一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构及探测方法

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，尤其涉及一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构。

背景技术

地球有着复杂的地下物质结构并蕴含着丰富的矿产资源，长期以来，神秘的地下世界一直吸引着人类对其进行不懈的探索，地球物理科学便应运而生。探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部介质物质分布规律的一种地球物理方法，属于无损检测，随着电子技术和计算机科学技术的飞速发展，探地雷达开始在自然环境保护、灾害救援和考古等领域崭露头角。

现如今，探地雷达的研制逐步朝着高精度、高速度和智能化方向发展，经调研，探地雷达发射链路的研制过程中仍存在以下问题。第一，为了实现探地雷达发射端中的高速脉冲源，多采用模拟电路，例如利用雪崩三极管的雪崩效应产生高速脉冲信号，但该方法中模拟电路存在温度漂移现象、输出波形不稳地和拖尾现象等问题，从而极大影响了系统架构的精度。第二，为了探测不同深度的地下信息需要发送不同频率的电磁波，因此为了实现多场景测量需要较大的发射带宽，而用模拟电路搭建的发射链路难以满足较大发射带宽需求，且难以调节发射电磁波频率。因此探地雷达仍多为专机专用的方式，例如机场跑道浅层路面和城市地下管线探测需要用到不同类型的探地雷达，增加了测量成本。第三，探地雷达的运动方向上具有较高的分辨率，但由于探地雷达的发射天线固定在机器底部，在垂直于探地雷达运动方向上的探测范围非常有限。现有技术多使用高速射频开关对多路天线阵列进行分时复用，即将单通道射频信号复用至天线阵列中，该方法会增加后续拼接算法的复杂度。对于需要大面积探测的场景，例如城市地下管线探测、自然灾害探测中降低效率和精度。

发明内容

本发明针对现有探地雷达发射链路精度低、探地雷达多为专机专用且探测范围有限的问题，提出一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，所述架构包括：

上位机、DDS发生器和波束形成模块；所述DDS发生器包括FPGA和DAC芯片；

所述上位机通过串口通信协议向FPGA传递参数；

所述FPGA上位机接收参数，并通过多通道ROM中的波形数据表生成四路控制字输送至DAC芯片中；

所述DAC芯片根据四路控制字将数字量转换为模拟量，并将所述模拟量传输至波束形成模块；

所述波束形成模块接收模拟量生成可调的步进频率连续波信号；

所述FPGA中的控制逻辑模块对波束形成模块发送控制信号，控制步进频率连续波相位和幅值。

进一步的，还提供一种优选方式，所述所述上位机通过串口通信协议向FPGA传递参数包括：步进频率连续波信号的中心频率、带宽和步进频率。

进一步的，还提供一种优选方式，所述FPGA通过FMC接口与DAC芯片连接。

进一步的，还提供一种优选方式，所述DDS发生器具体包括：相位累加器、相位调制器、波形数据表和DAC芯片；

每个时钟周期的时钟上升沿，所述相位累加器将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至相位累加寄存器的数据输入端，生成相位序列；

所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字；

根据所述波形控制字进行波形控制字输入DAC芯片中得到输出信号。

进一步的，还提供一种优选方式，所述相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。

进一步的，还提供一种优选方式，所述相位序列通过多个时钟脉冲的频率控制字与相位控制字相加获得。

进一步的，还提供一种优选方式，所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字，具体为：

相位序列经过相位调制器的处理后输入至波形数据表，作为波形数据表的地址；

对所述波形数据表进行寻址获得波形控制字。

进一步的，还提供一种优选方式，所述波束形成模块包括天线阵列，移相器和衰减器；每个天线元素连接一个移相器和一个衰减器；

所述移相器用于调整天线阵列中各个天线元素的相位；

所述衰减器用于调整天线元素的信号强度。

进一步的，还提供一种优选方式，所述DAC芯片的模拟量通过SMA接口传输至波束形成模块。

基于同一发明构思，本发明还提出一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的探测方法，所述方法包括：

