一种探地雷达的制作方法

本实用新型涉及无线技术领域，尤其是一种探地雷达。

背景技术：

探地雷达又称为透地雷达，其通过发射天线向地下发射电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，则可以根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度等地下介质分布情况。

目前常用的探地雷达绝大部分采用脉冲体制模型，即探地雷达通过向地下发射脉冲波来对地下介质进行无损检测，但脉冲波体制模型的探地雷达由于不能实时检测，因此探测扫描的精度不够高。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种探地雷达，该探地雷达使用连续波进行探测，探测能量大，探测更远，同时通过抑制通道输出抑制信号消除回波信号中的直达波和/地杂波，也可以使探测更精准。

本实用新型的技术方案如下：

一种探地雷达，该探地雷达包括：控制组件、通信组件、发射天线和接收天线，通信组件包括信号处理模块、发射通道、接收通道和抑制通道，抑制通道包括直达波抑制通道和/或地杂波抑制通道，信号处理模块分别连接发射通道和抑制通道的输入端，以及连接接收通道的输出端，信号处理模块还连接控制组件，发射通道的输出端连接发射天线，接收通道的输入端连接接收天线，抑制通道的输出端连接至接收通道；控制组件用于控制通信组件通过发射天线发送发射信号，并通过接收天线接收发射信号对应的回波信号，发射信号和回波信号均为连续波信号，通信组件通过抑制通道向接收通道输出抑制信号，抑制信号用于消除接收到的回波信号中的直达波和/或地杂波。

其进一步的技术方案为，信号处理模块包括：基带处理单元、波形控制单元、发射DDS、抑制DDS、接收DDS和时钟单元，抑制DDS包括直达波抑制DDS和/或地杂波抑制DDS；基带处理单元连接波形控制单元以及接收通道的输出端，基带处理单元还用于连接控制组件，波形控制单元分别连接发射DDS、抑制DDS和接收DDS的输入端，发射DDS的输出端用于连接发射通道的输入端，抑制DDS的输出端用于连接抑制通道的输入端，接收DDS的输出端用于连接至接收通道，时钟单元的输出端连接至波形控制单元、发射DDS、抑制DDS和接收DDS，时钟单元的输出端还连接至接收通道。

其进一步的技术方案为，接收通道包括依次连接的限幅器、耦合器、前置放大器、混频器、滤波器、中频放大器和模数转换器，限幅器的输入端用于连接接收天线，模数转换器的输出端用于连接基带处理单元，接收DDS的输出端连接至混频器，抑制通道的输出端连接至耦合器。

其进一步的技术方案为，抑制通道包括直达波抑制通道和地杂波抑制通道，则通信组件还包括功率合成器，抑制DDS包括直达波抑制DDS和地杂波抑制DDS；直达波抑制DDS的输出端连接直达波抑制通道的输入端，地杂波抑制DDS的输出端连接地杂波抑制通道的输入端，直达波抑制通道和地杂波抑制通道的输出端分别连接功率合成器的输入端，功率合成器的输出端用于连接至接收通道。

其进一步的技术方案为，直达波抑制通道包括依次连接的第一衰减器、第二衰减器和第一功率放大器，第一衰减器的输入端连接直达波抑制DDS，第一功率放大器的输出端连接功率合成器的输入端；地杂波抑制通道包括依次连接的第三衰减器、第四衰减器和第二功率放大器，第三衰减器的输入端连接地杂波抑制DDS，第二功率放大器的输出端连接功率合成器的输入端。

其进一步的技术方案为，发射通道包括依次连接的滤波器、初级功率放大器、衰减器和末级功率放大器，滤波器的输入端连接发射DDS的输出端，末级功率放大器的输出端连接发射天线。

