探地雷達(dá)（GPR，ground penetrating radar）以其無(wú)損探測(cè)特性在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其探測(cè)原理是：利用天線向地下發(fā)射高頻寬帶電磁波，然后接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射回波，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的處理和分析，推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而沖擊型探地雷達(dá)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶的回波信息豐富等特點(diǎn)受到了廣泛的重視。以下所涉及的探地雷達(dá)均指沖擊型探地雷達(dá)。

由于傳播路徑上的急劇損耗，使得天線接收到的回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍極大，一般可達(dá)150dB。雷達(dá)接收系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍一般只能達(dá)到80～90dB，難以滿足雷達(dá)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于深層目標(biāo)回波幅度小，如不對(duì)其處理將嚴(yán)重影響探地雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率。為提高雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率，同時(shí)提高接收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，為此，本文采用AD603設(shè)計(jì)了一時(shí)變?cè)鲆?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間的回波信號(hào)給以不同的增益來(lái)補(bǔ)償A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍的不足，達(dá)到與回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍相匹配的目的。

1.時(shí)變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)

所謂時(shí)變?cè)鲆娣糯笃骱?jiǎn)而言之就是放大器的增益是時(shí)間的函數(shù)。由于在探地雷達(dá)系統(tǒng)中，時(shí)間實(shí)際對(duì)應(yīng)著目標(biāo)離天線的距離，從這個(gè)角度講，在雷達(dá)系統(tǒng)中，它可以稱為距離增益放大器。其作用機(jī)理就是對(duì)近距離目標(biāo)的散射回波采用衰減或較低增益放大，而對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射回波采用較高增益放大，使進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集電路的回波信號(hào)變得相對(duì)平穩(wěn)。最終淺層目標(biāo)回波的強(qiáng)信號(hào)被衰減或抑制，避免了放大器發(fā)生飽和過(guò)載或者放大器輸出超出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍;深層目標(biāo)回波的弱信號(hào)得到有效放大，以保證目標(biāo)信號(hào)的獲取和辨別。

設(shè)計(jì)時(shí)變?cè)鲆娣糯笃鞯姆桨赣泻芏喾N，鑒于探地雷達(dá)系統(tǒng)的要求，本文采用美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的新型壓控放大器AD603來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)變?cè)鲆娣糯笃鳎珹D603具有低噪聲、寬頻帶、增益和增益范圍可調(diào)整、增益值（dB）隨外部控制電壓線性變化、帶寬不隨增益變化等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)的要求。其原理圖如圖1所示。

圖1 AD603原理圖

從原理圖可以看出AD603的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分成3個(gè)功能區(qū)：增益控制區(qū);無(wú)源輸入衰減區(qū);固定增益運(yùn)放區(qū)。增益控制區(qū)的控制電壓控制衰減器的連續(xù)衰減。就像使圖中固定增益運(yùn)放同相端的箭頭在0～-42.14dB之間滑動(dòng)一樣。AD603的增益范圍、頻帶寬度由VOUT與FDBK的連接方式確定。當(dāng)VOUT與FDBK短接，增益范圍為一10～30dB，頻帶寬度為90MHz;當(dāng)輸出端VOUT與反饋端FDBK間接2.15kΩ電阻。反饋端FDBK通過(guò)5.6pF接地時(shí)，增益范圍為0～40dB，頻帶寬度為30MHz;當(dāng)VOUT與FDBK開路，反饋端FDBK通過(guò)18pF接地時(shí)，增益范圍為10～50dB，頻帶寬度為9MHz。一旦增益范圍確定以后，整個(gè)放大器的頻帶寬度也就確定下來(lái)。并且在增益變化范圍內(nèi)，帶寬不隨增益的變化而變化。這是因?yàn)樵鲆娴恼{(diào)整是通過(guò)固定增益運(yùn)放前的R一2R梯形電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，而不是改變運(yùn)放的反饋電阻，所以整個(gè)放大器的帶寬不受增益調(diào)整的影響。

由于探地雷達(dá)回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍極大，為了對(duì)深層的微弱回波信號(hào)提供較大的增益，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集與處理。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯?，并且前后兩?jí)的增益范圍均設(shè)置為0～40dB。這樣，兩級(jí)放大電路總共能提供0～80dB的可變?cè)鲆娣秶梢詽M足探地雷達(dá)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的需求。同時(shí)，為了盡可能提高兩級(jí)放大電路的信噪比，降低前一級(jí)放大器產(chǎn)生的噪聲被后一級(jí)放大器放大的可能性，兩級(jí)放大器采用了順序控制連接方式，電路原理如圖2所示。

