探地雷达超宽带高斯脉冲信号源的设计

脉冲源作为探地雷达的核心部件,其高功率和超宽频带可保证探测距离和探测分辨率,波形的光滑性与稳定性同时也影响着目标成像质量。选用雪崩三极管组成Marx电路输出单极性脉冲,采取措施优化波形中的不光滑部分,精确计算传输线延迟时间,信号反向叠加形成双极性脉冲,设计梳状PCB形式有利于脉冲源的小型化。测量结果表明：脉冲波形平滑对称,正负峰间脉宽为1.64 ns,幅度为812 V(50 负载),拖尾振荡低于总体幅值的10%,和仿真结果吻合较好,符合探地雷达的需求。     

探地雷达高功率高稳定度脉冲源设计

 对于探地雷达,脉冲源的功率和稳定度直接影响其作用距离和探测精度,对目标成像时进行相干积累有着重要意义。采用雪崩三极管设计的全固态脉冲源具有很高的稳定度指标,但输出功率较低,使用Marx电路可以提高其输出峰值电压幅度。梳状PCB(印刷电路板)电路是一种结构紧凑具有自相似性的电路形式,有利于进一步提高脉冲源的稳定度指标,也有利于脉冲源的小型化设计。根据某探地雷达要求,采用梳状PCB电路形式,实现了12级Marx电路的脉冲源,采用欠电荷法对脉冲波形进行了优化设计,其输出峰值电压大于400 V(50 Ω负载),脉冲宽度为600 ps,重复频率大于25 kHz;并且具有良好的时基稳定度和波形稳定度,脉冲宽带抖动小于1%,峰值抖动小于1%。     

基于漂移阶跃恢复二极管的超宽带探地雷达发射技术

在概述高功率半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的性能特点、工作原理的基础上,详细阐述了其快恢复物理特性的机理,并论证了快恢复过程需满足的条件.结合DSRD快速关断特性与电容电感储能特性,通过复杂可编程逻辑器件产生外触发时序控制信号,设计了一款质量轻(小于1.5 kg)、体积小(13 cm×9 cm×8 cm )、性能稳定可靠(抖动小于1%)的高压窄脉冲超宽带雷达发射机.实验结果表明,单管电路所产生的脉冲幅度可达1 kV,半脉宽小于10 ns,重复频率高于10 kHz,可应用于超宽带无载波脉冲探地雷达系统中.     

亚纳秒重频脉冲信号源设计与实验

亚纳秒前沿、数百伏幅度、近似高斯单周波的重频窄脉冲信号源在超宽带探测、电磁兼容测试等领域有着十分广泛的应用。设计了一种全固态Marx电路结构型重频脉冲信号源,选用云母电容、雪崩三极管、贴片电阻、电感等元器件,根据信号输出要求优化印制电路板（PCB）布局及微带线结构,调整匹配电路元件参数,在50Ω电阻负载上获得了脉冲峰值约1 kV、脉宽约650 ps、前沿约450 ps、后沿约700 ps的单极性负脉冲信号,脉冲波形前后沿相似且光滑陡峭,实现了10 kHz重频输出,波形峰值抖动和半高宽抖动均小于10%。     

基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术

采用Marx电路提高雪崩管脉冲源输出脉冲幅度,分析基于雪崩管Marx电路脉冲源的时基稳定度和波形稳定度的影响因素。采用适当的优化措施提高稳定度指标,设计了高稳定度的雪崩管脉冲源,脉冲峰值电压2 000 V(50Ω负载),脉冲全底宽度5 ns,上升时间400 ps,重复频率达到25 kHz,具有很高的稳定度指标:短时抖动小于30 ps,长时漂移小于100 ps/min,峰值电压和脉冲宽度抖动小于1%。     

基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术

采用Marx电路提高雪崩管脉冲源输出脉冲幅度,分析基于雪崩管Marx电路脉冲源的时基稳定度和波形稳定度的影响因素。采用适当的优化措施提高稳定度指标,设计了高稳定度的雪崩管脉冲源,脉冲峰值电压2 000 V(50 Ω负载),脉冲全底宽度5 ns,上升时间400 ps,重复频率达到25 kHz,具有很高的稳定度指标：短时抖动小于30 ps,长时漂移小于100 ps/min,峰值电压和脉冲宽度抖动小于1 %。     