其进一步的技术方案为，发射天线包括高频发射天线和低频发射天线，接收天线包括高频接收天线和低频接收天线，发射通道包括高频发射子通道和低频发射子通道，接收通道包括高频接收子通道和低频接收子通道，抑制通道包括高频抑制子通道和低频抑制子通道，高频抑制子通道包括高频直达波抑制子通道和/或高频地杂波抑制子通道，低频抑制子通道包括低频直达波抑制子通道和/或低频地杂波抑制子通道；高频发射子通道连接高频发射天线，低频发射子通道连接低频发射天线，高频接收子通道连接高频接收天线，低频接收子通道连接低频接收天线，高频抑制子通道连接至高频接收子通道，低频抑制子通道连接至低频接收子通道。

其进一步的技术方案为，通信组件中还包括第一开关和第二开关，和/或，第一开关和第三开关，第一开关、第二开关和第三开关均为单刀双掷开关，第一开关、第二开关和第三开关的固定端均连接信号处理模块，第一开关的两个活动端分别连接高频发射子通道和低频发射子通道，第二开关的两个活动端分别连接高频直达波抑制子通道和低频直达波抑制子通道；第三开关的两个活动端分别连接高频地杂波抑制子通道和低频地杂波抑制子通道。

其进一步的技术方案为，探地雷达中包括至少两个通信组件，每个通信组件均连接发射天线和接收天线；至少两个通信组件中的其中一个通信组件通过网络接口连接控制组件且通过数据传输接口连接其他通信组件。

本实用新型的有益技术效果是：

1、该探地雷达使用连续波进行探测，实现了探地雷达的实时探测，探测更精确，同时连续波探测具有探测能量大和探测更远的有点，另外在探地雷达中增加抑制通道，通过抑制通道输出抑制信号消除回波信号中的直达波和/地杂波，也可以使探测更精准。

2、本实用新型的探地雷达中包括多个通信组件，每个通信组件均可以用于探测，因此增加了探测面积，缩短了探测时间。

3、本实用新型的探地雷达中，每个通信组件连接4个天线，分别为两个接收天线和两个发射天线，并分为高频和低频部分，该设计可以有效的分离接收与发射，克服了连续波模型的探地雷达的弊端，同时探地雷达的其他电路部分也分为高频和低频部分，使得该探地雷达可以在高频模式和低频模式两个模式下工作，使得系统工作在宽带频率下。

附图说明

图1是本实用新型公开的探地雷达的原理示意框图。

图2是本实用新型公开的探地雷达的原理示意框图。

图3是本实用新型公开的探地雷达的原理示意框图。

图4是本实用新型公开的探地雷达的原理示意框图。

图5是本实用新型公开的探地雷达的原理示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

请参考图1，其示出了本实用新型公开的探地雷达的结构示意图，该探地雷达包括：控制组件、通信组件、发射天线和接收天线，控制组件连接通信组件，通信组件分别连接发射天线和接收天线，控制组件用于控制通信组件通过发射天线和接收天线收发雷达信号。可选的，该探地雷达通常还连接显示器和外接电源，显示器和外接电源均连接控制组件，外接电源用于为探地雷达的电源供电，显示器用于显示探测结果。控制组件通常为一工控机，用于进行信号处理、电源控制及系统显示控制，工控机通常包括信号处理芯片、显控机和电源，处理芯片连接通信组件、显控机和电源，显控机连接显示器并用于控制显示器，电源连接外接电源。通信组件为收发信机，用于产生雷达信号以及进行信号处理。为了增加该探地雷达的探测面积，缩短探测时间，可选的，本实用新型公开的探地雷达中包括至少两个通信组件，每个通信组件均连接发射天线和接收天线；至少两个通信组件中的其中一个通信组件通过网络接口连接控制组件且通过数据传输接口连接其他通信组件，数据传输接口为LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号)接口，控制组件并行控制该至少两个通信组件且通信组件之间相互独立，如图1示出的探地雷达中包括4个通信组件。

