等效采样中步进延时脉冲获取方法及系统与流程

1.本发明涉及探地雷达技术领域，具体地涉及一种等效采样中步进延时脉冲获取方法及一种等效采样中步进延时脉冲获取系统。


背景技术：

2.等效采样方法为现有探地雷达的回波信号采集的常规方法，该方法在每个信号周期或者每隔几个信号周期采集一个样点，将采集后的样点按照一定的排列重新组合成一个新信号，新组成的信号形状与原被采样信号相似，在时间宽度上新组成的信号比原被采样信号增加了数倍，进而降低了被采样信号的频率。等效采样的精度取决于步进时延脉冲的准确度和精度，步进时延的产生方式不同决定了等效采样精度的不同。
3.在现有步进时延产生方法中，主要包括固定延时法和步进延时法。其中，固定延时法的步进延时精度由器件本身决定，目前还没有高精度的步进延时芯片，导致等效采样的精度也无法提高。另一方面，延时芯片的延时长度受限导致探地雷达探测深度受限。
4.而步进延时法产生步进延时受快斜波的线性度限制，尤其对探测较深的大时间窗，快斜波线性度较差，导致步进时延精度较差，进而影响到探测较深目标时等效采样的精度。
5.针对现有技术在产生步进延时过程中精度差和步进延时间距大的问题，提出一种新的步进延时脉冲获取方法。


技术实现要素：

6.本发明实施方式的目的是提供一种等效采样中步进延时脉冲获取方法及系统，以至少解决现有技术在产生步进延时过程中精度差和步进延时间距大的问题。
7.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种等效采样中步进延时脉冲获取方法，应用于冲激探地雷达探测过程，所述方法包括：s1)响应于触发脉冲，根据预设规则生成单周期正弦信号；s2)将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压；s3)将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号；s4)沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲；s5)重复步骤s1
‑
s4)，获得连续的步进延时脉冲。
8.可选的，步骤s1)中，所述生成单周期正弦信号，包括：根据预设时钟信号频点，对采集的时钟信号进行分频，获得单周期正弦信号。
9.可选的，步骤s3)中，将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号，包括：将移位后的单周期正弦信号与移位后的零点电压进行对比，获得包含高电平和低电平的方波信号；其中移位后的单周期正弦信号中大于移位后的零点电压的输出为高电平，小于移位后的零点电压的输出为低电平；
10.所述方波信号宽度与所述移位后的单周期正弦信号宽度的关系式为：
11.12.其中，为第n次触发脉冲的方波信号宽度；t
n
为第n次触发脉冲的单周期正弦信号宽度。
13.可选的，步骤s4)中，所述沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲，包括：将所述移位后的单周期正弦信号中第一个输出低电平作为所述方波信号的下降沿；根据所述方波信号的下降沿输出对应的步进延时脉冲。
14.可选的，步骤s1)中，所述根据预设规则生成单周期正弦信号，包括：根据上一单周期正弦信号的频率和预设步进频率，生成所述单周期正弦信号；计算公式为：
15.f
n
＝f
n
‑1‑
δf
16.其中，f
n
为第n次触发脉冲的单周期正弦信号的频率；f
n
‑1为第n
‑
1次触发脉冲的单周期正弦信号的频率；δf为预设步进频率。
17.本发明第二方面提供一种等效采样中步进延时脉冲获取系统，应用于探地雷达探测过程，所述系统包括：分频单元，用于响应于触发脉冲，根据预设规则生成单周期正弦信号；处理单元，用于将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压，将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号，沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲。
18.可选的，所述分频单元为dds芯片。
19.可选的，所述处理单元包括：电平移位电路，用于将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压；比较器，用于将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号；单稳态触发电路，用于沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲。