适用于探地雷达应用的低振铃单周期脉冲发生器

设计了一种新型的适用于道路检测探地雷达的单周期脉冲发生器。该脉冲发生器包含驱动电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和脉冲整形电路三部分。驱动电路可以使TTL形式的触发脉冲变为电流更大的快前沿脉冲,用来形成给后级电路的驱动脉冲;SRD脉冲产生电路选取渡越时间较小的阶跃恢复二极管结构,通过对前级电路产生的驱动脉冲整形得到负极性高斯脉冲,然后利用微带短路线、肖特基二极管和电容并联实现生成单周期脉冲和振铃抑制的功能,提高超宽带天线辐射的效率以及测量信噪比。测量结果表明,在1 MHz脉冲重复频率的情况下,峰峰值最大为23 V,脉冲半高宽为138 ps,振铃水平为1.25%,而当脉冲重复频率提高到5 MHz,该脉冲发生器产生脉冲波形幅度和带宽基本没有太大变化。这些特征说明,该脉冲发生器具有很高的频率稳定性,且在高分辨率探测应用情景中将会有很好的表现。     

适用于探地雷达应用的低振铃单周期脉冲发生器

设计了一种新型的适用于道路检测探地雷达的单周期脉冲发生器。该脉冲发生器包含驱动电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和脉冲整形电路三部分。驱动电路可以使TTL形式的触发脉冲变为电流更大的快前沿脉冲,用来形成给后级电路的驱动脉冲;SRD脉冲产生电路选取渡越时间较小的阶跃恢复二极管结构,通过对前级电路产生的驱动脉冲整形得到负极性高斯脉冲,然后利用微带短路线、肖特基二极管和电容并联实现生成单周期脉冲和振铃抑制的功能,提高超宽带天线辐射的效率以及测量信噪比。测量结果表明,在1 MHz脉冲重复频率的情况下,峰峰值最大为23 V,脉冲半高宽为138 ps,振铃水平为1.25%,而当脉冲重复频率提高到5 MHz,该脉冲发生器产生脉冲波形幅度和带宽基本没有太大变化。这些特征说明,该脉冲发生器具有很高的频率稳定性,且在高分辨率探测应用情景中将会有很好的表现。     

高触发信号和功率合成的高峰值功率皮秒脉冲源

对于目标的攻击、干扰和探测,超宽带时域脉冲源的幅值直接影响其攻击、干扰和探测的强度和效果。基于雪崩晶体管的Marx电路被广泛应用在产生此类信号源上,传统的Marx电路可以一定程度上提高输出电压的幅值,但由于雪崩晶体管功率容量较低等原因,雪崩晶体管的Marx电路输出电压幅度会随级数增加而达到饱和。针对此类问题,为了产生更高幅值的脉冲信号,综合采用提高触发信号和使用宽带功率合成器的手段。最终利用26级Marx电路作为触发信号,4路40级Marx电路进行功率合成的方法,实现了输出电压幅值为8.7 kV、上升沿约为180 ps的技术指标,并通过机理分析了高触发信号对雪崩晶体管Marx电路的影响,通过实验得到了印证。     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。     

用于瞬态高功率脉冲辐射的超宽带天线设计

基于Valentine天线的辐射原理,设计出可发射峰值电压610 kV、频谱范围0.2~2 GHz高功率脉冲的超宽带天线。利用油作为绝缘介质过渡巴伦可使天线直接加载于50 Ω的同轴波导上;通过优化填充介质及天线拓扑结构提高了耐压能力及辐射特性。仿真结果表明,设计的天线具有低反射、宽频带、高增益和高耐压强度等优点。     

