一种井中雷达步进频率可控模式信号源的制作方法

本发明属于井中雷达测井系统的硬件组成单元，主要运用于产生宽频带、大功率的步进频率雷达信号，输出步进值以及输出频率范围可以程控，输出模式可以在调频连续波、步进连续波、脉间步进频率波之间进行可控调整。一路产生射频信号，一路产生本振信号，共同组成信号源。

背景技术：

随着人类对油、气等地下资源需求的日益增加，人们对地下探测技术的研究正在日趋增大。这就需要对资源分布和地质构造情况进行深入研究，而过高的实验成本，迫切需要一种高精确度、高效率的测井方法。井中雷达测井系统是将钻孔雷达应用于石油测井的产物，其工作机理是借助电磁波在地下土壤与岩层中传播进而探测电磁特性不连续的地质异常，在获得高分辨率的同时，可达到井周5～10m的探测距离，相较于传统测井方法2～3m的探测距离更远，因此成为国内外研究的热门。

目前绝大多数的钻孔雷达都属于冲击脉冲体制，但这种雷达很难兼顾高分辨率和远的探测距离的要求，而与之对应的频域步进体制雷达可以做到对高分辨率和高探测距离的要求，该体制雷达通过发射大功率、超宽带、小步进值的信号，当遇到电磁特性不连续的地下介质时其反射特性或者传输特性发生变化，最终再从反射波或者传输波形中通过脉压技术提取目标信息。该系统通过发射天线与接收天线组阵的方式来实现目标的定位，实验中地层介质对于雷达波的衰减量最大可达90db，这就要求信号源具有极高的输出功率，且在频率变化的过程中保持输出功率的一致性。所以，发射源作为雷达发射系统中极关重要的部分，其性能的好坏对整个雷达系统的工作性能好坏具有至关重要的作用，因此需要合理的设计高性能的信号源以满足雷达系统的要求。

技术实现要素：

本发明主要针对用于深度测井的步进频率体制的定向钻孔雷达系统中的信号源，其应该具有大的发射功率、宽的频带范围、小的步进频率值、小的设计体积以及可控的步进频率模式。综合以上特征，设计了一款具有模式可控、ns级快速频率切换、可控步进值以及大的输出信号功率与宽的频率范围。

本发明采用的技术方案为：

一种井中雷达步进频率可控模式信号源，该信号源包括：射频发射源与本振源两大块，分别用于产生发射信号与本振信号，且射频发射源与本振源由同步控制时钟来保证射频信号与本振信号的相参性。

所述本振源包括电源转换模块、高速时钟模块、dds频综模块、射频增益调整模块以及主控单元模块；所述的电源模块将输入电源转换为各个模块需要的电平值，实现对各个模块的供电功能；所述的高频时钟模块接收来自主控单元模块的寄存器初始化指令，并产生高频时钟信号；所述的dds频综模块根据主控单元模块发送的频率控制字ftw对高频时钟信号进行分频处理，产生所需调制模式的宽带步进频率信号；然后该宽带步进频率信号经放大器与数控衰减器组成的射频增益调整模块，实现对最终输出的各个点频信号的功率值调整；所述的主控单元模块实现对输出功率值的调整。

所述射频发射源包括电源转换模块、高速时钟模块、dds频综模块、射频增益调整模块、功放模块、功率检波模块以及主控单元模块；所述的电源模块将输入电源转换为各个模块需要的电平值，实现对各个模块的供电功能；所述的高频时钟模块接收来自主控单元模块的寄存器初始化指令，并产生高频时钟信号；所述的dds频综模块根据主控单元模块发送的频率控制字ftw对高频时钟信号进行分频处理，产生所需调制模式的宽带步进频率信号；然后该宽带步进频率信号经放大器与数控衰减器组成的射频增益调整模块，实现对最终输出的各个点频信号的功率值调整；之后宽带步进频率信号经功放模块实现对该信号功率值的进一步的放大；所述的功率检波器，对经功放后的输出信号进行功率检波，得到一个电平值；该电平值又被反馈回主控单元模块，主控单元模块根据电平值的变化来控制射频增益调整模块，最终使每个频点处的输出功率值保持一致。

与射频发射源相比，本振源后端不含有功放模块与功率检波模块构成的闭环功率调整部分，但主要部分一致。

所述高频时钟模块可以产生135mhz-4.4ghz的时钟信号。

所述dds频综模块可以接受主控单元模块的控制产生调频连续波、步进连续波、脉间步进频率波等三种不同的调制模式，除了对信号的频率进行不同模式的调制外还可以对输出信号的幅度与相位进行调制。

进一步地，该信号源放置在腔体内部，并对各个模块进行了隔离屏蔽，有效的降低了电磁干扰，并对系统的散热具有明显的作用。

所述射频增益调整模块包括放大器与数控衰减器，主要完成对dds频综模块输出信号功率进行放大以及功率调整，使输出功率调整到一定的值。

所述功放模块将输出的低功率步进信号放大到足够大的功率值，并将足够大的功率值反馈入功率检波模块。

所述功率检波模块，将经功放后的信号输入功率检波器，并将检波后的电平值反馈给主控单元模块。

所述主控单元模块，通过反馈值来对射频增益调整模块发出相应的增益控制指令，使最终输出的信号在每个频点处的功率值保持为一个定值。还可接收来自上位机的指令，实现对dds频综模块输出信号的频率范围、步进值、功率值、脉间步进模式下的脉冲宽度等参数的控制。