20.可选的，所述根据预设规则生成单周期正弦信号，包括：根据上一单周期正弦信号的频率和预设步进频率，生成所述单周期正弦信号；所述系统还包括：输入单元，用于根据探测需求调节所述预设参考电压和所述预设步进频率。
21.另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的等效采样中步进延时脉冲获取方法。
22.通过上述技术方案，频率相差很小的两个正弦波，其周期必然相差很小，通过比较器产生的方波信号的脉冲宽度必然相差很小，相应的脉冲下降沿必然相差很小，由此能够获得极高精度步进延时脉冲。基于此，利用dds芯片高频率分辨率特性，来获得高精度的步进延时脉冲，从而实现高精度的等效采样。使得步进时延能轻松做到ps级，甚至亚ps级，等效采样的精度能获得极大提高。
23.本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
25.图1是本发明一种实施方式提供的等效采样中步进延时脉冲获取方法的步骤流程图；
26.图2是本发明一种实施方式提供的等效采样中步进延时脉冲获取方法实施例中波形演化示意图；
27.图3是本发明一种实施方式提供的等效采样中步进延时脉冲获取系统的结构示意图；
28.图4是本发明一种实施方式提供的处理单元的结构示意图。
29.附图标记说明
30.10
‑
分频单元；20
‑
处理单元；30
‑
输入单元；
31.201
‑
电平移位电路；202
‑
比较器；203
‑
单稳态触发电路。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
33.在现有技术中，常规冲激探地雷达对回波信号的采样一般使用等效采样的方法来实现，并且要求被采样信号具有周期性。采样脉冲可以在每个信号的周期或者每隔几个信号周期采集一个样点，再将采集后的样点按照一定的排列重新组合成一个新信号，新组成的信号形状与原被采样信号相似，在时间宽度上新组成的信号比原被采样信号增加了数倍，进而降低了被采样信号的频率。若假设被采样信号的周期为t，步进时间为δt，样点数为n，则经过等效采样后，复现信号的周期t
i
为：
34.t
i
＝n(t+δt)；
35.其中，步进时间δt代表采样精度，δt越小，采样精度越高；δt通常取10～50ps。10ps相当于实时采用的100ghz采样频率，50ps则相当于20ghz采样。最后通过重组复现信号，可完全实现原始输入波形信号的重建。重组数据的采样率都是由每一轮采样之间采样信号的微小延时步进δt来确定的，通过控制这个δt的大小，就可以控制等效采样的频率，也就是实际采样的频率，如果这个δt足够小，那么等效采样的频率就足够高，对各种高频成分都可以采集到，通过低频实现高频实时采样的功能。
36.根据本发明的方案，来自探地雷达天线的回波信号首先送入采样门电路，采样门电路采样时间受步进延时脉冲产生电路和采样脉冲产生电路的控制，步进延时脉冲在发射触发的作用下产生高精度的步进延时脉冲，步进延时脉冲送入采样脉冲产生电路实现高精度步进延时、窄脉冲的产生，随后送入采样门电路实现等效采样，采样后的电路送入保持放大电路实现信号展宽和放大，最后由ad进行模数转换，获得完整的等效采样后的完整数字信号。
37.目前步进时间δt的产生方式主要包括固定延时法和步进系统法，这两种方法均存在使用弊端。
38.固定延时法实现相对简单，但受限于延时芯片的步进范围影响，存在步进精度不够，延时范围较小等问题。对于探测深度较深、探测精度要求高的场合，固定延时法不能满足要求。
39.步进系统法由与被采样信号同步的触发脉冲信号经快斜坡发生器产生与触发信号同频率、线性好、延迟时间短的快斜坡，与此同时，阶梯波发生器产生一定电平值的阶梯，将这两路波形通过快速比较器202进行比较，当快斜坡的幅度达到阶梯波的电平值时，比较器202的输出电平翻转产生一个反向电平。在一个周期内，当一个快斜波结束后，阶梯波上升一个阶梯，新产生的阶梯波与快斜波再进行比较产生新的脉冲信号，这个新的脉冲信号
与前一个相比，在时间上存在一个时间差δt，这个时间差就是步进值。步进系统法中，快斜波发生器一般通过rc电路来产生快斜波信号，rc电路固有的非线性特性导致快斜波信号线性度不够，进而导致步进延时产生偏差，影响等效采样精度和准确性。且随着探测深度的增加，rc电路产生斜波线性度进一步变差，导致探测深度越深，探测精度越差。还存在阶梯波与快斜波需要精确同步，实现起来相对较困难的问题。基于以上，本发明提出一种等效采样中步进延时脉冲获取方法和一种等效采样中步进延时脉冲获取系统。
