一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的方法及装置与流程

本发明属于探地雷达技术领域，具体涉及一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的方法及装置。

背景技术：

利用探地雷达设备和技术进行地下目标探测的机理是通过发射高频电磁脉冲波，利用地下目标与周围介质电性参数的差异，根据回波信号振幅与时间、频率特征等参数来分析和推断地下目标的空间位置、深度与尺寸等信息。探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，与探空雷达不同，探地雷达使用的频率一般低于前者，其理论研究主要是电磁波在有耗介质中的传播，由于介质的不均匀性、各向异性、强衰减性等，其复杂程度较之探空雷达要大得多。与传统的地球物理方法相比，探地雷达具有快捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势，因而该技术一面世就受到工程物探界的普遍重视。特别是自20世纪70年代以来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无论是在仪器设备，还是数据处理等方面都得到了普遍提高，其应用范围不断扩大，目前已广泛应用于地质、工程、资源、环境、军事等方面。

探地雷达一般由电磁脉冲信号产生电路、收发天线、信号采集电路以及数据处理等部分构成。其中的电磁脉冲信号产生电路部分是探地雷达的核心模块之一，对于产生纳秒级的电磁脉冲信号而言，电性的脉冲产生方式主要有气体放电、隧道二极管、水银开关和雪崩三极管等。其中，气体放电和水银开关结合的电磁脉冲信号产生原理是利用水银开关管的瞬间放电击穿和恢复特性，产生前沿和宽度为纳秒级，幅度高达千伏的高压窄脉冲；而水银开关则是一种高性能的高压开关，所产生的脉冲对称性较好；隧道二极管脉冲发生器由于其脉冲宽度较宽且幅度不高所以并不是非常常用；雪崩三极管的重复率可达几兆赫，响应时间快产生的脉冲幅度可达上百伏特。常见的电磁脉冲信号电路产生电路一半利用半导体雪崩二极管、阶跃二极管等多级串接来实现高压雷达波脉冲信号，然而其产生的脉冲波形脉冲宽度是固定的，同时多级串接时由于多个器件之间存在参数差异性、延迟的不同步以及寄生参数的影响，将引起雷达脉冲波形的脉宽展宽，同时还会产生高压脉冲信号的拖尾。

目前国内应用于实际工程的绝大多数探地雷达设备是依赖于国外进口，但从目前的应用情况来看，探地雷达在工程探测中的应用还存在很大的问题与技术瓶颈，首先是设备价格昂贵限制了探地雷达设备和探测技术的推广和普及，另一个非常重要的原因是设备的应用和选择非常依赖于探测的目标特征，如不同目标探测深度、不同目标尺寸应选择不同系列或不同频段的雷达；从技术上讲，具有一定重复频率的高压短脉冲产生技术是基于脉冲信号的探地雷达探测技术的重要关键，不同型号、不同频段的探地雷达其特征对应特定的发射雷达波脉宽，如500MHz波段冲击雷达，其对应的脉宽接近1纳秒；再者，雷达探测分辨率与探测范围存在固有的矛盾，高频段的雷达虽然具有较高的分辨率，但其穿透深度却非常有限，一般400MHz透深度为4米，而典型的1.6GHz雷达穿透深度只有0.5米。

就目前情况来看，对于雷达电磁脉冲信号产生模块，如何产生具有更快上升时间、以及更高的稳定性与重复性，如何使产生的雷达脉冲信号具有更好的质量以及更小的波形拖尾是目前高分辨率雷达电磁脉冲产生技术所面临的问题之一；如何提高单个探地雷达的多种对象探测能力，即实现单一雷达设备具备频段可调的功能，以在实际探测中实现面向具体目标对象的最佳分辨率探测，也是当下探地雷达技术所面临的关键问题之一。

技术实现要素：

针对上述技术所存在的问题，本发明提供了一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的方法，实现输出的高压脉冲雷达信号具有脉宽可调的功能。

一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的方法，包括步骤：

1)产生诱导激光脉冲信号，通过光耦合器后分为两路；

2)通过光诱导开关使两路诱导激光脉冲信号产生正向波与反向波；

3)通过延时控制模块调节正向波与反向波的相对时间延迟，产生脉宽可调的雷达信号。

本发明还提供了一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的装置，能产生具有更快上升时间、更高稳定性与重复性的高压电磁脉冲信号，并且能够很好地解决单一雷达设备无产生多频段可调的探地雷达功能，应用于面向探测对象的脉宽可调探地雷达系统，以实现不同深度下的高分辨率探测。