上位机通过串口通信协议向FPGA传递控制参数；

FPGA接收上位机传递的参数，并使用多通道ROM中的波形数据表生成四路控制字；

生成的数字信号经过DAC芯片进行数字信号到模拟信号的转换；

模拟信号传输至波束形成模块，将模拟信号转换为可调的步进频率连续波信号；

调整后的步进频率连续波信号用于雷达信号的发射；

当信号与目标物体交互并返回时，雷达系统接收到回波信号。

本发明的有益之处在于：

本发明解决了现有探地雷达发射链路精度低、探地雷达多为专机专用且探测范围有限的问题。

相对于传统的射频链路采用搭建模拟电路方式产生步进频率连续波信号，本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构采用数字电路方式，使用FPGA编写逻辑控制模块，利用FPGA和高速DA芯片实现DDS发生器的功能，同时产生可控的高精度步进频率连续波信号，具有更高的灵活性和精度。

针对目前探地雷达多为专机专用，根本上是由于常规射频链路架构产生的步进频率连续波信号带宽窄，难以满足多场景测量需求的问题。本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，将应用场景所需的步进频率连续波信号波形存储至ROM中，根据上位机的信号选择不同中心频率的步进频率连续波信号，同时更换发射天线即可实现带宽范围为300MHz至3GHz的探地测量，满足城市公路、管线探测等探测深度小于10m的大部分功能场景。

针对目前常规探地雷达在垂直于探地雷达运动方向上的探测范围较小，需要进行多次扫描和后续更为精确的扫描图像拼接成型算法加以辅助，会增加处理器的运行负担并降低探地雷达的测量效率。根据波束形成原理，天线发射出的信号会在远场中矢量叠加，叠加后的等效发射方向与各个天线的幅值和相位有关。本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，通过FPGA可编程逻辑的特性，进一步加入了波束形成控制模块控制移相器和衰减器，从而实时、独立控制任意一个发射天线的信号幅值和相位，进一步提升横向探测范围。

本发明所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构中，上位机通过串口通信向FPGA传递参数，这些参数包括波束形成的相关控制信息。通过串口通信，FPGA可以接收、解析并使用这些参数来配置雷达系统，满足不同任务和场景的需求对雷达系统进行灵活的调整。FPGA接收上位机传递的参数，并根据这些参数生成波形控制信息，包括波形的幅值、相位等。DAC芯片将数字信号转换为模拟信号，提供给波束形成模块。通过数字信号处理和模拟信号转换，实现对波束的精确控制，提高雷达信号的准确性和可调性，增强了系统的信号处理性能。波束形成模块能够生成可调的步进频率连续波信号，实现波束形成，其具备灵活性，可根据需要改变信号的频率和方向。该模块接收DAC芯片提供的模拟信号，然后将其转换为连续波信号。控制逻辑模块根据FPGA的控制信号，调节波束的相位和幅值。通过波束形成模块实现波束形成，即控制雷达信号的传播方向和特性，以提高探测精度，进一步增加雷达的适用性，以适应多种探测场景和需求。

本发明提供的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，应用于探地雷达制备领域。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构示意图；