请参考图2所示的探地雷达的结构示意图，其以探地雷达中包括的一个通信组件为例且并未示出显示器和外接电源，如图2，通信组件包括信号处理模块、发射通道、接收通道和抑制通道，抑制通道包括直达波抑制通道和/或地杂波抑制通道，信号处理模块分别连接发射通道和抑制通道的输入端，以及连接接收通道的输出端，信号处理模块还连接控制组件，信号处理模块与控制组件双向通信，发射通道的输出端连接发射天线，接收通道的输入端连接接收天线，抑制通道的输出端连接至接收通道；控制组件用于控制通信组件通过发射天线发送发射信号，并通过接收天线接收发射信号对应的回波信号，发射信号和回波信号均为连续波信号，由于连续波的固定缺点，其容易受到直达波和地杂波的影响，因此通信组件通过抑制通道向接收通道输出抑制信号，抑制信号包括直达波抑制信号和/或地杂波抑制信号，抑制信号用于消除接收到的回波信号中的直达波和/或地杂波，具体的，当抑制通道包括直达波抑制通道时，通信组件通过直达波抑制通道输出直达波抑制信号，直达波抑制信号用于消除回波信号中的直达波；和/或，当抑制通道包括地杂波抑制通道时，通信组件通过地杂波抑制通道输出地杂波抑制信号，地杂波抑制信号用于消除回波信号中的地杂波。

请参考图3示出的探地雷达的结构示意图，本实用新型以抑制通道包括直达波抑制通道和地杂波抑制通道为例，是可选的，通信组件中还包括功率合成器。直达波抑制通道和地杂波抑制通道的输入端分别连接信号处理模块，直达波抑制通道和地杂波抑制通道的输出端分别连接功率合成器的输入端，功率合成器的输出端连接至发射通道。

信号处理模块包括：基带处理单元、波形控制单元、发射DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)、抑制DDS和接收DDS，抑制DDS包括直达波抑制DDS和/或地杂波抑制DDS，本实用新型以抑制DDS包括直达波抑制DDS和地杂波抑制DDS为例。其中，基带处理单元为一基带处理器芯片(SoC)，基带处理单元用于连接控制组件，基带处理单元用于与控制组件进行指令和数据交互，以及用于执行数字下变频、选抽和滤波等基带处理，同时用于完全对消校准时的校准分析和参数控制。波形控制单元为FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，波形控制单元用于控制DDS产生不同的波形信号。发射DDS用于产生发射波形，直达波抑制DDS用于产生直达波抑制信号，地杂波抑制DDS用于产生地杂波抑制信号，接收DDS用于产生混频本振f。

基带处理单元连接波形控制单元，基带处理单元和波形控制单元之间可以进行双向通信，波形控制单元分别连接发射DDS、抑制DDS和接收DDS的输入端，发射DDS的输出端用于连接发射通道的输入端；抑制DDS的输出端用于连接抑制通道的输入端，具体为直达波抑制DDS的输出端连接直达波抑制通道的输入端，地杂波抑制DDS的输出端连接地杂波抑制通道的输入端；接收DDS的输出端用于连接至接收通道，接收通道的输出端连接基带处理单元。

信号处理模块还包括时钟单元，时钟单元用于产生相参的各种时钟信号，输出端连接波形控制单元、发射DDS、抑制DDS和接收DDS，时钟单元的输出端还连接至接收通道。可选的，信号处理模块中还包括定位单元，定位单元用于在探地雷达的过程中实时记录当前地址位置，定位单元的输入端连接定位天线，定位单元的输出端连接基带处理单元，其中定位单元可以是BS(北斗)/GPS(Global Positioning System，全球定位系统)双模定位单元。