一种基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的装置，包括：

1)诱导激光控制电路，将产生的诱导激光脉冲输出为两路诱导激光脉冲信号；

2)脉冲发生电路，产生两个方向相反的脉冲，输出脉宽可调的雷达信号。

所述诱导激光控制电路包括诱导信号激光源、光耦合器和两个延时控制模块；所述诱导信号激光源产生诱导激光脉冲，经光耦合器后分为两路，通过两个延时控制模块分别控制这两路诱导激光脉冲的时间延迟，最后输出两路诱导激光脉冲信号。

所述脉冲发生电路，包括高压偏置输入模块、两个光诱导开关、负载匹配模块、输出耦合模块；所述高压偏置输入模块产生高电平的脉冲信号，为两个光诱导开关提供能量，两个光诱导开关接收诱导激光控制电路输出的诱导激光脉冲信号，产生暂态响应，负载匹配模块用于匹配负载，脉冲输出耦合模块输出脉宽可调的高压脉冲雷达信号。

所述高压偏置输入模块通过微带线连接到两个光诱导开关的公共端，提供电路所需的高压能量，产生高电平的脉冲信号，并提供光诱导开关中光敏部分发生光电效应所需的强电场条件。

所述两个光诱导开关以推挽式结构相互连接，以产生方向相反的脉冲信号。

所述两个光诱导开关接收诱导激光控制电路输出的诱导激光脉冲信号，在极短时间内诱导激光脉冲信号照射光诱导开关的光敏部分，光诱导开关的开闭状态将在极短时间内发生改变，使电路在极短时间内产生暂态响应。在诱导激光脉冲照射下，两个光诱导开关可以先后输出两个方向相反的脉冲波(即正向波与反向波)，通过延时控制模块可以控制输出的正向波与反向波的相对时间延迟，进而调节高压脉冲雷达信号的脉宽。

所述光诱导开关选用半导体光诱导开关。其构成材料为III-V族化合物半导体材料。该半导体材料具有暗态电阻高、载流子寿命短、载流子迁移率大的特性。相对于传统的雪崩二极管或阶跃二极管，采用光诱导开关的雷达脉冲发生电路产生的雷达信号具有更快的上升时间以及更高的稳定性与重复性，并且具有更好的质量以及更小的波形拖尾。

作为优选，所述光诱导开关选用基于GaAs材料的光诱导开关。当具有一定能量的光子注入GaAs材料的半导体时，半导体内部被吸收的光子会产生电子空穴对，其内部电阻将发生随激光注入的迅速改变。

进一步优选，选择光子能量为1.16eV的1064nm激光作为基于GaAs材料的光诱导开关的控制光信号。本发明中输入端为偏置高压，提供高压电场条件，使禁带宽度为1.42eV的GaAs材料的有效能隙减小，因此使用光子能量为1.16eV的1064nm激光作为基于GaAs材料的光诱导开关的光诱导控制信号。

所述基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的装置工作时，诱导信号激光光源产生诱导激光脉冲信号，经光耦合器后分为两路，两路诱导激光脉冲信号分别由两个延时控制模块控制并调节时间延迟，所形成的两路诱导激光脉冲信号分别控制两个光诱导开关的开闭状态。光诱导开关的光敏区在诱导激光脉冲信号的照射下发生光电效应，使电路产生暂态响应。在延时控制模块的控制下，两个诱导激光脉冲信号之间的相对时间延迟达到亚纳秒级别，从而实现反向波与正向波之间的相对时间延迟达到亚纳秒级精度。通过调节反向波与正向波之间的相对时间延迟，信号波形由反向极小值至正向极大值之间的上升过渡时间将发生改变，合成的暂态波波形以及合成的雷达脉冲信号的中心频段将发生变化。经过调节，可以将形成的雷达脉冲波形调节精度控制在亚纳秒精度。

通过方案设计和仿真，确定两个方向相反的脉冲波之间的时间延迟和与之相对应的合成雷达信号的脉宽之间的关系。在实际测量场景中，通过诱导激光控制电路调节诱导激光的延时进行光诱导开关触发延时的控制，进而调节雷达信号的脉宽，从而使形成的雷达信号于当前应用场景保证最佳的测量分辨率。

与传统探地雷达系统相比，本发明能够产生的脉宽可调雷达信号，能够产生具有更快上升时间、更高稳定性与重复性的高压电磁脉冲信号，并且很好地解决单一雷达设备无产生多频段可调的探地雷达功能，应用面向探测对象的脉宽可调探地雷达系统，实现不同深度下的高分辨率探测。

