引言
探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）作为一种利用电磁波进行无损探测的装置，被广泛应用于工程检测、环境保护、文物考古、灾害救援、反恐安检、资源勘探、水文水利等领域中，将探地雷达技术应用于道路实际路况检测当中，能够更好地探查到道路路基、路面以及路网结构等方面存在的问题，为道路路面养护提供实时、精准的数据参考，有利于进一步提高道路的使用寿命[1]。从探地雷达所收发的电磁波信号分类来说，目前大多为脉冲信号体制的探地雷达，其波形稳定性相对不足，难以满足精细化探测需要；相比于脉冲式探地雷达，超宽带步进频雷达具备回波信息量大、探测分辨率高、信号稳定性强等优势，将其用于地下目标结构三维重建，将有望降低地下目标定位误差，提升地下目标三维结构的重建准确性[2-3]。
文献[4]中借助GNU Radio软件无线电平台来构建频率步进信号探地雷达，对雷达的信号体制、系统软件架构和数据处理方法进行了设计，并对其设计进行了仿真验证，验证结果表明，对于步进频信号体制而言，测试条件以及频率步进量相同的情况下，频率步进数越多，即信号的带宽越大，则步进扫频信号的距离分辨率越高。文献[5]设计了双锁相环发射机和数字固定中频结构接收机，实现了一套新型的高分辨率步进频GPR硬件系统。其实验的结果表明该系统分辨率优于5 cm，探测深度至少2.5 m，且电路结构简洁，成本低，体积小，重量轻，还支持系统多参数灵活调节以提高性能，满足多种场景的应用需求。文献[6]中通过Xilinx平台的FPGA核心控制器搭载国产射频板卡CX8242，采用快速跳频技术产生了合成带宽有1.8 GHz，起始步进频率为200 MHz，频率步进量为2 MHz的步进频信号，其系统可以实现高分辨的一维测距功能。文献[7]利用直接数字频率合成器(DDS)产生了带宽2 GHz，频率间隔5 MHz、脉冲间隔2 s的超宽带、快扫描的频率步进基带信号设计。文献[8]通过矢量网络分析仪实现了对单发单收探地雷达系统进行扩展，组建了可实现信号多通道发射和多通道接收的步进频率探地雷达系统，并验证了其可靠性。文献[9]通过射频片上芯片系统实现了射频前端微系统，提供了有效的射频前端一体化方案，并验证了其功能的优越性。
根据上述文献总结可知，近年步进频探地雷达相关的研究主要在软件算法仿真设计、硬件集成国产化与低成本化、超宽带信号生成与多维扩展等方面。基于现有研究的技术演进趋势，本文提出一种新型基于射频片上芯片的步进频探地雷达阵列系统，该系统的硬件平台是RFSoC-47DR数模混合信号处理板卡，在此硬件平台上设计有时钟链路、收发逻辑控制链路、射频开关控制链路、高速存储数据链路等模块，本系统的阵列天线由23个同类型超宽带天线设计为11发12收的结构组成，通过板卡的IO口输出给对应射频开关模块进行收发控制切换，从而完成系统对所有天线的发射和接收。该系统设计可为三维探地雷达提供硬件实施方案与上位机地下三维建模效率提供有效的数据支撑。
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作者信息：
刘嘉宇1，谢跃雷1，2，刘庆华1
（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；
2.南宁桂电电子科技研究院有限公司，广西 桂林 541004）