40.图3是本发明一种实施方式提供的等效采样中步进延时脉冲获取系统的系统结构图。如图3所示，本发明实施方式提供一种等效采样中步进延时脉冲获取系统，应用于探地雷达探测过程，所述系统包括：分频单元10，用于响应于触发脉冲，根据预设规则生成单周期正弦信号；处理单元20，用于将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压，将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号，沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲。
41.优选的，如图4，所述处理单元20包括：电平移位电路201，用于将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压；比较器202，用于将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号；单稳态触发电路203，用于沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲。
42.优选的，所述分频单元10为dds芯片。
43.优选的，所述系统还包括：输入单元30，用于根据探测需求调节所述预设参考电压和所述预设步进频率。
44.图1是本发明一种实施方式提供的等效采样中步进延时脉冲获取方法的方法流程图。如图1所示，本发明利用dds芯片高频率分辨率特性，来获得高精度的步进延时脉冲，从而实现高精度的等效采样。其原理是利用频率相差很小的两个正弦波，其周期必然也相差很小，通过比较器202产生的方波信号的脉冲宽度必然相差很小，相应的脉冲下降沿必然相差很小，由此获得极高精度步进延时脉冲。具体的，所述方法包括：
45.步骤s1：响应于触发脉冲，根据预设规则生成单周期正弦信号。
46.具体的，探地雷达进入工作状态后，产生触发脉冲，分频单元10的dds芯片响应于此触发脉冲，对采集的时钟信号进行分频。优选的，所选dds芯片为ad9834芯片，ad9834其最高频率分辨率可到4mhz，周期时间差为0.04ps，可轻松实现ps(皮秒)级甚至亚ps级等效采样。根据预设时钟频点输出第一个单周期正弦波，例如预设30m时钟信号分频，输出第一个单周期正弦波的频率为8mhz。
47.步骤s2：将所述单周期正弦信号移位到预设参考电压。
48.具体的，若将预设参考电压设置为零电平，则很容易遭受噪声干扰，导致波动较大，使得后续对比结果不准确。为了尽量减少噪声干扰，优选的，预设参考电压设置为单周期正弦信号的振幅值。例如，某单周期正弦波的振幅为2v，则将预设电压也设置为2v。dds芯片将产生的单周期正弦信号发送到电平移位电路201，电平移位电路201将单周期正弦信号偏置到预设电压位置处，即在二维坐标轴中，将单周期正弦信号的波形纵向偏移，将原本的零点偏移到预设电压位置。
49.步骤s3：将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号。
50.具体的，为使得步进延时脉冲便于确认，优选的，将移位后的单周期正弦信号转换为方波信号，然后根据方波信号拐点明显的特质进行对应的步进延时脉冲确认。
51.首先，电平移位电路201将移位后的单周期正弦信号发送到比较器202，比较器202
获取对应的预设参考电压。优选的，进行单周期正弦信号移位时，设置的预设参考电压为单周期正弦信号的振幅值，将整个单周期正弦信号纵向偏移一个振幅值，则此时单周期正弦信号的零点正是预设参考电压。基于此，沿单周期正弦信号的波形方向，与预设参考电压进行对比，单周期正弦信号中大于预设参考电压的全部输出为高电平，单周期正弦信号中小于预设参考值的全部输出为低电平，获得仅包含高电平和低电平的方形电波，输出的最后一个高电平与输出的第一个低电平之间存在唯一下降沿。在保留输出的高电平方向电波后，因为沿着预设参考电压进行单周期正弦信号分割，则此时生成的方波信号的宽度为单周期正弦信号宽度的1/2，即方波信号的表达式为：
[0052][0053]
其中，为第n次发射触发脉冲的方波信号宽度；t
n
为第n次发射触发脉冲的单周期正弦信号宽度。
[0054]
步骤s4：沿所述方波信号的下降沿输出步进延时脉冲。
[0055]
具体的，在最后一个输出高电平位置存在方波的唯一下降沿，沿此下降沿输出步进延时脉冲将使得输出的步进延时脉冲的唯一性和步进性更好，有效利用dds芯片的相位连续，频率分辨率高、周期时间差小等特点，使得产生的步进延时脉冲精准度更高。比较器202将生成的方形电波发送到单稳态触发电路203，单稳态触发电路203沿着方波的唯一下降沿输出对应的步进延时脉冲，至此，完成一个步进延时脉冲的输出。
[0056]
步骤s5：重复步骤s1
‑
s4，获得连续的步进延时脉冲。
[0057]