图2为实施方式四所述的DDS信号发生器原理图；

图3为实施方式四所述的信号产生流程图；

图4为实施方式十一所述的多通道ROM波形查找表示意图；

图5为实施方式十一所述的波束形成模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构，所述架构包括：

上位机、DDS发生器和波束形成模块；所述DDS发生器包括FPGA和DAC芯片；

所述上位机通过串口通信协议向FPGA传递参数；

所述FPGA上位机接收参数，并通过多通道ROM中的波形数据表生成四路控制字输送至DAC芯片中；

所述DAC芯片根据四路控制字将数字量转换为模拟量，并将所述模拟量传输至波束形成模块；

所述波束形成模块接收模拟量生成可调的步进频率连续波信号；

所述FPGA中的控制逻辑模块对波束形成模块发送控制信号，控制步进频率连续波相位和幅值。

本实施方式中上位机通过串口通信向FPGA传递参数，这些参数包括波束形成的相关控制信息。通过串口通信，FPGA可以接收、解析并使用这些参数来配置雷达系统，满足不同任务和场景的需求对雷达系统进行灵活的调整。FPGA接收上位机传递的参数，并根据这些参数生成波形控制信息，包括波形的幅值、相位等。DAC芯片将数字信号转换为模拟信号，提供给波束形成模块。通过数字信号处理和模拟信号转换，实现对波束的精确控制，提高雷达信号的准确性和可调性，增强了系统的信号处理性能。波束形成模块能够生成可调的步进频率连续波信号，实现波束形成，其具备灵活性，可根据需要改变信号的频率和方向。该模块接收DAC芯片提供的模拟信号，然后将其转换为连续波信号。控制逻辑模块根据FPGA的控制信号，调节波束的相位和幅值。通过波束形成模块实现波束形成，即控制雷达信号的传播方向和特性，以提高探测精度，进一步增加雷达的适用性，以适应多种探测场景和需求。

本实施方式所述的射频链路架构的连接形成在解决现有技术问题方面具有显著优点，通过提供高精度、实时控制的波束形成，增强了雷达系统的探测能力，同时通过数字信号处理和模拟信号转换，提高了系统的信号处理性能。这一架构的目的是提高雷达的探测精度，增加探测范围，提高系统的灵活性，以满足不同场景和需求。此外，这种架构还有望降低系统维护和操作的复杂性，从而提高雷达系统的效率和可用性。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述上位机通过串口通信协议向FPGA传递参数包括：步进频率连续波信号的中心频率、带宽和步进频率。

本实施方式通过串口通信协议向FPGA传递中心频率、带宽和步进频率等参数，雷达系统可以实时调整波束的频率和带宽，以适应不同的探测场景和需求。这提高了雷达系统的多场景适应性。用户可以通过上位机轻松配置波束参数，而不必直接干预硬件。这降低了操作人员的技术门槛，增加了系统的灵活性和可操作性。通过在发射端实现波束形成，可以减小天线尺寸和复杂性，同时减少了对多个天线的需求。这有助于降低系统的制造成本。

本实施方式上位机通过串口通信向FPGA传递波束形成参数。这些参数包括：中心频率，用于控制波束的工作频带中心；带宽，用于指定波束的频带宽度；步进频率，用于生成连续波信号的频率步进，用于扫描或跟踪目标。FPGA接收这些参数，然后使用它们来调整波束形成模块的工作。波束形成模块生成连续波信号，该信号的频率在中心频率附近波动，带宽由带宽参数控制，并且可以通过步进频率实现频率扫描。连续波信号由天线辐射，形成波束，用于探测地下目标。

本实施方式通过实时调整波束的频率和带宽，可以更好地匹配目标的特性，提高探测精度。不同场景可能需要不同的探测参数。通过动态配置波束形成参数，可以使雷达适应各种探测场景，包括不同的目标深度、地质条件和目标类型。简化了系统的操作和维护，减少了人工干预的需求。这有助于降低维护成本和提高系统的可靠性。

实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述FPGA通过FMC接口与DAC芯片连接。

本实施方式通过将FPGA与DAC芯片连接，系统可以实现高性能的数字信号处理。FPGA可以在实时处理信号的同时，为波束形成提供精确的控制和信号调制。FPGA可以在数字领域内进行高精度的信号处理和波束形成，这允许更灵活、更准确地控制和调整波束的参数，以适应不同的探测场景。DAC芯片与FPGA连接，可以生成高速、高分辨率的连续波信号，这对于快速波束形成和目标跟踪非常重要。FMC接口使FPGA与DAC芯片之间的连接更加模块化和易于维护。这使得系统的维护和升级更加方便。