有益效果：本发明提供的井中雷达步进频率可控模式信号源，可输出大于10w的平均功率，通过主控单元模块可以控制调整输出信号的模式(共三种切换模式)，能够适用于不同的应用环境。频率范围较宽：dc-1500mhz，频率步进值可调，且由射频增益控制模块、功放模块、功率检波模块、主控单元模块构成的闭环功率增益调整电路，可以使每个频点处的功率值达到一致，同时还具有ns级的快速频率切换时间。通过对各个模块的合理设计，整个信号源体积小巧，可装置在直径为50mm的圆柱内。

附图说明

图1步进频率雷达系统的原理框图

图2射频发射源结构示意图。

图3本振源结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为整个步进频率雷达系统的原理框图，从图中可以看出，射频发射源与本振源是整个硬件系统的重要组成部分，射频发射源含有射频增益调整模块且尾部含有功放部分用于将输出每个频点处的步进频率信号的功率提升到系统要求的指标20w。而受同步控制时钟控制的本振源只负责产生一个与射频发射源相参的本振信号，并将本振信号放大到某一指定的值+17dbm(这主要是考虑到所选混频器的一些功能)。还有就是发射天线与接收天线，用于发射步进的射频信号与接收经目标反射后的回波信号，送到接收机中，将接收到的微弱回波信号先进行功率增益控制处理再与本振信号进行下变频处理，最后，将中频信号输入到正交解调器中对其进行正交解调处理，最终得到四路差分的正交基带信号给采集板进行信号的采集与重建。

如图2所示为射频发射源的整体结构示意图。所述射频发射源包括高频时钟模块、dds频综模块、主控单元模块等构成的对输出信号频率的调制模块；射频增益调整模块、功放模块、功率检波模块、主控单元模块等构成的闭环功率调整模块；电源模块为各个模块提供所需的工作电压。该射频发射源可以产生从dc-1500mhz，步进频率值可调的步进频域信号，拥有ns级的频率切换速度，且整体的宽度与高度均控制在30mm以内。整个射频发射源采用腔体将各个模块隔离，腔体的隔离设计有效的降低了电磁干扰，同时具有散热效果。

如图3所示为本振源结构示意图。该本振源的目的是产生一路与射频信号相对应的本振信号，使其与射频信号在频率跳变的整个过程中，在每个对应频点处的差值为一个确定的中频值，所以，此处产生的本振信号不需要过高的功率，只是根据接收机中混频器对本振信号功率的要求来适当的将输出功率调整为+17dbm。同时该本振源也可以产生从dc-1500mhz，步进频率值可调的步进频域信号，拥有ns级的频率切换速度，且整体的宽度与高度均控制在30mm以内以及整个本振源采用腔体将各个模块隔离，腔体的隔离设计有效的降低了电磁干扰，同时具有散热效果。

所述电源转换模块，该射频发射源与本振源的外部输入为+12vdc，内部芯片需要+5vdc、-5vdc、+3.3v，因此该电源转换模块能够将+12v转换为+5v、-5v、+3.3v。

所述高频时钟模块产生3.5ghz的时钟信号供给后续dds频综模块。

所述dds频综模块接受主控单元模块的控制产生调频连续波、步进连续波、脉间步进频率波等三种不同的调制模式，除了对信号的频率进行不同模式的调制外还可以对输出信号的幅度与相位进行调制。

所述射频增益调整模块包括20db的放大器与0到-31.5db、0.5db步进的数控衰减器，主要完成对dds频综模块输出信号功率进行放大以及功率调整，使进入功放模块前的信号功率值达到+17dbm。

所述功放模块将输出的低功率步进信号放大到20w的功率值，并将足够大的功率值反馈入功率检波模块。

所述功率检波模块，将经功放后的信号输入功率检波器，并将检波后的电平值反馈给主控单元模块。

所述主控单元模块，通过不同的反馈值来对射频增益调整模块发出相应的增益控制指令，使最终输出的信号在每个频点处的功率值保持为20w。还可接收来自上位机的指令，实现对dds频综模块输出信号的频率范围、步进值、功率值、脉间步进模式下的脉冲宽度等参数的控制。

高速时钟模块、dds频综模块、主控单元模块等构成了对输出信号频率的调制模块，可以根据探测的需求，在三种调制模式下任意切换输出信号的调制模式；调制后的输出信号经射频增益调整模块、功放模块、功率检波模块、主控单元模块等构成的闭环功率调整模块，将每个输出频点处的功率值提升到20w。

本发明的射频发射源与本振源可实现每个频点处的相躁均优于-100dbc/hz@10khz，以及在dc-1500mhz范围内可选频段输出的性能，且平均功率可以达到20w，既能满足高的分辨率要求，又能满足远距离的探测需求。

数控衰减器是射频增益调整模块的关键所在，6档衰减量分别为16db、8db、4db、2db、1db、0.5db，选用的最小衰减量决定了接收机前端的增益步进，因此本发明的接收机前端增益步进在0.5db～16db间可调。数字步进衰减器的6档衰减量由主控单元模块提供的6位控制信号直接控制切换，可以通过组合来调整衰减量，进而改变输出信号在每个频点处的增益。

由射频增益模块、功放模块、功率检波模块和主控单元模块等构成的反馈式闭环功率调整模块，可接收来自dds频综模块产生的宽带步进信号，并对其进行进一步的功率放大，将经功放后的信号输入功率检波器，并将检波后的值反馈给主控单元模块，主控单元模块通过对反馈值进行判断，进而对射频增益调整模块发出相应的增益控制指令，使最终输出的信号在每个频点处的功率值保持为一个定值。