Всем привет! Хочу поделиться своей историей разработки передатчика для ЛЧРЛС непрерывного действия с полосой сигнала 1000 МГц и значением нелинейности изменения частоты 10. -4 %.
Такой передатчик позже будет использоваться в георадиолокаторах FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave — радиолокатор непрерывного действия с частотной модуляцией).
Во введении даются краткие сведения о FMCW-георадиолокаторах и формулируются (обосновываются) требования к передатчику; в последующих разделах описаны этапы разработки, моделирования и экспериментальных испытаний передатчика.
Сам георадар также разработан и находится в опытной эксплуатации.
При наличии живого интереса к статье будут размещены аналогичные статьи по разработке антенн и георадиолокации в целом.
Введение
Радары подповерхностного зондирования (ГПР), представленные на рынке, в основном представляют собой импульсные радары.Однако в последнее время появился ряд сообщений [1, 2, 3] о разработке георадиолокаторов, использующих излучение непрерывных сигналов.
При этом как теоретически, так и практически показаны преимущества радиолокаторов с непрерывным излучением [1, 4]:
- Динамический диапазон георадара непрерывного излучения более чем на 20 дБ превышает динамический диапазон его импульсных аналогов (при прочих равных характеристиках).
На практике это может означать увеличение глубины обнаружения в 3 раза по точечным целям и в 4-5 раз по линейным протяженным целям;
- в георадарах с непрерывным излучением можно использовать различные типы антенн (не только диполи или галстуки-бабочки), в том числе экранированные, с большим коэффициентом усиления и с круговой поляризацией (например, спираль Архимеда).
Использование экранированной антенны типа спирали Архимеда позволяет сконцентрировать излучение строго вниз (в сторону земли), отсутствие боковых и задних лепестков снижает восприимчивость георадара к наличию деревьев, металлических заборов и прочих «помех».
" объекты.
Здесь стоит отметить, что в сочетании с некоторыми антеннами необходимо применять деконволюцию для улучшения разрешения по глубине (из-за звона антенны), жертвуя соотношением сигнал/шум.
- В импульсном георадаре на пользователя воздействуют короткие импульсы мощностью в несколько киловатт (и даже мегаватт), особенно при работе с неэкранированной антенной (например, георадаром Лозы или его аналогами).
Влияние таких импульсов на человека изучено слабо.
В любом случае здоровье исследователя находится под серьезной угрозой.
Средняя излучаемая мощность георадара FMCW составляет несколько милливатт, а с направленной экранированной антенной она оказывает гораздо меньшее воздействие на пользователя.
Георадар FMCW функционально не отличается от радиолокаторов FMCW, получивших распространение в последнее время (рис.
1).
Передатчик формирует сигнал с непрерывным линейным изменением частоты во времени, который после усиления поступает в передающую антенну.
Сигнал, отраженный от цели от приемной антенны, поступает в приемник и смешивается в смесителе с сигналом передачи.
На выходе смесителя выделяется сигнал, соответствующий разнице частот передаваемого и принимаемого сигналов (разность частот еще называют частотой биений).
После оцифровки такого сигнала оценивается его спектр, обычно с использованием быстрого преобразования Фурье.
Спектр является отражением окружающей среды.
Рис.
1 – Функциональная схема чирпового FMCW радара.
Несмотря на все описанные выше преимущества FMCW, георадары недоступны для покупки (по крайней мере, у автора).
Поэтому конечной целью работы является создание FMCW-георадара, доступного массовому пользователю.
Ниже я приведу ряд основных требований к георадару FMCW. Частотный диапазон георадара выбирается исходя из компромисса между глубиной зондирования и требованиями мобильности, связанными с размерами антенн, а также разрешением по глубине.
Чем ниже частота, тем большая глубина зондирования обеспечивается, но тем больший размер антенны требуется для эффективного использования энергии передатчика.
Например, георадиолокационная станция FMCW RIMFAX в составе марсохода Perseverance работает в диапазоне частот (150-1200) МГц и обеспечивает глубину сканирования до 10 м [3].