本实施方式FPGA通过FMC接口与DAC芯片连接，FMC接口是一种标准接口，用于连接FPGA与各种外围设备，如DAC芯片。这种接口提供高速数据传输和控制信号传输。FPGA负责接收来自上位机的控制参数，包括中心频率、带宽和步进频率等，然后将这些参数应用于波束形成算法。FPGA还负责生成控制DAC芯片的数字信号。DAC芯片接收FPGA生成的数字信号，并将其转换为模拟信号，这些模拟信号将被传输到天线进行辐射。DAC的高分辨率和高速度非常重要，以确保波束形成的准确性和高性能。通过连接FPGA与DAC，可以实现高性能数字信号处理，以处理和调整连续波信号，以更好地适应不同的探测场景。进一步的，还能实现高精度的波束形成，以提高探地雷达系统的目标检测和定位精度。同时，连接DAC芯片可以生成高速连续波信号，从而实现更快的信号响应和目标跟踪。通过FMC接口，架构的设计更具模块化特性，这有助于简化架构维护和升级。

实施方式四、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述DDS发生器具体包括：相位累加器、相位调制器、波形数据表和DAC芯片；

每个时钟周期的时钟上升沿，所述相位累加器将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至相位累加寄存器的数据输入端，生成相位序列；

所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字；

根据所述波形控制字进行波形控制字输入DAC芯片中得到输出信号。

本实施方式所述的架构通过DDS实现波形生成，允许高精度的相位控制和频率调制，以产生复杂波形。这对于波束形成非常关键，因为它允许根据不同的场景要求生成高度定制的波形。DDS允许根据需要灵活地改变波形，包括频率、相位、振幅等参数，这在不同探测场景下非常重要。相位累加器和相位调制器使得信号的相位和频率可以精确控制，适应不同的环境。DDS发生器通常能够提供高分辨率的波形控制，这对于准确的波束形成和探测非常重要。DDS将波形生成数字化，这降低了信号失真的风险，同时增加了系统的可重复性和稳定性。

本实施方式中的相位累加器是DDS的核心组成部分，用于计算相位序列。它在每个时钟周期的上升沿将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加。相位累加器的输出相位数据会反馈到其数据输入端，用于生成相位序列。这个序列代表波形的相位。相位调制器负责对相位序列进行进一步处理，以满足特定的波形要求。它可以实现频率调制、相位调制或其他波形调制技术，根据应用的需要来修改相位序列。波形数据表用于存储不同波形的控制字。相位序列经过相位调制器的处理后，将用作波形数据表的地址，以获取波形控制字。这个控制字描述了所需波形的特征，例如频率、相位和振幅。波形控制字被输入到DAC芯片中，DAC负责将数字信号转换为模拟信号，该模拟信号将被传输到天线进行辐射。通过使用DDS发生器，可以根据不同的场景需求生成高度定制的波束，以提高探地雷达系统的性能和适应性。这种架构的目的是实现对信号的高精度控制，包括相位和频率，以便在不同的探测任务中获得准确的结果。在这个框架中，FPGA负责相位累加器、波形数据表、相位调制器等数字信号处理的部分，而高速DA芯片负责将数字信号转换为模拟信号。

实施方式五、本实施方式是对实施方式四所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。

本实施方式使用N位加法器和N位寄存器的相位累加器能够实现高精度的相位控制。这对于波束形成非常关键，因为波束的方向和形状取决于相位的精确控制。相位累加器的这种设计结构通常可以降低硬件成本，因为N位加法器和N位寄存器相对较简单，而且可以在大规模生产中实现经济效益。

本实施方式所述的N位加法器用于将输入的相位数据相加。在每个时钟周期的上升沿，它将相位数据与之前累加的结果相加，产生新的累加结果。这个新的累加结果被传递给N位寄存器。N位寄存器用于存储累加器的输出，这个值代表波形的相位信息。在每个时钟周期后，累加器的输出被存储在寄存器中，并在下一个时钟周期中用作新的输入。相位累加器的设计结构允许高精度的相位控制，这对于波束形成非常重要。它使系统能够精确控制波束的方向和形状，以适应不同的探测场景。通过使用N位加法器和寄存器，可以降低相位累加器的硬件成本，同时保持足够的性能。这对于大规模生产和预算有限的项目非常有利。

实施方式六、本实施方式是对实施方式四所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述相位序列通过多个时钟脉冲的频率控制字与相位控制字相加获得。

