《電子技術應用》
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基于射频片上系统的步进频探地雷达阵列系统设计
电子技术应用
刘嘉宇1,谢跃雷1,2,刘庆华1
1.桂林电子科技大学 信息与通信学院;2.南宁桂电电子科技研究院有限公司
摘要: 步进频探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)因其超宽带的优势在浅表层高分辨率探测中的得到了广泛的发展和运用。然而,一般的步进频GPR硬件实现上往往采用多板联调的方案,且多设计为单发单收的模式,无法同时满足探测效率高、系统高度集成化等现代化探测需求。针对上述需求,设计了一个基于射频片上系统(RFSoC)的多收发步进频探地雷达阵列系统,实现了一套突出高分辨率和高探测效率特点且具备天线阵列收发控制功能的步进频GPR系统。系统的硬件平台是RFSoC-47DR数模混合信号处理板卡,系统的阵列天线由23个同类型超宽带天线设计为11发12收的结构组成,通过设计时钟链路、收发逻辑控制链路、射频开关控制链路、高速存储数据链路等模块,完成系统对所有天线的发射和接收。系统在实测过程中,能够在一次测试中成像出22个B扫描,极大程度上提高了探测的效率。通过石板路面、沥青柏油路面等多个实际场景的测试验证,本套系统设计能够进行有效的探测,获取到常见道路地表下的目标和结构等信息。
中圖分類號:TN957 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257173
中文引用格式: 劉嘉宇,謝躍雷,劉慶華. 基于射頻片上系統的步進頻探地雷達陣列系統設計[J]. 電子技術應用,2026,52(5):92-102.
英文引用格式: Liu Jiayu,Xie Yuelei,Liu Qinghua. Design of a stepping frequency ground penetrating radar array system based on RFSoC[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(5):92-102.
Design of a stepping frequency ground penetrating radar array system based on RFSoC
Liu Jiayu1,Xie Yuelei1,2,Liu Qinghua1
1.School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology;2.Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co., Ltd.
Abstract: Stepping frequency ground penetrating radar (GPR) has been widely developed and used in shallow-surface high-resolution detection due to its ultra-wideband advantage. However, the general stepping-frequency GPR hardware implementation often adopts a multi-board coordination scheme, and is mostly designed as a single transmitter and single receiver mode, which cannot simultaneously meet the modern detection requirements such as high detection efficiency and highly integrated system. In response to the above needs, this paper designs a multi-transceiver stepping-frequency ground penetrating radar array system based on RFSoC, and realizes a set of stepping-frequency GPR system that highlights the characteristics of high-resolution and high-detection efficiency, and has the function of transceiver control of antenna arrays. The hardware platform of this system is RFSoC-47DR digital-analogue mixed-signal processing board, the array antenna of this system consists of 23 ultra-wideband antennas of the same type designed as a 11-transmitter and 12-receiver structure, and through the design of the clock link, transceiver logic control link, RF switch control link, high-speed storage of data link and other modules, the system completes the system for all the antennas to transmit and receive. This system is able to image 22 B-sweeps in one test during the real test, which greatly improves the efficiency of detection. Through the test verification of several real-world scenarios such as stone pavement, asphalt tarmac, etc., this system design is able to carry out effective detection and acquire information such as targets and structures under the surface of common roads.
Key words : stepping-frequency ground penetrating radar;RFSoC;array antenna;three-dimensional imaging

引言

探地雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)作為一種利用電磁波進行無損探測的裝置,被廣泛應用于工程檢測、環境保護、文物考古、災害救援、反恐安檢、資源勘探、水文水利等領域中,將探地雷達技術應用于道路實際路況檢測當中,能夠更好地探查到道路路基、路面以及路網結構等方面存在的問題,為道路路面養護提供實時、精準的數據參考,有利于進一步提高道路的使用壽命[1]。從探地雷達所收發的電磁波信號分類來說,目前大多為脈沖信號體制的探地雷達,其波形穩定性相對不足,難以滿足精細化探測需要;相比于脈沖式探地雷達,超寬帶步進頻雷達具備回波信息量大、探測分辨率高、信號穩定性強等優勢,將其用于地下目標結構三維重建,將有望降低地下目標定位誤差,提升地下目標三維結構的重建準確性[2-3]。

文獻[4]中借助GNU Radio軟件無線電平臺來構建頻率步進信號探地雷達,對雷達的信號體制、系統軟件架構和數據處理方法進行了設計,并對其設計進行了仿真驗證,驗證結果表明,對于步進頻信號體制而言,測試條件以及頻率步進量相同的情況下,頻率步進數越多,即信號的帶寬越大,則步進掃頻信號的距離分辨率越高。文獻[5]設計了雙鎖相環發射機和數字固定中頻結構接收機,實現了一套新型的高分辨率步進頻GPR硬件系統。其實驗的結果表明該系統分辨率優于5 cm,探測深度至少2.5 m,且電路結構簡潔,成本低,體積小,重量輕,還支持系統多參數靈活調節以提高性能,滿足多種場景的應用需求。文獻[6]中通過Xilinx平臺的FPGA核心控制器搭載國產射頻板卡CX8242,采用快速跳頻技術產生了合成帶寬有1.8 GHz,起始步進頻率為200 MHz,頻率步進量為2 MHz的步進頻信號,其系統可以實現高分辨的一維測距功能。文獻[7]利用直接數字頻率合成器(DDS)產生了帶寬2 GHz,頻率間隔5 MHz、脈沖間隔2 s的超寬帶、快掃描的頻率步進基帶信號設計。文獻[8]通過矢量網絡分析儀實現了對單發單收探地雷達系統進行擴展,組建了可實現信號多通道發射和多通道接收的步進頻率探地雷達系統,并驗證了其可靠性。文獻[9]通過射頻片上芯片系統實現了射頻前端微系統,提供了有效的射頻前端一體化方案,并驗證了其功能的優越性。

根據上述文獻總結可知,近年步進頻探地雷達相關的研究主要在軟件算法仿真設計、硬件集成國產化與低成本化、超寬帶信號生成與多維擴展等方面。基于現有研究的技術演進趨勢,本文提出一種新型基于射頻片上芯片的步進頻探地雷達陣列系統,該系統的硬件平臺是RFSoC-47DR數模混合信號處理板卡,在此硬件平臺上設計有時鐘鏈路、收發邏輯控制鏈路、射頻開關控制鏈路、高速存儲數據鏈路等模塊,本系統的陣列天線由23個同類型超寬帶天線設計為11發12收的結構組成,通過板卡的IO口輸出給對應射頻開關模塊進行收發控制切換,從而完成系統對所有天線的發射和接收。該系統設計可為三維探地雷達提供硬件實施方案與上位機地下三維建模效率提供有效的數據支撐。


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作者信息:

劉嘉宇1,謝躍雷1,2,劉慶華1

(1.桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004;

2.南寧桂電電子科技研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

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