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Émetteur pour FMCW GPR

Bonjour à tous! Je voudrais partager mon histoire de développement d'un émetteur pour un radar à rayonnement continu chirp avec une largeur de bande de signal de 1000 MHz et une non-linéarité du changement de fréquence de 10 -4 %. Un tel émetteur sera plus tard utilisé dans le georadar FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave).





L'introduction fournit de brĂšves informations sur le FMCW GPR et formule (justifie) les exigences pour l'Ă©metteur, les sections suivantes dĂ©crivent les Ă©tapes de dĂ©veloppement, de modĂ©lisation et de vĂ©rification expĂ©rimentale de l'Ă©metteur. Le georadar lui-mĂȘme a Ă©galement Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ© et fait l'objet d'un essai de fonctionnement. S'il y a un vif intĂ©rĂȘt pour l'article, des articles similaires sur le dĂ©veloppement des antennes et du GPR en gĂ©nĂ©ral seront publiĂ©s.





introduction

Les radars de dĂ©tection souterraine (gĂ©oradars) sur le marchĂ© sont pour la plupart des radars Ă  impulsions. RĂ©cemment, cependant, il y a eu un certain nombre de rapports [1, 2, 3] sur le dĂ©veloppement de gĂ©oradars utilisant un rayonnement de signal continu. Dans le mĂȘme temps, Ă  la fois thĂ©oriquement et pratiquement, les avantages des radars Ă  rayonnement continu sont prĂ©sentĂ©s [1, 4]:





  1. la plage dynamique d'un géoradar à rayonnement continu est supérieure de plus de 20 dB à la plage dynamique des analogues d'impulsions (toutes choses étant égales par ailleurs). En pratique, cela peut signifier une augmentation de la profondeur de détection de 3 fois pour les cibles ponctuelles et de 4 à 5 fois pour les cibles linéaires étendues;





  2. En GPR Ă  rayonnement continu, il est possible d'utiliser diffĂ©rents types d'antennes (pas seulement des dipĂŽles ou un nƓud papillon), y compris des antennes blindĂ©es Ă  gain Ă©levĂ©, Ă  polarisation circulaire (par exemple, la spirale d'ArchimĂšde). L'utilisation d'une antenne blindĂ©e de type spirale d'ArchimĂšde permet de concentrer le rayonnement strictement vers le bas (vers le sol), l'absence de lobes latĂ©raux et arriĂšre rĂ©duit la sensibilitĂ© du GPR Ă  la prĂ©sence d'arbres, de clĂŽtures mĂ©talliques et autres objets "interfĂ©rents" . Il convient de noter ici qu'en conjonction avec certaines antennes, il est nĂ©cessaire d'appliquer la dĂ©convolution pour augmenter la rĂ©solution en profondeur (en raison de la sonnerie de l'antenne), sacrifiant le rapport signal sur bruit.





  3. ( ), (, ). . , . FMCW , .





() .





FMCW FMCW (. 1). , . , . , ( ). , .   .





Figure. 1 - Schéma fonctionnel du radar chirp FMCW
. 1 – FMCW

FMCW ( , ). — FMCW , . 





, FMCW .





, , . , , . , FMCW RIMFAX Perseverance (150-1200) 10 [3]. Orfeus [2] (100-1000) ( ) 0,521,042.





RIMFAX, ORFEUS 1000 . 5 ( 9).





, , (100-1100).





FMCW , . 2 , 0% 0,5 %. . , 0,1 % [1].





Figure. 2 - Fréquences de battement avec non-linéarité de fréquence d'émetteur de 0% et 0,5%
. 2 – 0% 0,5%

, :





  1. – ;





  2. – (100-1100)





  3. – 0,1 %;





  4. 100 ( );





  5. – 10;





  6. – ;





  7. — 400 — 500;





  8. , , , , , ;





  9. — .





( 3) () . , , , , (), . F F , F>F>1100, (F-F)=1000. . ,  6,67 (150 ), (10-4-10-1).





, , , , , . , , ( ) :





(1-1001);





(10-1010);





(100-1100)  — ;





(1000-2000);





(2000-3000).





4   , . , 121 ( – 51 ), 0,0001% (0,1%).





Figure. 3 - Schéma fonctionnel de l'émetteur développé
. 3 –
Figure. 4 - Modification de la fréquence du signal de sortie de l'émetteur dans le temps
. 4 –
Figure. 5 - Bruit de phase de l'émetteur à une fréquence porteuse de 1100 MHz à un décalage (1-10000) kHz
. 5 – 1100 (1-10000)

5 , 1100 , (1-10000).





, , , , RG405 1 ( 6).





Figure. 6 - Schéma de l'expérience pour évaluer la qualité du signal généré par l'émetteur
. 6 – ,

- () - 100 48 . , – . GnuRadio.





320 (48*6,67), , , .





Figure. 7 - Spectre du signal correspondant au retard dans une longueur de cĂąble de 1 m
. 7 – , 1

7 , . , . 





7 , , , 100 . , 100 . , , ( FMCW — ), . - , , .





, . .





10010025 3, – 0,2, 30 . ., . , , FMCW , .





1,5 . . . , .





  1. D.J. Daniels, Ground penetrating radar, 2nd edition. The Institution of Electrical Engineers. London. 2004. 752 p.





  2. F. Parrini et. al., «ORFEUS GPR: a very large bandwidth and high dynamic range CWSF radar»//Proceedings of the 13 International Conference on Ground Penetrating Radar, Lecce. Italy. 2010. pp. 1-5.





  3. Hamran et al, «RIMFAX: Un GPR pour la mission de rover Mars 2020» // 2015 8 Úme Atelier International sur le Radar Pénétrant Avancé au Sol (IWAGPR). Florence. Italie. 2015, p. 1-4.





  4. M. Pieraccini, "Comparaison des performances de bruit entre les ondes continues et le radar stroboscopique à pénétration de sol par impulsions" // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. vol. 15, non. 2. févr. 2018, p. 222-226.







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