本实施方式通过在相位控制字中引入频率控制字，可以更加精细地控制波束的形成。这可以导致更准确的波束形状，从而提高目标检测和跟踪的准确性。由于相位序列的生成受到频率控制字的调整，射频链路架构可以适应不同场景下的需求。这种灵活性使得雷达系统能够在不同环境和任务中更好地执行。通过控制相位序列的频率和相位，可以实现更高效的波束形成，最大程度地利用射频链路的资源。这可以减少能量浪费，提高雷达性能。

本实施方式所述的相位控制字用于控制波束的方向和形状的参数。在这个架构中，相位控制字被加上一个频率控制字，以便更精确地调整相位。频率控制字用于调整相位序列的频率的参数。它可以通过多个时钟脉冲来改变，从而影响相位序列的周期和速度。在这个架构中，频率控制字与相位控制字相加，产生相位序列。这个相位序列被用来驱动天线元素，以形成特定方向和形状的波束。本实施方式提高多场景探地雷达发射端波束形成的性能和适应性，以更好地满足不同任务需求。通过频率控制字的引入，它可以更好地优化波束形成，提高雷达系统的性能。

实施方式七、本实施方式是对实施方式四所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述相位序列经过相位调制器的处理后，输入至波形数据表中获得波形控制字，具体为：

相位序列经过相位调制器的处理后输入至波形数据表，作为波形数据表的地址；

对所述波形数据表进行寻址获得波形控制字。

本实施方式所述的相位序列是用来控制波束形成的关键参数。它经过相位调制器的处理后，成为波形数据表的地址。相位调制器的任务是将相位序列转化为合适的地址，以便在波形数据表中查找对应的波形控制字。波形数据表是一个存储不同波形控制字的表格，这些控制字定义了波束形成的各个方面，如波束的方向、宽度、形状等。相位序列被用作波形数据表的地址输入，以获取适当的波形控制字。波形控制字是根据波形数据表的地址确定的。它们描述了波束形成的参数，包括相位信息和其他波形特性。

本实施方式通过调整相位序列和波形数据表的内容来实现波形的灵活控制。不同的相位序列可以映射到不同的波形控制字，从而实现不同波束形状和特性，以适应多种探测场景。通过动态地修改波形数据表的内容，射频链路架构可以在实时中适应不同目标或环境的需求。这有助于提高雷达系统的性能，尤其是在面对多样化和快速变化的场景时。相位调制器和波形数据表的结构可以帮助节省存储和处理资源。相同的相位序列可以重复使用，而不需要存储大量不同波形的实际样本。

实施方式八、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述波束形成模块包括天线阵列，移相器和衰减器；每个天线元素连接一个移相器和一个衰减器；

所述移相器用于调整天线阵列中各个天线元素的相位；

所述衰减器用于调整天线元素的信号强度。

本实施方式所述的移相器是用于调整每个天线元素的相位的设备。通过改变相位，不同天线元素的信号可以以特定方向进行合成。这种相位调整是基于波束形成原理，根据所需的波束方向和角度，每个天线元素的相位会不同。衰减器是用于调整每个天线元素的信号强度的设备。通过调整衰减器的设置，可以增加或减小每个元素的信号强度。这对于平衡不同天线元素之间的信号强度以及抑制不需要的信号非常有用。

本实施方式通过使用移相器，每个天线元素可以调整其相位，从而使系统能够精确地形成所需方向的波束。这可以提高雷达的目标检测和跟踪的精度。由于每个天线元素都可以单独调整相位和信号强度，因此可以实现更灵活的波束形状，以适应不同的场景和需求。这意味着系统可以在不同的应用场景中优化波束的形状和特性。通过调整衰减器，可以降低不需要的信号强度，从而减小对系统的干扰。这对于在复杂电磁环境中工作的雷达系统尤其重要。使用移相器和衰减器，射频链路架构可以更有效地管理和利用天线阵列的资源，以便更好地适应不同场景和任务。

实施方式九、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的进一步限定，所述DAC芯片的模拟量通过SMA接口传输至波束形成模块。