具体的，上述已知，就等效采样方法而言，步进时间为一组连续的步进延时脉冲，所以仅输出一个步进延时脉冲是无法实现等效采样的。为了提高步进延时的精准性，优选的，利用dds具有的高频率分辨率的特质，产生高频率分辨力的正弦信号，与设定的阈值电平进行比较，若大于阈值电平则产生一个脉冲，下一周期产生一个频率稍低正弦信号，再与设定的阈值进行比较，若大于阈值电平则产生一个脉冲，由于第二个频率信号相对第一个频率信号频率更低，具有更大周期，因此第二脉冲相比第一个脉冲宽度更宽，从下降沿角度相当于一个步进延时δt。基于此，输出的步进延时的精度将完全取决于dds输出信号的频率差，而dds输出信号的频率差可以达到毫赫兹级别，则通过dds芯片的此特性将可以将步进延时做到ps级，甚至亚ps级。
[0058]
基于上述设计规则，首先需要设置步进频率，即一个周期产生的正弦信号的频率与上一周期产生的正弦信号的频率之间的差值。步进频率的具体数值由探地雷达具体需要探测的工况决定，在综合衡量探测进度和探测敏捷性的需求后，由操作人员通过输入单元30进行调节。
[0059]
优选的，首先进行适应性训练，记录每一个探测深度最优的步进频率，生成探测深度与步进频率之间的关联函数。后续操作人员仅需要通过设定需要探测的深度范围阈值，由系统根据预设的探测深度与步进频率之间的关联函数自动选择适配的步进频率。完成一个步进延时脉冲输出后，响应于下一个触发脉冲，根据步进频率生成新的单周期正弦信号。其计算公式为：
[0060]
f
n
＝f
n
‑1‑
δf；
[0061]
其中，f
n
为第n次触发脉冲的单周期正弦信号的频率；f
n
‑1为第n
‑
1次触发脉冲的单周期正弦信号的频率；δf为预设步进频率。
[0062]
例如，某次输出的单周期正弦信号的频率为10mhz，预设的步进频率为200hz。则在完成本次步进延时脉冲输出后，响应于下一次触发脉冲，输出的单周期正弦信号的频率为9.9998mhz。根据步骤s3所述的规则，频率为10mhz的单周期正弦信号的信号宽度为100ns，则频率为10mhz的单周期正弦信号输出的方波的宽度为50ns。频率为9.9998mhz的单周期正弦信号的信号宽度为100.002ns，则频率为9.9998mhz的单周期正弦信号的方波的宽度为50.001ns。则频率为9.9998mhz的单周期正弦信号的输出步进延时脉冲相较于频率为10mhz的单周期正弦信号的输出步进延时脉冲延迟了1ps。从而实现ps级的步进延时。
[0063]
具体的，根据步骤s5的规则，每输出一个延时脉冲信号，在下一个触发脉冲时根据预设步进频率生成新的单周期正弦信号，然后对应生成新的延时脉冲信号，从而形成连续的步进延时脉冲。每相邻两个延时脉冲信号之间的延时相同。
[0064]
在一种可能的实施方式中，如图2，预设步进频率为128hz，预设重复次数为1001次，预设参考电压为1.5v。基于上述规则，dds芯片响应于探地雷达的发射触发脉冲，输出8mhz单周期正弦波v1，然后送至电平移位电路201，使其偏置在1.5v，获得偏置后单周期正弦波v2。然后将v2与1.5v参考电压进行比较，当正弦波电压大于1.5v时输出高电平，当正弦波电压小于1.5v时，输出低电平，此时比较器202输出脉冲宽度为125ns/2＝62.5ns的方波信号v3，该方波信号再送入单稳态触发电路203，在下降沿触发输出步进延时脉冲v4。随后第二个发射触发脉冲到来，dds输出频率为7.999872mhz单周期正弦信号，比较器202输出脉冲宽度为62.501ns的方波信号，单稳态触发电路203在该方波信号下降沿再次触发产生步进延时脉冲，相对于第一个步进延时脉冲，第二个步进延时脉冲延迟了1ps，后续产生的步进延时脉冲都相对于前一个步进延时脉冲延迟1ps。当第1001个发射触发脉冲到来时，dds产生频率为7.874016mhz的单周期正弦信号，此时比较器202输出方波信号脉冲宽度为63.5ns，方波信号的下降沿触发单稳触发电路产生步进延时脉冲，该步进延时脉冲相对于第一个延时脉冲信号延时了1ns，总共1001点的等效采样，探地雷达完成一次扫描探测。实现了对浅层目标(小于15cm深)的高分辨力(0.15mm)的探测。
[0065]
本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的等效采样中步进延时脉冲获取方法。
[0066]
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0067]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0068]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。