清的状况。

但从图16(a)—(d)可以看出，200 MHz和400 MHz收发机数据处理后的雷达图像中存在明显的由介质分界面反射产生的图像特征(见红色框标示)，且延伸到较深位置，考虑到试验现场环境简单，隧道贯通无障碍，推测可能为隧道墙壁深处的断层结构特征。从图16(e)、(f)可以看出，900 MHz收发机也存在类似的波形变化，同样进行了标示，但由于辐射口面与墙面等效电距离较远，电磁波辐射区域不集中，目标反射波特征不明显，所以探测效果不佳。尽管如此，在GPR各个通道的数据图像中，依然保持着图像的连续性且存在较为明显的曲线特征(见黄色框标示)，足以说明6通道GPR具备同时进行探测工作的能力。

4 结论与讨论

本文基于分时复用原理，设计实现了一种低串扰8通道GPR时序控制模块，并将该模块应用于一种3频段6通道隧道病害检测系统。测试结果表明，本文所设计的时序控制模块可以有效降低多通道GPR系统通道间的串扰，保证通道接收信号的稳定可靠，实现对隧道病害的高效探测，对于拓展多通道GPR设计思路和提升隧道病害检测效率具有一定的指导意义和参考价值。

本文提出的时序控制模块及其多通道GPR应用除了用于隧道病害检测，还可拓展至道路病害检测、矿层厚度分析、未爆弹排除等众多地下探测领域，具有较为广泛的应用价值。但结合数据处理和生产实际来看，本文的工作依然存在以下不足：

1)实际选取的测试地点病害分布过于密集，且由于施工误差的存在，缺乏准确参考。

2)数据处理存在主观性和技术性不足，未从定量的角度对GPR多通道性能进行深入分析。

3)GPR设备的天线参数、尺寸优化不足，导致收发机体积较大，性能未达到最佳状态，很难进行推广应用。

解决以上问题也是后期研究中需要重点考虑和推进的工作。