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基于雙鎖相環(huán)的高分辨率步進(jìn)頻探地雷達(dá)設(shè)計(jì)

電子技術(shù)應(yīng)用

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(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院；2.中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院

摘要： 步進(jìn)頻探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）因其寬帶寬的優(yōu)勢在淺表層高分辨率探測中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的步進(jìn)頻GPR硬件實(shí)現(xiàn)較為陳舊，無法同時滿足高分辨率、小體積、低成本、穩(wěn)定可靠和使用靈活的現(xiàn)代化要求。針對上述要求，設(shè)計(jì)了雙鎖相環(huán)發(fā)射機(jī)和數(shù)字固定中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一套新型的高分辨率步進(jìn)頻GPR硬件系統(tǒng)。為解決超寬帶步進(jìn)頻率信號諧波干擾問題，設(shè)計(jì)了新型的帶通濾波器組。多組環(huán)回和實(shí)地探測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該系統(tǒng)分辨率優(yōu)于5 cm，探測深度至少2.5 m，能夠滿足現(xiàn)代GPR的多重要求，為步進(jìn)頻GPR硬件的研發(fā)提供了有價值的參考。

關(guān)鍵詞： 步進(jìn)頻率探地雷達(dá) 鎖相環(huán) 超寬帶系統(tǒng)

中圖分類號：TN952 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)頻探地雷達(dá)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(7)：115-123.
英文引用格式： Wang Guangyu，Shen Shaoxiang，F(xiàn)an 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，F(xiàn)an 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 However, traditional implementations of stepped-frequency GPR hardware remain outdated, failing to simultaneously meet the modern requirements of high resolution, compact size, low cost, reliability, and operational flexibility.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(dá)（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(yīng)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(shí)現(xiàn)較高的發(fā)射功率，在高分辨率應(yīng)用中往往效果不佳[6]。步進(jìn)頻率體制GPR通過合成帶寬的方式能更好地適應(yīng)高分辨率大帶寬的探測需求[5,7]。

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

查閱近5年文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于步進(jìn)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(shè)計(jì)方面的成果[16-19]，而以前的硬件系統(tǒng)漸漸難以滿足現(xiàn)代化的要求。中科院空天院的屈樂樂用直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）開發(fā)了一款小型化步進(jìn)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(xué)采用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）的方式設(shè)計(jì)了步進(jìn)頻率雷達(dá)[21]，但其系統(tǒng)主體都采用了模擬電路，所以龐大笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計(jì)了輸出頻率為0.5~2.5 GHz的步進(jìn)頻GPR收發(fā)機(jī)[22]，但其采用復(fù)雜的混合頻率合成方式，不僅電路結(jié)構(gòu)繁雜，且難以滿足信號的相位要求，甚至可能導(dǎo)致最后無法脈沖壓縮成像。

為了滿足現(xiàn)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(shè)計(jì)了一套新型的高分辨率步進(jìn)頻GPR硬件系統(tǒng)，其不僅工作頻帶為0.5~3.5 GHz，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于5 cm的高分辨率，且電路結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，體積小，重量輕，還支持系統(tǒng)多參數(shù)靈活調(diào)節(jié)以提高性能，滿足多種場景的應(yīng)用需求。

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http://www.jysgc.com/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(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；

2.中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；

3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）

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