探地雷达系统电路原理图设计

【需求简介】

1、根据技术指标要求及框架图设计探地雷达接收发射电路原理图，需要提供产品原理图文件；

初步预算是3000，后面可以追加。

 探地雷达框架图
 探地雷达需求简介

2、探地雷达系统设计技术要求及目标：

技术要求：

电路设计要做仿真测试，调试各模块功能数据值要达到文件要求数据指标。

实现目标：

1.发射端： FPGA → 发送天线选择信号 → 开关驱动器 → RF开关控制端 → 选通Tx天线（提前切换通道，确保稳定）  然后，

FPGA → Tx触发信号 → Marx电路/脉冲发生器（触发雪崩过程） → 产生高压窄脉冲 → 脉冲整形网络（过冲振铃抑制/净化波形） → 干净的高压脉冲 → 脉冲监测耦合器 → 隔直电容 （隔离直流成分） → 交流脉冲 → RF开关的公共输入端 → （根据控制信号将脉冲路由至选定端口） → 目标天线（低频或高频） → 辐射电磁波。

2.接收端：回波信号 → 首先经过限幅器保护， → 然后由LNA（低噪声放大器）需在信号最弱时放大 → 而带通滤波器（BPF） → 应在VGA（可变增益放大器）前滤除带外噪声，避免噪声被放大‌ → 直流偏移校正电路 → 抗混叠滤波器 →

3.信号处理：抗混叠滤波器 →模数转换器（ADC）→ FPGA数据预处理 →

4.数据传输： 4G/5G模块将打包后的数据传输至→ 地面接收站

（1）目标：

  - 探测深度：地下0.15-0.3米、3-5米（管道）。

  - 探测飞行高度：1.5米。// 下视空气耦合

（2）工作频率选择：// 双带宽 高/低频搭配

// 发射功率（pt）越大越好

 - 低频

频率带宽：200MHz～400 MHz（适合3-5米深度探测）。

中心频率：300MHz（平衡穿透深度与分辨率）

  - 高频

频率带宽：600 MHz～1.2 GHz（适合0.15-0.3米深度探测）。

中心频率：900MHz

（3）系统组成：

  - FPGA控制器、发射器、接收器、数据采集模块、数据预处理、无线传输模块、接收机、数据分析软件。

（4）主机参数：

- 输出功率：16 W（根据探测深度和天线效率调整）

- 重复频率(PRF)：100kHz -1MHz (由FPGA控制)

- 双频（带宽）：中心频率300MHz、900MHz/带宽200-400MHz、600MHz-1.2GHz（控制开关切换）

- 通道：两发、两收

- 时窗范围：1ns～20000ns，连续可调。（采样窗口：200ns 对应3m深度）

- 采样频率：0.2-100GHz可调（采样的频率要大于原始信号最高频率的2倍）

- 采样点数：32～32767样点/扫描，可选。

- 扫描速率：800m/秒

- 动态范围：≥160dB

- 灵敏度：-120dBm至-140dBm （约 -150dBW至-170dBW）

-  A/D转换：18bit

- 信噪比：优于120-160dB 【系统增益通过放大信号提升信噪比】

- 采集时速：60-80 km/h @ 3 cm 水平采样间距

- 最小采样间隔：≤5ps

- 测量方式：逐点测量、连续测量

- 工作温度：-30℃～+70℃

- 可配置天线频率（MHz）200 MHz～1.2 GHz

- 增益与控制 (AGC)：总增益60-120 dB

【功能描述】（产品开发）
 探地雷达需求简介

    核心设计思路摘要

该系统主要分为探地雷达主机和天线系统两大部分，各模块协同完成信号的发射、接收、采集、数据处理与传输。

 1.FPGA精确控制时序：（时钟源提供系统所需的时钟信号，用于同步各个模块的工作。）

◉ FPGA主控发出同步触发信号

//  先切换天线开关，等待稳定后再触发脉冲，同时给ADC发送开始信号。接收链路要强调同步采样，每个回波脉冲的采样起始时间必须严格对应发射瞬间。接收链高、低频通路需要独立的滤波和增益设置，这得在FPGA控制下快速切换。需要精心调整时序延迟参数，比如开关切换时间和电缆传输延迟都要补偿。

◉ 时钟同步：必须从同一个晶振分频得到所有时钟，包括ADC采样时钟、脉冲触发时钟和开关控制时钟。

 2.发射端： FPGA → 发送天线选择信号 → 开关驱动器 → RF开关控制端 → 选通Tx天线（提前切换通道，确保稳定）  然后，

FPGA → Tx触发信号 → Marx电路/脉冲发生器（触发雪崩过程） → 产生高压窄脉冲 → 脉冲整形网络（过冲振铃抑制/净化波形） → 干净的高压脉冲 → 脉冲监测耦合器 → 隔直电容 （隔离直流成分） → 交流脉冲 → RF开关的公共输入端 → （根据控制信号将脉冲路由至选定端口） → 目标天线（低频或高频） → 辐射电磁波。