圖2 可變?cè)鲆娣糯箅娐吩韴D

為盡可能減少兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)以后的頻帶損失，改善放大器的低頻響應(yīng)特性，從而避免了探地雷達(dá)回波信號(hào)中的低頻分量的損失，設(shè)計(jì)時(shí)選用了直接耦合方式。由于單級(jí)放大器的增益變化范圍設(shè)置為0～40dB時(shí)。其帶寬為30MHz。兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)以后，總的放大器3dB帶寬會(huì)減小，此時(shí)的帶寬約為21MHz，但提高了動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于天線中心頻率為100MHz的探地雷達(dá)，其回波信號(hào)的最高頻率分量約為150MHz。假設(shè)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率為300kHz，采樣時(shí)間間隔為0.1ns，可以得到等效采樣變換后的回波信號(hào)最高頻率分量為：

可以看出，采樣變換后的信號(hào)最高頻率分量遠(yuǎn)小于放大器的帶寬，可以保證信號(hào)被放大以后沒有頻率失真。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，等效采樣變換后的回波信號(hào)最大幅度約為土2.5V，而AD603的最大允許輸入電壓為±1.4V。如果將回波信號(hào)直接輸入，會(huì)造成輸出信號(hào)失真，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成AD603損壞，所以必須先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減。因?yàn)锳D603的輸入阻抗為100Q，所以在輸入信號(hào)與AD603輸入端之間串聯(lián)一個(gè)100Q電阻R，構(gòu)成一個(gè)1：1的電阻分壓器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減。衰減后的信號(hào)最大幅度約為±1.25V，確保在AD603的允許輸入電壓范圍內(nèi)?？紤]到在某些異常情況下，輸入信號(hào)經(jīng)衰減以后最大幅度仍然大于±1.4V，因此這里采用D1D2D3D4個(gè)二極管分別兩兩同向串聯(lián)，然后反向并聯(lián)于AD603輸入端與模擬地之間。利用二極管的單向?qū)щ娂癙N結(jié)正向?qū)▔航导s為0.7V（對(duì)硅材料而言）的特性，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅，限幅后的信號(hào)最大幅度恰好約為土1.4V，滿足AD603的輸入電壓要求。基于同樣道理，在第2級(jí)AD603的輸入端使用4個(gè)二極管D、D、D、D。對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅，將其幅度限制在±1.4V以內(nèi)。

2.時(shí)變?cè)鲆娣糯笃髡{(diào)零電路的設(shè)計(jì)

由于AD603有大約20～30mV的輸出失調(diào)電壓（直流偏移電壓），當(dāng)兩極AD603之間采用直接耦合方式時(shí)，前一級(jí)AD603的輸出失調(diào)電壓會(huì)被后一級(jí)AD603所放大。當(dāng)后級(jí)增益較大時(shí)，放大后的回波信號(hào)直流電位會(huì)大大偏離零點(diǎn)，導(dǎo)致輸出信號(hào)波形的上半周或下半周被削去一部分，產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。而且由于前級(jí)接收和取樣門電路也會(huì)帶來(lái)直流偏移電壓，即第1級(jí)AD603的輸入信號(hào)中就含有直流偏移成分，因此經(jīng)兩級(jí)放大電路放大以后的直流偏移會(huì)更加嚴(yán)重。基于以上原因，這里必須設(shè)計(jì)一個(gè)直流偏移調(diào)零電路對(duì)輸出信號(hào)的直流電位進(jìn)行調(diào)整，使輸出信號(hào)幅度達(dá)到最大時(shí)不產(chǎn)生非線性失真。

由于AD603本身沒有調(diào)零控制端，所以只能在第1級(jí)AD603之前再加一級(jí)直流偏移調(diào)零電路。具體設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用由運(yùn)算放大器組成的反相加法放大器，在運(yùn)放的反向輸入端，通過(guò)另一輸入回路輸入一個(gè)直流電壓，與輸入的回波信號(hào)進(jìn)行相加運(yùn)算，抵消其中的直流偏移分量，而不會(huì)對(duì)回波信號(hào)本身產(chǎn)生影響，從而達(dá)到直流偏移調(diào)零的目的。當(dāng)然，使用運(yùn)放構(gòu)成直流偏移調(diào)零電路還有另外一個(gè)原因，即由于AD603的輸入阻抗很低（約為100Q），若直接與天線系統(tǒng)的取樣保持電路的輸出相連，可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流不足的問(wèn)題。而運(yùn)算放大器的輸入阻抗高，輸出阻抗低。它連接于天線系統(tǒng)的輸出與AD603的輸入之間，可使前級(jí)取樣保持電路輸出不至于有過(guò)高的負(fù)載，還可輸出足夠大的電流驅(qū)動(dòng)AD603，起到隔離和緩沖的作用，使前后級(jí)電路的阻抗達(dá)到匹配。圖3為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的直流偏移調(diào)零電路原理圖。圖中的運(yùn)放采用了美國(guó)AnalogDevices公司生產(chǎn)的超低噪聲、超低失真運(yùn)算放大器AD797。

圖3 可變?cè)鲆娣糯笃?/u>直流偏移調(diào)零電路原理圖