本实施方式所述的数字-模拟转换器(DAC)芯片将数字信号转换为模拟信号。这个步骤是波束形成的关键，因为它负责生成具有所需幅度和相位的模拟信号，以供后续处理。SMA接口是一种标准射频连接接口，用于将模拟信号从DAC芯片传输到波束形成模块。它提供了稳定的电气连接，有助于保持信号质量。这个模块负责将来自DAC芯片的模拟信号进一步处理，以形成所需方向的波束。这通常涉及到相位调整和幅度调整，以定向和控制发射的波束。

本实施方式中通过使用SMA接口，可以实现高质量的模拟信号传输，确保信号不会受到太多的损耗或干扰，从而维持波束形成过程中的高精度。SMA接口是标准化的射频连接接口，允许在需要时容易更换、升级或维护系统中的组件。这增加了系统的灵活性和可维护性。由于SMA接口提供了较好的屏蔽和保护，因此对于避免外部电磁干扰和保持信号完整性非常有用。这有助于提高雷达系统的抗干扰能力。

实施方式十、本实施方式所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构的探测方法，所述方法包括：

上位机通过串口通信协议向FPGA传递控制参数；

FPGA接收上位机传递的参数，并使用多通道ROM中的波形数据表生成四路控制字；

生成的数字信号经过DAC芯片进行数字信号到模拟信号的转换；

模拟信号传输至波束形成模块，将模拟信号转换为可调的步进频率连续波信号；

调整后的步进频率连续波信号用于雷达信号的发射；

当信号与目标物体交互并返回时，雷达系统接收到回波信号。

本实施方式的上位机通过串口通信协议传递控制参数，这些参数包括波束形成的配置和其他雷达参数。FPGA接收并处理来自上位机的参数，然后使用多通道ROM中的波形数据表生成控制字。这些控制字用于调整波束形成模块的行为，以生成所需的波束。DAC芯片负责将生成的数字信号转换为模拟信号，以便后续处理和发射。波束形成模块接收模拟信号并将其转换为可调的步进频率连续波信号，以进行雷达信号的发射。这是波束形成的关键步骤。当雷达信号与目标物体交互并返回时，雷达系统接收并处理回波信号，以进行目标检测、跟踪和分析。

本实施方式通过使用FPGA生成控制参数和DAC芯片进行数字到模拟信号的转换，这种方法可以实现精确的波束形成。波束形成是一种技术，通过调整波束的方向和形状，可以更精确地定位和追踪目标。上位机可以通过串口通信向FPGA传递控制参数，这使得雷达系统在不同场景下能够适应不同的要求和情况。这种灵活性对于多场景探地雷达至关重要。使用FPGA生成控制字和DAC芯片进行数字信号到模拟信号的转换，可以进行高效的数字信号处理，确保信号的质量和准确性。通过将模拟信号转换为可调的步进频率连续波信号，雷达系统可以应对不同的目标和场景，以更好地探测和分析目标特性。

实施方式十一、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于多场景探地雷达发射端波束形成的射频链路架构提供一具体实施例，同时也用于解释实施方式一至实施方式九，具体的：

本实施方式针对探地雷达的发射端链路进行了创新，提出了一种可行的波束形成射频链路框架。该框架如图1所示。本实施方式采用FPGA为发射链路的核心，负责控制DA芯片产生四路步进频率连续波信号，控制移相器和衰减器进行波束控制。上位机通过串口通信协议传入所需的步进频率连续波信号的中心频率、带宽、步进频率等重要参数。DAC扩展版通过FMC接口与FPGA相连。当探地雷达测量进程开始时，FPGA通过多通道ROM中的波形数据表产生波形控制字，输送至高速DAC中，高速DAC根据四路控制字将数字量转换为模拟量，通过SMA接口传输至波束形成模块，形成稳定且可调的步进频率连续波信号。FPGA中的控制逻辑模块可以对波束形成模块进行控制，即控制其中的移相器和衰减器，从而达到控制步进频率连续波相位和幅值的作用，根据波束形成理论，即可实现改变天线指向和赋形的功能，从而扩大探地雷达的横向探测范围。