//  触发信号启动高压脉冲发生器，产生高频脉冲信号，这些脉冲信号将被波形整形器进一步处理，经发射天线辐射到地下。可以用一个脉冲源加射频开关切换两天线，这样最省重量。

  ◉ 共用一套超宽带脉冲发射机，产生一个包含极高频谱成分的纳秒级窄脉冲。

  ◉ 通过高速射频开关，将这个脉冲交替馈送到两种不同频率特性的天线上。

✽ 低频天线（如300MHz）将其中心频率以下的能量有效辐射出去，用于深层探测。

✽ 高频天线（如900MHz）将其中心频率以上的能量有效辐射出去，用于浅层高分辨率探测。

 3.接收端：回波信号 → 首先经过限幅器保护， → 然后由LNA（低噪声放大器）需在信号最弱时放大 → 而带通滤波器（BPF） → 应在VGA（可变增益放大器）前滤除带外噪声，避免噪声被放大‌ → 经抗混叠滤波器传入ADC

//  需要两个独立链路分别处理高、低频信号，因为滤波和放大参数完全不同。

✽ 回波接收 →  //  地下不同介质界面反射的回波信号被两个接收天线捕获。

✽ 接收天线 → 限幅器 →

✽ 低噪放（LNA）接收天线捕获到的微弱回波信号首先被LNA放大 → 接收开关 →

✽ 接收通道（Rx Chain） → 数据衰减器1 → 通道选择开关 →

低频通道：带通滤波器（BPF）300MHz(中心频率)滤除带外噪声 → LNA放大 →

高频通道：带通滤波器（BPF）900MHz(中心频率)滤除带外噪声 → LNA放大 →

✽ 数据衰减器2 →

 4.信号处理：

  ✽ 可变增益放大器VGA → 直流偏移校正电路 →

  ✽ 抗混叠滤波器 →

 5.模数转换器（ADC）： //  接收链的信号经高速ADC将模拟信号转换为数字信号后，通过JESD204B高速接口送入FPGA的数据处理路径。

  ✽ ADC → （一个200 MSPS的ADC将模拟回波信号（Sin）数字化。ADC的采样时钟来自系统主时钟（200 MHz）。）

 6.FPGA数据压缩： //  建议用实时累加平均，既能降数据量又能提信噪比。进一步减少数据量，降低传输带宽。

◉ 原始数据输入：ADC 以 500 MSPS 的速率将 12 位宽的采样数据送入 FPGA。

✽ 累加平均（Stacking） →

//  目的：这是提升信噪比（SNR）最有效的手段。

//  实现：FPGA 内部开辟多个 Block RAM 作为累加器。将连续发射 N 次（如 128 次）后在同一距离门采集到的数据相加，然后除以 N（右移 log2(N) 位）。

//  效果：信噪比提升 N 倍，数据量减少 N 倍。这是无线传输能够实现的前提。

✽  时变增益（TVG） →

//  目的：补偿随深度呈指数衰减的回波信号强度，使深浅目标回波幅度均衡。

//  实现：一个深度计数器（对应采样点序号）驱动一个 ROM（查找表），ROM 中存有一条指数增益曲线。每个采样点乘以对应的增益系数。

✽ 数据压缩 →

建议用实时累加平均，既能降数据量又能提信噪比。最后所有带时间戳的数据包要通过5G回传，地面站再做三维成像。

//  目的：进一步减少数据量，降低传输带宽。

//  简单方法：差分编码。不直接传输采样值，而是传输前后两个采样点的差值。对于变化缓慢的雷达信号，差值数据更小，易于压缩。

✽ 数据组帧 →

//  ARM 处理器将处理后的雷达数据、GPS 坐标、时间戳、帧号、系统状态等信息打包成一个完整的数据帧。

//  帧结构：[帧头][帧号][GPS数据][雷达数据][校验和][帧尾]。

  7.传输 →

//  封装好的数据帧通过 UDP/IP 协议经 4G/5G 模块无线传输至地面站。

//  数据链：FPGA数据输出 → 协议转换模块 → 无线模块 → 云端/地面站

 8.全系统同步实现

//  时间戳同步：整个数据流的绝对时间零点（t=0） 就是 Tx_Trigger 的上升沿。每一个采样点的时间戳都可以通过 t = n * (1 / ADC_Sample_Rate) 计算出来。这个时间戳直接对应目标离天线的距离 d = (c * t) / (2 * √εr)。

//  “飞行时间”测量：探测深度完全由 ADC 的采样窗口决定。窗口起始时间（ADC_Start_Delay）对应探测起始深度，窗口长度对应探测深度范围。

//  地理坐标同步：每个数据帧都捆绑了触发时刻的 GPS 坐标。这使得后续的 B-Scan 图像和三维成像能够与真实地理位置精确对应。

      
 3、需交付探地雷达系统电路原理图 。