引言
探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）因无损探测、便捷快速、分辨率高等优势，目前已成为地下勘探的重要手段之一[1-4]。在GPR应用中，为了获得更高的距离分辨率，往往要求发射信号具有更大的带宽[5]。在较宽频带要求下，传统的冲激体制GPR需要发射很窄的脉冲信号，但这样的信号很难实现较高的发射功率，在高分辨率应用中往往效果不佳[6]。步进频率体制GPR通过合成带宽的方式能更好地适应高分辨率大带宽的探测需求[5,7]。
早在20世纪70年代步进频率信号就已被研究[8]，后来得益于矢量网络分析仪的应用，步进频GPR技术得以快速发展。广州大学刘海与日本东北大学佐藤源之教授合作，基于VNA搭建了阵列式步进频GPR系统，成功检测了分层介质中的薄层缝隙[9]。中国科学院空天信息创新研究院的张经纬，基于矢量网络分析仪搭建了步进频GPR，提出了步进频GPR建模方法和天线补偿方法，实现了公路薄层检测[10]。直到现在，很多关于步进频GPR的研究依然是用矢量网络分析仪搭建系统[11-15]。但矢量网络分析仪毕竟不是专用于步进频GPR的，它成本高、体积大，在实际应用场景中往往有诸多不便。研究和设计步进频GPR硬件系统对于该技术的发展和应用具有重要意义。
查阅近5年文献，发现关于步进频GPR的研究几乎都是信号处理等方面，很难看到硬件系统设计方面的成果[16-19]，而以前的硬件系统渐渐难以满足现代化的要求。中科院空天院的屈乐乐用直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）开发了一款小型化步进频GPR系统[20]，但受限于DDS工作频率只有30~180 MHz，较低的带宽使得分辨率只有米级。意大利佛罗伦萨大学采用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的方式设计了步进频率雷达[21]，但其系统主体都采用了模拟电路，所以庞大笨重，结构复杂，使用不方便。中科院空天院的刘晓飞利用DDS、PLL和混频器设计了输出频率为0.5~2.5 GHz的步进频GPR收发机[22]，但其采用复杂的混合频率合成方式，不仅电路结构繁杂，且难以满足信号的相位要求，甚至可能导致最后无法脉冲压缩成像。
为了满足现代GPR高分辨率、小体积、低成本、稳定可靠和使用灵活的多重要求，本文设计了一套新型的高分辨率步进频GPR硬件系统，其不仅工作频带为0.5~3.5 GHz，可实现优于5 cm的高分辨率，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。
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作者信息：
王光宇1，2，3，沈绍祥1，2，樊鹏杰1，2，3，李彬彬1，2，3，刘小军1，2
（1.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；
2.中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室，北京 100190；
3.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049）