由于探地雷达的发射端链路的核心部件为高速可控脉冲源，现有研究中多采用模拟电路或直接通过配置DDS芯片产生高速可控脉冲源。本实施方式所需信号频谱较宽，还需要高精度和多频段测量，满足探地雷达适应多场景测量，因此本实施方式采用FPGA和高速DA芯片结合方式，实现DDS信号发生器框架，产生不同中心频率和带宽的步进频率连续波信号。DDS信号发生器的基本原理如图2所示。

DDS主要由相位累加器、相位调制器、波形数据表以及高速DAC构成。波形数据表ROM中存放为待输出信号的波形控制字。相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。每个时钟周期的时钟上升沿，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。经过累加后的频率控制字与相位控制字相加后作为波形数据表ROM的地址，通过对波形数据表进行寻址得到波形控制字，将控制字输入高速DAC中得到既定输出信号。上述DDS信号生成流程如图3所示。

为了输出脉冲频率、宽度和幅度均可控的脉冲信号，本实施方式准备了多个脉冲占空比不同的脉冲信号波形查找表，在实际使用过程中，可以根据上位机传入的信号需求灵活选择不同的波形查找表，以此来实现对发射的步进频率连续波信号进行选择和控制。如图4所示。

由于发射天线固定且不可移动，为了获得更大的横向分辨率，需要控制多个天线的相位和幅值，进而对叠加后的波束矢量的方向控制，如图5所示为均匀线性天线阵列简化模型图。四组发射天线处在同一平面，波束形成模块包括四对移相器和衰减器。相邻阵元之间的间距为d，与目标探测点P的夹角为θ，θ

根据叠加原理，线性均匀天线阵列在目标点P处的方向图函数可以表示为：

式中，N表示波束形成模块中的天线个数，Δφ

由此，可以看出可以通过对各个天线的幅值a

为简化公式推导，当阵元激励相同时，a

对上式求绝对值，当线性阵列数量较多时，α较小，探测方向越靠近最大指向角θ

当Nα/2＝0时，F取最大值，其中最大指向角θ

综上所示，由式(1)和式(4)可知，均匀线性阵列天线在远场形成的叠加波束的方向与单个天线的幅值和相位有关，因此可以通过波束形成模块改变天线阵元内单个天线波束的幅值和相位，从而改变叠加后波束指向，进一步提升横向探测范围。同时，根据FPGA内置多通道ROM波形查找表，可以生成一系列稳定、可调的步进频率连续波信号，充分发挥FPGA的可编程逻辑优势。

相对于传统的射频链路采用搭建模拟电路方式产生步进频率连续波信号，本实施方式采用数字电路方式，使用FPGA编写逻辑控制模块，利用FPGA和高速DA芯片实现DDS发生器的功能，同时产生可控的高精度步进频率连续波信号，具有更高的灵活性和精度。

如今探地雷达多为专机专用，根本上是由于常规射频链路架构产生的步进频率连续波信号带宽窄，难以满足多场景测量需求。本实施方式中将应用场景所需的步进频率连续波信号波形存储至ROM中，根据上位机的信号选择不同中心频率的步进频率连续波信号，同时更换发射天线即可实现带宽范围为300MHz至3GHz的探地测量，满足城市公路、管线探测等探测深度小于10m的大部分功能场景。

目前常规探地雷达在垂直于探地雷达运动方向上的探测范围较小，需要进行多次扫描和后续更为精确的扫描图像拼接成型算法加以辅助，会增加处理器的运行负担并降低探地雷达的测量效率。根据波束形成原理，天线发射出的信号会在远场中矢量叠加，叠加后的等效发射方向与各个天线的幅值和相位有关。本实施方式通过FPGA可编程逻辑的特性，进一步加入了波束形成控制模块控制移相器和衰减器，从而实时、独立控制任意一个发射天线的信号幅值和相位，进一步提升横向探测范围。

以上结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神原则范围内的，对本发明的修改、实施方式的组合、改进和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。