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冲激探地雷达系统发射单元的研究与设计

作　者: 牛长富
导　师: 许会
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 探地雷达超宽带窄脉冲控制系统数据采集直流电源
分类号: TN959.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无载频探地雷达是一种通过发射天线向地下发射纳秒级窄脉冲,再通过接收天线接收回波和散射波,然后经过信号处理得到有用的信息最终确定地下情况的技术。它的应用范围非常的广泛,在道路地基的检测、考古、地下管线的勘测、江河湖坝险情检测、地震后生命搜索等方面都有非常重要的应用。而现有的探地雷达系统集成度不够、精度、速度等都有待于提高,因此开展探地雷达硬件系统的性能研究有着非常重要的实际应用价值。本文对探地雷达进行详细地研究,主要进行了以下几个方面的工作：(1)利用串联稳压的原理等模拟电路的知识,设计了80-280V宽范围输出可调高压直流电源,允许宽范围电压输入、理论纹波系数小于5mV、实际测量纹波小于20mV,给出了电源仿真设计和实际测量结果。(2)研究了雪崩三极管的雪崩原理,设计了一种利用FPGA控制来产生彼此有严格时序的触发脉冲的系统,用来触发雪崩三极管得到符合严格时序的任意合成脉冲波形,在50Ω负载上得到了脉宽在2-50ns之间、幅度在20-230V之间的多种超宽带窄脉冲,并对多种雪崩管的雪崩性能进行了对比。(3)针对无载频探地雷达系统控制复杂和需要前端信号处理的特点,利用FPGA完成时序控制,DSP完成信号处理算法,再通过USB2.0完成与上位机的数据通信,实现集成度高、硬件易更新的探地雷达数据采集单元。文中详细介绍了等效采样原理、延时控制电路、时变增益控制电路等的器件选择及工作原理,给出并验证了FPGA实现控制和FPGA与DSP实现交互的方法。(4)编写了FPGA的控制程序并进行了仿真和时序关系测量；编写了CY7C68013A的固件程序、固件自动下载的驱动程序、驱动程序和应用程序；在DSP上编写了控制程序和部分数字信号处理的程序；验证了USB的通讯功能。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-14
  1.1 本文研究的背景、意义  11
  1.2 国内外探地雷达的发展、现状及趋势  11-12
  1.3 本文的主要工作  12-14
第二章探地雷达工作原理及相关知识介绍  14-19
  2.1 探地雷达的工作原理  14-15
  2.2 探地雷达的电磁学基础  15-16
  2.3 等效采样原理  16
  2.4 时变增益原理  16-18
  2.5 三极管的雪崩理论  18
  2.6 本章小结  18-19
第三章探地雷达系统结构及硬件电路设计  19-48
  3.1 探地雷达系统结构  19-21
    3.1.1 一般探地雷达系统结构  19-20
    3.1.2 基于FPGA+DSP+USB2.0的系统结构  20-21
  3.2 脉冲源的高压电源设计  21-30
    3.2.1 线性高压直流电源的原理  21-22
    3.2.2 宽范围输入、输出的实现  22-23
    3.2.3 温漂抑制、减小放大管压降和高稳定度的实现  23-24
    3.2.4 全方位保护电路的设计  24
    3.2.5 电源的仿真  24-27
    3.2.6 电源参数的计算  27-28
    3.2.7 实际制作调试  28
    3.2.8 电源测量  28-30
  3.3 纳秒级脉冲源设计  30-37
    3.3.1 脉冲源系统的构成  30-31
    3.3.2 雪崩三极管电路  31-33
    3.3.3 FPGA触发电路  33
    3.3.4 实际制作及测量  33-34
    3.3.5 实际测量及注意事项  34-37
  3.4 数据采集系统构成及主要器件选择  37-44
    3.4.1 数据采集系统的主要构成  38-39
    3.4.2 FPGA简介及选择  39
    3.4.3 DSP简介及选择  39-40
    3.4.4 USB控制器简介及选择  40-43
    3.4.5 A/D简介及选择  43
    3.4.6 时变增益放大器简介及选择  43
    3.4.7 SDRAM简介及选择  43-44
  3.5 数据采集电路设计  44-47
    3.5.1 电路板供电电源设计  44
    3.5.2 FPGA电路设计  44-45
    3.5.3 DSP电路设计  45
    3.5.4 USB电路设计  45
    3.5.5 A/D电路设计  45
    3.5.6 时变增益放大电路设计  45-46
    3.5.7 取样门设计  46-47
  3.6 本章小结  47-48
第四章系统软件编程及整机开发测试  48-65
  4.1 开发设计流程  48-50
    4.1.1 FPGA设计流程  48-50
    4.1.2 DSP设计流程  50
  4.2 FPGA编程  50-54
    4.2.1 FPGA的软件编程及仿真  50-52
    4.2.2 SignalTab Ⅱ的系统测试  52-54
  4.3 DSP编程  54
  4.4 USB2.0编程  54-64
    4.4.1 固件程序的设计  54-61
    4.4.2 固件自动下载驱动程序的设计  61-62
    4.4.3 驱动程序的设计  62-63
    4.4.4 应用程序的设计  63-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章结论  65-66
参考文献  66-68
附录A 主控部分电路原理图  68-76
  附录A.1 电源电路原理图  68-69
  附录A.2 FPGA外围电路原理图  69-73
  附录A.3 DSP外围电路原理图  73-75
  附录A.4 USB电路原理图  75-76
附录B 数据采集部分电路原理图  76-79
  附录B.1 A/D电路原理图  76-77
  附录B.2 时变增益及可编程延时电路原理图  77-79
在学研究成果  79-80
致谢  80

冲激探地雷达系统发射单元的研究与设计

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