请参考图4，其示出了本实用新型公开的探地雷达的部分结构示意图。如图4所示，接收通道包括依次连接的限幅器、耦合器、前置放大器、混频器、滤波器、中频放大器(VGA)和模数转换器(ADC)，其中前置放大器为低噪声放大器(LNA)，增益为20dB；混频器的增益为3.5dB；滤波器为带通滤波器，插入损耗为9dB；耦合器的插损约为0.5dB，噪声系数恶化为0.5dB，中频放大器的增益在-10dB～20dB可调，如图4中还依次示出了输入每个器件的信号的动态范围(以VGA增益10dB为例)，本实用新型对此不做赘述。限幅器的输入端用于连接接收天线，模数转换器的输出端用于连接基带处理单元。接收DDS在连接至接收通道时，具体为连接至接收通道中的混频器，将混频本振f输入至混频器中；时钟单元在连接至接收通道时，具体为连接接收通道中的模数转换器(图4中未示出)。

发射通道包括依次连接的带通滤波器、初级功率放大器A1、衰减器和末级功率放大器A2，滤波器的输入端连接发射DDS的输出端，末级功率放大器的输出端连接发射天线。

直达波抑制通道包括依次连接的第一衰减器、第二衰减器和第一功率放大器A3，第一衰减器的输入端连接直达波抑制DDS，第一功率放大器A3的输出端连接功率合成器的输入端；地杂波抑制通道包括依次连接的第三衰减器、第四衰减器和第二功率放大器A4，第三衰减器的输入端连接地杂波抑制DDS，第二功率放大器A4的输出端连接功率合成器的输入端。功率合成器的输出端连接至接收通道，具体的，连接至接收通道中的耦合器。其中，第一功率放大器A3和第二功率放大器A4的增益为22dB，第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器和第四衰减器的衰减范围为-2dB至-62dB，因此直达波抑制通道以及地杂波抑制通道的整体增益为-40dB～20dB可调。

请参考图5示出的探地雷达的结构示意图，为了使探地雷达工作在宽带频率下，本实用新型示出的探地雷达中，每个通信组件连接4个天线，包括两个发射天线和两个接收天线，其连接的发射天线包括高频发射天线和低频发射天线，接收天线包括高频接收天线和低频接收天线，则上述示出的各个通道均包括与其对应的高频子通道和低频子通道，且其包括的高频子通道与低频子通道的结构均与上述示出的通道结构相同，但高频子通道与低频子通道中相同器件的参数配置不同，参数配置是系统预设值或用户自定义值，用户可自行设置，保证低频和高频的带内输出信号功率达到使用需要，平坦度良好，并将带内外无用信号抑制到合理范围，图4中未示出发射通道和抑制通道对应的子通道的结构。具体的，发射通道包括高频发射子通道和低频发射子通道，接收通道包括高频接收子通道和低频接收子通道，抑制通道包括高频抑制子通道和低频抑制子通道，具体为：直达波抑制通道时包括高频直达波抑制子通道和低频直达波抑制子通道，地杂波抑制通道包括高频地杂波抑制子通道和低频地杂波抑制子通道。则探地雷达可以工作在高频模式下或低频模式下，在高频模式下时，探地雷达通过高频发射天线和高频接收天线收发信号，且使用各个通道包括的高频子通道传输信号，探地雷达在高频模式下传输的信号的频段为500MHz-1200MHz；在低频模式下时，探地雷达通过低频发射天线和低频接收天线收发信号，且使用各个通道包括的低频子通道传输信号，探地雷达在高频模式下传输的信号的频段为100MHz-500MHz，两个频段不同时工作。低频信号的衰减小，穿透能力强，探测距离深，高频信号的分辨率高，通常探地雷达在粗略探测时工作在低频模式下，当需要对存在疑点的地方进行深入探测时，工作在高频模式下进行细节探测分析。

其中，高频发射子通道的输出端连接高频发射天线，低频发射子通道的输出端连接低频发射天线；高频直达波抑制子通道、低频直达波抑制子通道、高频地杂波抑制子通道和低频地杂波抑制子通道的输出端均连接至功率合成器，功率合成器的输出端连接至高频接收子通道和低频接收子通道，高频接收子通道的输入端连接高频接收天线，低频接收子通道的输入端连接低频接收天线。