Георадиолокационная станция «Орфей» [2] имеет диапазон частот (100-1000) МГц при приемлемых (по удобству использования и мобильности) размерах антенны 0,52х1,04 м.
2 .
И RIMFAX, и ORFEUS имеют полосу пропускания сигнала около 1000 МГц.
При этом обеспечивается разрешение по глубине 5 см (для типичных грунтов с диэлектрической проницаемостью 9).
Поэтому, исходя из опыта подобных разработок, за базовый диапазон частот примем (100-1100) МГц.
Наиболее важной величиной в георадарах FMCW является нелинейность изменения частоты во времени, обычно выражаемая в процентах.
На рис.
2 показаны графики спектров сигналов, содержащих частоты биений с выхода смесителя для нелинейности 0% и 0,5%.
Наличие нелинейности по частоте приводит к размытию спектра и ухудшает разрешающую способность георадара.
Считается, что для нормального функционирования георадара нелинейность изменения частоты не должна превышать 0,1% [1].
Рис.
2 – Частоты биений с нелинейностью частоты передатчика 0% и 0,5% Исходя из заявленных требований к георадару, можно сформулировать исходные данные для проектирования передатчика:
- закон изменения частоты — непрерывный пилообразный;
- диапазон частот – (100-1100) МГц
- нелинейность изменения частоты – не более 0,1%;
- передатчик должен обеспечивать динамический диапазон георадара не менее 100 дБ (без учета антенн);
- выходная мощность – 10 мВт;
- неравномерность амплитуды сигнала в зависимости от частоты минимальна;
- диапазон рабочих температур - минус 40 0 с - плюс 50 0 С;
- защита радиоэлектронных компонентов от пыли, влаги, инея, росы, грибков, плесени и т.п.
;
- стоимость минимальна.
Проектирование и моделирование передатчика
Передатчик (рисунок 3) было решено реализовать на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и преобразователя частоты.ФАПЧ состоит из фазового детектора, зарядовой накачки, контурного фильтра, управляемого напряжением генератора (ГУН) и управляемого делителя частоты.
Используя ФАПЧ, генерируется ЛЧМ-сигнал с частотами от Fn до Fv, так что Fv> Fn> 1100 МГц, (Fv-Fn) = 1000 МГц.
Период развертки устанавливается схемой управления и изменением значений емкости и сопротивления контурного фильтра.
Для ясности остальная часть статьи основана на периоде развертки 6,67 мс (150 Гц), хотя его можно установить любому в диапазоне (10 -4 -10 -1 )С.
Преобразователь частоты, состоящий из фильтра низкой частоты, смесителя, генератора сигналов постоянной частоты и усилителей, предназначен для перевода частоты в частотный диапазон работы георадара.
Гетеродин представляет собой управляемый синтезатор частот и может иметь частоты из ряда, обеспечивающих (по выбору пользователя) диапазоны частот георадара: (1-1001) МГц; (10-1010) МГц; (100-1100) МГц – базовый диапазон; (1000-2000)МГц; (2000-3000) МГц.
На рис.
4 представлен график изменения частоты во времени на выходе передатчика, полученный путем схемного моделирования работы передающего устройства.
При этом по данным моделирования пиковое отклонение частоты от линейной зависимости составляет 121 Гц (среднеквадратичное значение - 51 Гц), что составляет 0,0001% и на несколько порядков ниже заданного предела (0,1%).
Рис.
3 – Функциональная схема разработанного передатчика 
Рис.
4 – Изменение частоты выходного сигнала передатчика во времени.
Рис.
5 – Фазовый шум передающего устройства на несущей частоте 1100 МГц при расстройке (1-10000) кГц На рисунке 5 показан график фазового шума передающего устройства, полученный методом моделирования для несущей частоты 1100 МГц, со сдвигом от несущей (1-10000) кГц.
