一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构及探测方法

本发明涉及雷达探测领域，尤其涉及一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构。

背景技术：

1、地球有着复杂的地下物质结构并蕴含着丰富的矿产资源，长期以来，神秘的地下世界一直吸引着人类对其进行不懈的探索，地球物理科学便应运而生。探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部介质物质分布规律的一种地球物理方法，属于无损检测，随着电子技术和计算机科学技术的飞速发展，探地雷达开始在自然环境保护、灾害救援和考古等领域崭露头角。

2、现如今，探地雷达的研制逐步朝着高精度、高速度和智能化方向发展，经调研，探地雷达发射链路的研制过程中仍存在以下问题。第一，为了实现探地雷达发射端中的高速脉冲源，多采用模拟电路，例如利用雪崩三极管的雪崩效应产生高速脉冲信号，但该方法中模拟电路存在温度漂移现象、输出波形不稳地和拖尾现象等问题，从而极大影响了系统架构的精度。第二，为了探测不同深度的地下信息需要发送不同频率的电磁波，因此为了实现多场景测量需要较大的发射带宽，而用模拟电路搭建的发射链路难以满足较大发射带宽需求，且难以调节发射电磁波频率。因此探地雷达仍多为专机专用的方式，例如机场跑道浅层路面和城市地下管线探测需要用到不同类型的探地雷达，增加了测量成本。第三，探地雷达的运动方向上具有较高的分辨率，但由于探地雷达的发射天线固定在机器底部，在垂直于探地雷达运动方向上的探测范围非常有限。现有技术多使用高速射频开关对多路天线阵列进行分时复用，即将单通道射频信号复用至天线阵列中，该方法会增加后续拼接算法的复杂度。对于需要大面积探测的场景，例如城市地下管线探测、自然灾害探测中降低效率和精度。

技术实现思路

1、本发明针对现有探地雷达发射链路精度低、探地雷达多为专机专用且探测范围有限的问题，提出一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，所述架构包括：

2、上位机、dds发生器和波束形成模块；所述dds发生器包括fpga和dac芯片；

3、所述上位机通过串口通信协议向fpga传递参数；

4、所述fpga上位机接收参数，并通过多通道rom中的波形数据表生成四路控制字输送至dac芯片中；

5、所述dac芯片根据四路控制字将数字量转换为模拟量，并将所述模拟量传输至波束形成模块；

6、所述波束形成模块接收模拟量生成可调的步进频率连续波信号；

7、所述fpga中的控制逻辑模块对波束形成模块发送控制信号，控制步进频率连续波相位和幅值。

8、进一步的，还提供一种优选方式，所述所述上位机通过串口通信协议向fpga传递参数包括：步进频率连续波信号的中心频率、带宽和步进频率。

9、进一步的，还提供一种优选方式，所述fpga通过fmc接口与dac芯片连接。

10、进一步的，还提供一种优选方式，所述dds发生器具体包括：相位累加器、相位调制器、波形数据表和dac芯片；

11、每个时钟周期的时钟上升沿，所述相位累加器将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至相位累加寄存器的数据输入端，生成相位序列；

12、所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字；

13、根据所述波形控制字进行波形控制字输入dac芯片中得到输出信号。

14、进一步的，还提供一种优选方式，所述相位累加器由n位加法器与n位寄存器构成。

15、进一步的，还提供一种优选方式，所述相位序列通过多个时钟脉冲的频率控制字与相位控制字相加获得。

16、进一步的，还提供一种优选方式，所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字，具体为：

17、相位序列经过相位调制器的处理后输入至波形数据表，作为波形数据表的地址；

18、对所述波形数据表进行寻址获得波形控制字。

19、进一步的，还提供一种优选方式，所述波束形成模块包括天线阵列，移相器和衰减器；每个天线元素连接一个移相器和一个衰减器；

20、所述移相器用于调整天线阵列中各个天线元素的相位；

21、所述衰减器用于调整天线元素的信号强度。

22、进一步的，还提供一种优选方式，所述dac芯片的模拟量通过sma接口传输至波束形成模块。

23、基于同一发明构思，本发明还提出一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的探测方法，所述方法包括：

24、上位机通过串口通信协议向fpga传递控制参数；

25、fpga接收上位机传递的参数，并使用多通道rom中的波形数据表生成四路控制字；

26、生成的数字信号经过dac芯片进行数字信号到模拟信号的转换；

27、模拟信号传输至波束形成模块，将模拟信号转换为可调的步进频率连续波信号；

28、调整后的步进频率连续波信号用于雷达信号的发射；

29、当信号与目标物体交互并返回时，雷达系统接收到回波信号。

30、本发明的有益之处在于：

31、本发明解决了现有探地雷达发射链路精度低、探地雷达多为专机专用且探测范围有限的问题。

32、相对于传统的射频链路采用搭建模拟电路方式产生步进频率连续波信号，本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构采用数字电路方式，使用fpga编写逻辑控制模块，利用fpga和高速da芯片实现dds发生器的功能，同时产生可控的高精度步进频率连续波信号，具有更高的灵活性和精度。

33、针对目前探地雷达多为专机专用，根本上是由于常规射频链路架构产生的步进频率连续波信号带宽窄，难以满足多场景测量需求的问题。本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，将应用场景所需的步进频率连续波信号波形存储至rom中，根据上位机的信号选择不同中心频率的步进频率连续波信号，同时更换发射天线即可实现带宽范围为300mhz至3ghz的探地测量，满足城市公路、管线探测等探测深度小于10m的大部分功能场景。

34、针对目前常规探地雷达在垂直于探地雷达运动方向上的探测范围较小，需要进行多次扫描和后续更为精确的扫描图像拼接成型算法加以辅助，会增加处理器的运行负担并降低探地雷达的测量效率。根据波束形成原理，天线发射出的信号会在远场中矢量叠加，叠加后的等效发射方向与各个天线的幅值和相位有关。本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，通过fpga可编程逻辑的特性，进一步加入了波束形成控制模块控制移相器和衰减器，从而实时、独立控制任意一个发射天线的信号幅值和相位，进一步提升横向探测范围。

35、本发明所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构中，上位机通过串口通信向fpga传递参数，这些参数包括波束形成的相关控制信息。通过串口通信，fpga可以接收、解析并使用这些参数来配置雷达系统，满足不同任务和场景的需求对雷达系统进行灵活的调整。fpga接收上位机传递的参数，并根据这些参数生成波形控制信息，包括波形的幅值、相位等。dac芯片将数字信号转换为模拟信号，提供给波束形成模块。通过数字信号处理和模拟信号转换，实现对波束的精确控制，提高雷达信号的准确性和可调性，增强了系统的信号处理性能。波束形成模块能够生成可调的步进频率连续波信号，实现波束形成，其具备灵活性，可根据需要改变信号的频率和方向。该模块接收dac芯片提供的模拟信号，然后将其转换为连续波信号。控制逻辑模块根据fpga的控制信号，调节波束的相位和幅值。通过波束形成模块实现波束形成，即控制雷达信号的传播方向和特性，以提高探测精度，进一步增加雷达的适用性，以适应多种探测场景和需求。

36、本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，应用于探地雷达制备领域。