《电子技术应用》
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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。
中图分类号:TN957 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257173
中文引用格式: 刘嘉宇,谢跃雷,刘庆华. 基于射频片上系统的步进频探地雷达阵列系统设计[J]. 电子技术应用,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

探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)作为一种利用电磁波进行无损探测的装置,被广泛应用于工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等领域中,将探地雷达技术应用于道路实际路况检测当中,能够更好地探查到道路路基、路面以及路网结构等方面存在的问题,为道路路面养护提供实时、精准的数据参考,有利于进一步提高道路的使用寿命[1]。从探地雷达所收发的电磁波信号分类来说,目前大多为脉冲信号体制的探地雷达,其波形稳定性相对不足,难以满足精细化探测需要;相比于脉冲式探地雷达,超宽带步进频雷达具备回波信息量大、探测分辨率高、信号稳定性强等优势,将其用于地下目标结构三维重建,将有望降低地下目标定位误差,提升地下目标三维结构的重建准确性[2-3]。

文献[4]中借助GNU Radio软件无线电平台来构建频率步进信号探地雷达,对雷达的信号体制、系统软件架构和数据处理方法进行了设计,并对其设计进行了仿真验证,验证结果表明,对于步进频信号体制而言,测试条件以及频率步进量相同的情况下,频率步进数越多,即信号的带宽越大,则步进扫频信号的距离分辨率越高。文献[5]设计了双锁相环发射机和数字固定中频结构接收机,实现了一套新型的高分辨率步进频GPR硬件系统。其实验的结果表明该系统分辨率优于5 cm,探测深度至少2.5 m,且电路结构简洁,成本低,体积小,重量轻,还支持系统多参数灵活调节以提高性能,满足多种场景的应用需求。文献[6]中通过Xilinx平台的FPGA核心控制器搭载国产射频板卡CX8242,采用快速跳频技术产生了合成带宽有1.8 GHz,起始步进频率为200 MHz,频率步进量为2 MHz的步进频信号,其系统可以实现高分辨的一维测距功能。文献[7]利用直接数字频率合成器(DDS)产生了带宽2 GHz,频率间隔5 MHz、脉冲间隔2 s的超宽带、快扫描的频率步进基带信号设计。文献[8]通过矢量网络分析仪实现了对单发单收探地雷达系统进行扩展,组建了可实现信号多通道发射和多通道接收的步进频率探地雷达系统,并验证了其可靠性。文献[9]通过射频片上芯片系统实现了射频前端微系统,提供了有效的射频前端一体化方案,并验证了其功能的优越性。

根据上述文献总结可知,近年步进频探地雷达相关的研究主要在软件算法仿真设计、硬件集成国产化与低成本化、超宽带信号生成与多维扩展等方面。基于现有研究的技术演进趋势,本文提出一种新型基于射频片上芯片的步进频探地雷达阵列系统,该系统的硬件平台是RFSoC-47DR数模混合信号处理板卡,在此硬件平台上设计有时钟链路、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,本系统的阵列天线由23个同类型超宽带天线设计为11发12收的结构组成,通过板卡的IO口输出给对应射频开关模块进行收发控制切换,从而完成系统对所有天线的发射和接收。该系统设计可为三维探地雷达提供硬件实施方案与上位机地下三维建模效率提供有效的数据支撑。


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作者信息:

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,广西 桂林 541004;

2.南宁桂电电子科技研究院有限公司,广西 桂林 541004)

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