则可选的，为了使探地雷达在高频模式和低频模式之间进行切换，通信组件中还包括第一开关K1和第二开关K2，和/或，第一开关K1和第三开关K3，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3均为单刀双掷开关，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3的固定端均连接信号处理模块，具体的，第一开关K1的固定端连接发射DDS，第二开关K2的固定端连接直达波抑制DDS，第三开关K3的固定端连接地杂波抑制DDS。第一开关K1的两个活动端分别连接高频发射子通道和低频发射子通道，第二开关K2的两个活动端分别连接高频直达波抑制子通道和低频直达波抑制子通道；第三开关K3的两个活动端分别连接高频地杂波抑制子通道和低频地杂波抑制子通道。

可选的，高频接收子通道和低频接收子通道从下变频之后中频部分可以共用一个通道，则通信组件中还包括第四开关K4，第四开关K4也为单刀双掷开关，第四开关K4的固定端连接混频器，第四开关K4的两个活动端分别连接高频接收子通道中的前置放大器以及低频接收子通道中的前置放大器。

需要说明的是，第一开关-第四开关的高低频切换是统一的，且高低频的切换由波形控制单元控制，具体的，高低频的切换由人为控制，用于在控制组件上进行操作时，控制组件会将对应的指令发送给波形控制单元进行切换。

本实用新型公开的探地雷达的工作原理为：

本实用新型公开的探地雷达采用DDS对消抑制方案实时地对连续波形式的回波信号中的直达波和地杂波进行抑制，在探地雷达开始工作之前需要先对整个系统进行内部校准：设置反馈回路闭环，也即接收通道的输出端连接至波形控制单元，在每个频点上，由DDS产生点频信号，将抑制信号输入至回波信号中进行对消，将一次下变频后的30MHz信号输入模数转换器采样，结果输入波形控制单元判断对消结果，然后反馈控制对应的抑制信号的功率和延时，其中单个频点的延时是通过改变相位差来实现的，即控制抑制DDS与发射DDS相差不同的信号来实现。通过控制DDS和抑制通道的延时、功率调整，进行对消效果的全频段扫描，找到每小段频带内对消效果最好的校准初值记录在波形控制单元中，波形控制单元中记录有校准初值矩阵列表，校准初值列表中包括各个频带对应的校准初值，每一条校准初值包括：频点、该频点对应的衰减量和该频点对应的初始相位，每一个频带对应的校准初值表示该频带内具有最优对消效果时的衰减量和初始相位。

在使用探地雷达进行探测时，反馈回路开环。控制组件向通信组件发送控制指令，控制指令中包括雷达信号形式及启动信号，通信组件根据控制指令产生相应的雷达信号并通过发射天线发射出去，接收天线接收对应的回波信号，进行电磁转换后传输给接收通道，在不同频点下，波形控制单元根据预先存储的校准初值矩阵列表在每个频点改变一次幅度和相位参数，并控制衰减器产生不同的衰减量，控制抑制DDS产生与回波信号中的杂波信号相位接近相反、幅度基本一致的抑制信号，并将抑制信号输入到耦合器，耦合器反向用作功率合成，将抑制信号与杂波信号进行功率合成，由于抑制信号与回波信号中的杂波信号的功率比基本恒定，因此在抑制信号可以在耦合器中对消回波信号中的杂波信号，达到实时对消的目的，具体为：直达波抑制信号与回波信号中的直达波的功率比基本恒定，因此可以对消回波信号中的直达波；地杂波抑制信号与回波信号中的地杂波的功率比基本恒定，因此可以对消回波信号中的地杂波。

接收DDS产生的混频本振f输入至混频器，与经过对消后的回波信号进行混频，混频本振f在同一时刻比发射信号的发射频率小30MHz，则经混频器混频后，产生30MHz的中频信号，中频信号再经过带通滤波器、中频放大器和ADC采样后得到处理后的数字回波信号，并经处理后的数字回波信号输入基带处理单元，基带处理单元用于对处理后的数字回波信号进行数字下变频，产生I/Q两路，再经过选抽滤波后发送给控制组件。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。