Ээкспериментальная проверка работы передающего устройства
Для оценки разработанного передатчика была собрана экспериментальная установка, имитирующая георадарную станцию, в которой нет антенн, а выход передатчика подключен к разветвителю, который через аттенюатор подключен к смесителю кабелем RG405 длиной 1 м.длинный (рис.
6).
Рис.
6 – Экспериментальная схема оценки качества сигнала, генерируемого передатчиком В качестве фильтра нижних частот и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) используется звуковая карта с соотношением сигнал/шум 100 дБ и частотой дискретизации 48 кГц.
На один из входов звуковой карты подавался сигнал синхронизации с передатчика, на другой - сигнал с выхода микшера.
Обработка сигнала осуществлялась в пакете GnuRadio. После получения сигнала синхронизации формируется пакет длительностью 320 отсчетов (48 кГц*6,67 мс), осуществляется взвешивание окна функцией Хеннинга, пакет дополняется таким же количеством нулей для интерполяции, затем Фурье преобразование выполняется и отображается результат. 
Рис.
7 – Спектр сигнала, соответствующий задержке в кабеле длиной 1 м.
На рис.
7 показан измеренный спектр сигнала, содержащий частоты биений.
Максимальное положение точно соответствует задержке, соответствующей длине кабеля с учетом коэффициента укорочения.
Из рисунка 7 следует, что динамический диапазон, обеспечиваемый передатчиком, составляет 100 дБ.
Следует отметить, что динамический диапазон георадара может отличаться от указанных 100 дБ.
Таким образом, для увеличения динамического диапазона в георадаре можно использовать усреднение, автоматическую регулировку усиления (в случае FMCW радара - фильтр с наклонной АЧХ), когерентное накопление и т.п.
В то же время из-за утечки мощности от передающей антенны к приемной снижается чувствительность приемника, что приводит к уменьшению динамического диапазона.
По результатам моделирования и результатам экспериментальных испытаний можно сделать вывод, что основные заданные требования к передатчику выполнены.
Лабораторные испытания георадара с разработанным передатчиком также показали, что основные заданные требования выполнены.
Разработанный передатчик имеет размеры 100х100х25 мм.
3 , вес – 0,2 кг, стоимость электронных компонентов не превышает 30 тысяч рублей, включая печатные платы.
Достигнутые характеристики, вероятно, могут обеспечить GPR FMCW конкурентное преимущество и сделать инструменты более доступными.
Заключение
Описываемая работа выполнялась автором самостоятельно в течение 1,5 лет в качестве радиолюбительского хобби.Некоторая информация пока не разглашается в надежде на коммерческую реализацию разработанного георадара.
Буду признателен за конструктивную критику и ценные комментарии.
Пишу для Хабра впервые, прошу понять и простить меня за недостатки в оформлении.
Библиография
- диджей Дэниелс, Георадар, 2 nd версия.
Институт инженеров-электриков.
Лондон.
2004. 752 с.
- Ф.
Паррини и др.
др.
, «ORFEUS GPR: радар CWSF с очень широкой полосой пропускания и высоким динамическим диапазоном» // Материалы 13-й Международной конференции по георадиолокации, Лечче.
Италия.
2010. стр.
1-5.
- Хамран и др.
, «RIMFAX: георадар для миссии марсохода Марс 2020» // 2015 8 й Международный семинар по усовершенствованным георадарам (IWAGPR).
Флоренция.
Италия.
2015. стр.
1-4.
- М.
Пьераччини, «Сравнение шумовых характеристик между непрерывным и стробоскопическим импульсным георадаром», IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. том.
15, нет. 2. февраль 2018 г.
стр.
222-226.
-
Программа Лояльности
19 Oct, 24 -
Грей, Аса
19 Oct, 24 -
Systemd За Пять Минут
19 Oct, 24 -
Техлид - Уходи
19 Oct, 24 -
Выпущен Linux Mint 9 Lxde
19 Oct, 24 -
Живой Концерт Хацунэ Мику
19 Oct, 24
