《電子技術應用》
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基于双锁相环的高分辨率步进频探地雷达设计
电子技术应用
王光宇1，2，3，沈绍祥1，2，樊鹏杰1，2，3，李彬彬1，2，3，刘小军1，2
1.中国科学院空天信息创新研究院；2.中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室；3.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院
摘要： 步进频探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）因其宽带宽的优势在浅表层高分辨率探测中得到了广泛的发展和应用。然而，传统的步进频GPR硬件实现较为陈旧，无法同时满足高分辨率、小体积、低成本、稳定可靠和使用灵活的现代化要求。针对上述要求，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。为解决超宽带步进频率信号谐波干扰问题，设计了新型的带通滤波器组。多组环回和实地探测实验的结果表明，该系统分辨率优于5 cm，探测深度至少2.5 m，能够满足现代GPR的多重要求，为步进频GPR硬件的研发提供了有价值的参考。
中圖分類號：TN952 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256412
中文引用格式： 王光宇，沈紹祥，樊鵬杰，等. 基于雙鎖相環(huán)的高分辨率步進頻探地雷達設計[J]. 電子技術應用，2025，51(7)：115-123.
英文引用格式： Wang Guangyu，Shen Shaoxiang，Fan Pengjie，et al. Design of a high-resolution stepped-frequency ground penetrating radar based on dual phase-locked loops[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(7)：115-123.
Design of a high-resolution stepped-frequency ground penetrating radar based on dual phase-locked loops
Wang Guangyu1，2，3，Shen Shaoxiang1，2，Fan Pengjie1，2，3，Li Binbin1，2，3，Liu Xiaojun1，2
1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences；2.Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology， Chinese Academy of Sciences；3.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences
Abstract： Stepped-frequency ground penetrating radar (GPR) has gained significant attention and widespread application in high-resolution shallow subsurface imaging due to its inherent advantage of wide bandwidth. However, traditional implementations of stepped-frequency GPR hardware remain outdated, failing to simultaneously meet the modern requirements of high resolution, compact size, low cost, reliability, and operational flexibility. To address these limitations, this paper presents the design and implementation of a novel high-resolution stepped-frequency GPR hardware system, featuring a dual phase-locked loop (PLL) transmitter and a digital fixed intermediate frequency (IF) receiver. Additionally, a novel multi-channel bandpass filter group was developed to mitigate harmonic interference in ultra-wideband stepped-frequency signals. Extensive loopback and field experiments demonstrate that the system achieves a resolution better than 5 cm and a detection depth of at least 2.5 m, fulfilling the multifaceted demands of modern GPR applications. This work provides a valuable reference for the research and development of stepped-frequency GPR hardware.
Key words : stepped-frequency；ground penetrating radar；phase-locked loop；ultrawide-band systems

引言

探地雷達（Ground Penetrating Radar, GPR）因無損探測、便捷快速、分辨率高等優(yōu)勢，目前已成為地下勘探的重要手段之一[1-4]。在GPR應用中，為了獲得更高的距離分辨率，往往要求發(fā)射信號具有更大的帶寬[5]。在較寬頻帶要求下，傳統(tǒng)的沖激體制GPR需要發(fā)射很窄的脈沖信號，但這樣的信號很難實現較高的發(fā)射功率，在高分辨率應用中往往效果不佳[6]。步進頻率體制GPR通過合成帶寬的方式能更好地適應高分辨率大帶寬的探測需求[5,7]。

早在20世紀70年代步進頻率信號就已被研究[8]，后來得益于矢量網絡分析儀的應用，步進頻GPR技術得以快速發(fā)展。廣州大學劉海與日本東北大學佐藤源之教授合作，基于VNA搭建了陣列式步進頻GPR系統(tǒng)，成功檢測了分層介質中的薄層縫隙[9]。中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院的張經緯，基于矢量網絡分析儀搭建了步進頻GPR，提出了步進頻GPR建模方法和天線補償方法，實現了公路薄層檢測[10]。直到現在，很多關于步進頻GPR的研究依然是用矢量網絡分析儀搭建系統(tǒng)[11-15]。但矢量網絡分析儀畢竟不是專用于步進頻GPR的，它成本高、體積大，在實際應用場景中往往有諸多不便。研究和設計步進頻GPR硬件系統(tǒng)對于該技術的發(fā)展和應用具有重要意義。

查閱近5年文獻，發(fā)現關于步進頻GPR的研究幾乎都是信號處理等方面，很難看到硬件系統(tǒng)設計方面的成果[16-19]，而以前的硬件系統(tǒng)漸漸難以滿足現代化的要求。中科院空天院的屈樂樂用直接數字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）開發(fā)了一款小型化步進頻GPR系統(tǒng)[20]，但受限于DDS工作頻率只有30~180 MHz，較低的帶寬使得分辨率只有米級。意大利佛羅倫薩大學采用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）的方式設計了步進頻率雷達[21]，但其系統(tǒng)主體都采用了模擬電路，所以龐大笨重，結構復雜，使用不方便。中科院空天院的劉曉飛利用DDS、PLL和混頻器設計了輸出頻率為0.5~2.5 GHz的步進頻GPR收發(fā)機[22]，但其采用復雜的混合頻率合成方式，不僅電路結構繁雜，且難以滿足信號的相位要求，甚至可能導致最后無法脈沖壓縮成像。

為了滿足現代GPR高分辨率、小體積、低成本、穩(wěn)定可靠和使用靈活的多重要求，本文設計了一套新型的高分辨率步進頻GPR硬件系統(tǒng)，其不僅工作頻帶為0.5~3.5 GHz，可實現優(yōu)于5 cm的高分辨率，且電路結構簡潔，成本低，體積小，重量輕，還支持系統(tǒng)多參數靈活調節(jié)以提高性能，滿足多種場景的應用需求。


本文詳細內容請下載：

http://m.ihrv.cn/resource/share/2000006605


作者信息：

王光宇1，2，3，沈紹祥1，2，樊鵬杰1，2，3，李彬彬1，2，3，劉小軍1，2

（1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；

2.中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室，北京 100190；

3.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049）


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