曲波域统计量自适应阈值探地雷达数据去噪技术

非线性、非平稳探地雷达数据常掺杂各种复杂噪声源,其对精确提取弱反射波信号、识别绕射波双曲线同相轴特征具有严重影响,忽略噪声影响给探地雷达探测数据全波形偏移成像及后续解译造成较大误差.采用传统阈值函数的曲波变换去噪需要根据数据噪声水平人为确定合理阈值控制系数.对此,本文开展自适应阈值函数的曲波变换去噪算法研究.引入块状复数域阈值函数算法,分析传统阈值函数曲波变换去噪的效果随阈值控制系数变化的规律;利用高阶统计量理论,对曲波变换系数在尺度、方向上进行相关性叠加,通过相关性统计量自适应确定有效信号在曲波变换系数分布尺度、旋转方向,由此确定清除噪声成分阈值范围,构建统计量自适应阈值函数曲波变换去噪算法.针对包含随机噪声、相关噪声合成探地雷达数据及实测探地雷达数据,采用传统阈值函数曲波变换去噪与本文提出去噪算法处理结果对比分析,检验了本文算法的有效性及可行性.研究成果对复杂探地雷达数据精确推断解译具有指导意义.     

基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲对地面接收机干扰技术

随着抗干扰技术的不断发展和进步,以阻塞式和欺骗式干扰为代表的传统干扰技术面临挑战。为此,提出了一种基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰技术,相比于传统干扰机,超宽带电磁脉冲干扰是一种新型电磁攻击体制。首先,理论推导了重频超宽带电磁脉冲的功率谱;其次,对分布式干扰技术可行性进行分析,并计算了基于低轨卫星平台的分布式干扰所需的发射功率;最后,开展了针对导航接收机低噪放的超宽带电磁脉冲效应实验,并利用STK(Satellite Tool Kit)设计了中低纬度下用于搭载超宽带电磁脉冲干扰机的低轨卫星星座布局。实验结果表明,UWB电磁脉冲可以使低噪声放大器出现暂时增益压缩现象,脉宽为0.7 ns的单脉冲可以使导航信号经过低噪声放大器后被压制近400 ns,重频形式下可以实现信号的完全压制。因此,基于低轨卫星的分布式超宽带电磁脉冲干扰体系可以有效增强干扰效果,有望实现目标区域的全覆盖。     

车载探地雷达信号在分层介质中的散射特性

建立了多层分层介质散射的物理模型,基于雷达方程和斯涅尔定律给出了多层分层介质散射场强度计算公式.分析研究了分层介质的电特性参数(介电常数和损耗正切)对雷达系统的探测距离和散射场的影响.以安装于探测车上的探地雷达系统为应用背景,利用时域有限差分方法对整个车载探地雷达系统进行了建模和仿真计算,对接收到的散射回波信号进行了研究.最后将系统数值模拟结果和解析计算结果进行了对比,并对结果做出了分析.     

地面目标雷达与红外特性数据库构建

为了对地面目标雷达与红外特性测试的各类数据进行统一规范化管理,使其高效应用,分析各类数据的特性及其处理方式,构建了目标特性数据库管理系统;数据库的整体设计中,在数据头和数据文件方案基础上增加了自动跟随数据表编号的路径生成方法,结合了接口式的运作结构,模块化的数据库功能和层次化的数据表结构设计思路;数据库的编制基于Access数据库管理软件和VC++编程软件,通过ADO数据库访问技术加以实现,详细描述了ADO接口的编程步骤,并对本接口不同指针的入库频率和提取效率进行了对比择优;在运行中,提出了主、副数据库移植性管理方法;工作实践验证了目标特性数据库管理系统的可靠性和高效性,为地面目标特性的测试与分析提供了良好的数据支撑。     

Full three-dimensional imaging via ground penetrating radar: assessment in controlled conditions and on field for archaeological prospecting

This paper deals with an advanced microwave tomographic approach capable of providing full 3D images of buried targets from scattered field data gathered by means of Ground Penetrating Radar (GPR) systems. The approach is based on an approximated model of the scattering phenomenon and it is capable of accounting for the vectorial nature of the interactions occurring between electromagnetic waves and probed materials. Moreover, the Truncated Singular Value Decomposition inversion scheme is exploited to solve the involved linear inverse scattering problem in a stable and accurate way. The advantages offered by the full 3D inversion algorithm with respect to a commonly adopted strategy, which produces 3D images by interpolating 2D reconstructions, are assessed against GPR data gathered in laboratory controlled conditions. Moreover, to provide an example of the full 3D imaging capabilities in on field conditions, we report on a GPR measurement campaign carried out at Grotte dell’Angelo, Pertosa, (SA), Southern Italy, one of the most famous sites of the Cilento and Vallo di Diano geopark.