附图说明：

图1为本发明基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的装置示意图。

图2为本发明装置输出的正反两个脉冲波示意图。

图3为本发明装置改变时间延迟所形成的雷达信号的示意图。

图4为本发明装置改变时间延迟所形成的雷达信号的频谱示意图。

具体实施方式：

为了更为具体地描述本发明，下面将结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的方法，包括步骤：

1)产生诱导激光脉冲信号，通过光耦合器分为两路；

2)通过光诱导开关使两路诱导脉冲信号产生正向波与反向波；

3)通过延时控制模块调节正向波与反向波的相对时间延迟，产生脉宽可调的雷达信号。

如图1所示，基于光诱导开关产生高压脉冲雷达信号的装置包括诱导激光控制电路和脉冲发生电路；诱导激光控制电路包括诱导信号激光源1、光耦合器2、延时控制模块3a和延时控制模块3b；脉冲发生电路包括光诱导开关5a、光诱导开关5b、负载匹配模块6、高压偏置输入模块8、输出耦合模块9、连接各模块的微带线10、信号地7a和信号地7b。

具体工作时，诱导信号激光源1产生诱导激光脉冲信号，经过光耦合器2分路为两路，两路诱导激光脉冲各自经过延时控制模块3a、3b后分别输出两个具有相对时间延迟的诱导激光脉冲信号4a、4b，诱导激光脉冲信号4a用于控制光诱导开关5a，诱导激光脉冲信号4b用于控制光诱导开关5b；高压偏置输入模块8由微带线10接到两个光诱导开关5a、5b的公共端；光诱导开关5a、5b以推挽式结构相互连接；光诱导开关5a另一端经微带线10连接信号地7a，光诱导开关5b另一端连接负载匹配模块6，同时经输出耦合模块9输出雷达信号。

两个光诱导开关选用基于GaAs材料的光诱导开关，当具有一定能量的光子注入GaAs材料的半导体时，半导体内部被吸收的光子就会产生电子空穴对，其内部电阻将发生随激光注入的迅速改变。本方案中输入端为偏置高压，提供高压电场条件，使禁带宽度为1.42eV的GaAs材料的有效能隙减小，可以使用光子能量为1.16eV的1064nm激光作为GaAs材料的光诱导开关的光诱导控制信号。

光诱导开关5a、5b的光敏区分别在诱导激光脉冲信号4a、4b的照射下，电路将产生暂态响应，具体过程如下：当诱导激光脉冲4a对光诱导开关5a有效时，诱导激光脉冲4b对光诱导开关5b无效，此时光诱导开关5a开启，光诱导开关5b关闭，光诱导开关5a接通短路负载，即直接连接信号地7a，在输出耦合模块9输出反向波；当诱导激光脉冲4a对光诱导开关5a无效时，诱导激光脉冲4b对光诱导开关5b有效，此时光诱导开关5a关闭，光诱导开关5b开启，光诱导开关5b接通负载匹配模块6，并在输出耦合模块9输出正向波。如图2所示，11和12分别为产生的反方向波和正向波，13为正向波12相对于反向波11的时间延迟。

诱导激光控制电路的调节使产生的两个诱导激光脉冲信号4a、4b之间的时间延迟达到亚纳秒级别，采用基于GaAs材料的光诱导开关时，光诱导开关具有非常高的速度、动态范围大、耐压高及响应稳定等特点，使产生的脉冲宽度可以达到皮秒精度，完全可以满足本方案设计要求。

通过改变两个诱导激光脉冲信号4a、4b的相对时间延迟，使得诱导激光脉冲信号产生的反向波与正向波之间的相对时间延迟也发生改变，将两个具有相对时间延迟输出的反向波进行部分重叠，通过控制诱导激光脉冲信号的时间延迟来控制两个反向波的重叠部分时间宽度，即控制合成的雷达信号波形由反向极小值到正向极大值的过渡时间，从而控制输出的雷达信号脉冲的宽度，即实现了输出高压脉冲雷达信号的脉宽可调。

为了进一步验证本发明所提出的技术方案可以实现所合成的雷达信号的脉宽可调，进行了该方案的仿真验证：

如图2所示，通过调节两个脉冲之间的时间延迟13，在不同的时间延迟下，将反向波和正向波以一定的延迟合成，可以形成如图3所示的雷达信号波形，得到的雷达信号波形由反向极小值至正向极大值之间的过渡时间也相应的改变，对应频谱如图4所示。图3中，选用脉冲宽度τ＝0.2ns的高斯脉冲作为模拟本实施方式所产生的高斯脉冲信号，控制正反两个高斯脉冲之间的相对时延分别为t_shift＝0.1ns,t_shift＝0.6ns,t_shift＝0.7ns。其中，图3中的编号与图4中编号一一对应，即图4中的各频谱波形分别是图3中的各个雷达信号的频谱。调节正向波与反向波之间的相对时间延迟，可以调节输出的雷达信号波形的中心频率。

仿真验证结果证明，通过改变时间延迟可以很好地实现所合成的雷达信号波形的中心频率在一定频段范围内可调，从而使单一的探地雷达设备适应更多的探测场景。