[发明专利]基于FPGA的探地雷达下位机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及探地雷达控制领域，具体涉及一种基于FPGA的探地雷达下位机控制系统。

背景技术

探地雷达（GPR）是一种探测地表下结构或埋藏物的无损探测仪器。它利用电磁波对地表的穿透能力，从地表向下发射特定形式的电磁波，通过接收地下介质散射回波信号，根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，定量测量目标的深度、介质结构及性质，在数据处理的基础上，应用数字图象的恢复与重建技术，对地下目标进行成像处理，以期达到对地下目标的真实和直观的再现。

典型的冲击脉冲探地雷达系统由上位机与下位机组成，上位机负责数据处理及雷达成像，下位机负责雷达信号发射接收及数据传输。下位机系统由主控制单元、发射机、接收机、数据传输单元等几部分组成，目前探地雷达大多是以CPU或MCU等处理器作为主控制单元，完成雷达从发射脉冲到数据的采集、传输等功能。如中国专利申请CN99200610.4（公开号CN2365679）公开了一种一体化成像探地雷达，包括汽车、发射天线、接收天线、计算机、雷达主机、电源，其中雷达主机由发射源、接收机、放大器、信号处理与控制电路、彩色显示器和输入输出插座组成，其特征在于还设置有卫星定位接收装置和测距轮。雷达主机中的信号处理与控制电路由CPU板、硬盘、I/0板、A/D及D/A板、XY轴量程选择板、VJA板、键盘和键盘译码器等构成，即雷达下位机使用计算机中的CPU作为核心处理器，配合外围硬件实现探地雷达的探测功能。

中国专利申请CN201010195736.0（公开号 CN101872018A）公开了一种无线探地雷达系统，包括无线数据采集子系统和探地雷达前端子系统。其中探地雷达前端子系统包括电池、电源稳压器、以太网控制器、ARM控制器、数字信号处理器、模数转换器、数字控制器、时序系统、发射机、发射天线、接收天线和接收机，即该探地雷达下位机由MCU构成的ARM控制器作为系统的主控制单元，实现雷达各部分功能的协调与控制。

现有探地雷达下位机系统采用处理器作为系统主控制器，通过软件程序控制雷达的工作过程，编程及调试简洁方便，开发周期短，但处理器的并行计算能力有限，不同情况下执行不同的指令或响应中断会带来额外的时间开销，难以实现时序的完全同步和时间上的精确控制。

发明内容

为了解决现有技术无法实现精确控制探地雷达工作时序的问题，本发明提出一种基于FPGA的探地雷达下位机控制系统，该系统以FPGA作为主控制单元，控制发射机、接收机与数据通信各部分协调工作，保证雷达系统各部分的同步运行。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于FPGA的探地雷达下位机控制系统，包括数据通信单元、FPGA主控制单元、发射机脉冲控制单元、数据采样控制单元和采样数据接收单元，数据通信单元通过串行485总线与探地雷达的上位机进行串行通信，并通过并行方式与FPGA主控制单元的IO端口相连；FPGA主控制单元通过IO端口分别与发射机脉冲控制单元、数据采样控制单元、采样数据接收单元进行电气连接，FPGA主控制单元通过协调各单元的工作状态，完成雷达信号的发射与数据采集工作；发射机脉冲控制单元与探地雷达的发射机相连，其负责将发射脉冲的控制信号缓冲并传递给发射机，控制发射机电路产生大功率窄脉冲；数据采样控制单元与探地雷达的采样电路相连，其负责产生不同延时的采样控制信号，控制采样电路产生采样脉冲；采样数据接收单元与探地雷达的接收机的前置放大电路相连，其负责将模拟信号转换为数字信号并传递给FPGA主控制单元。

本发明的有益效果是：该系统以FPGA为主控制单元，并行计算能力强，能够实现雷达工作时序的精确控制；系统结构简单，易于实现，成本低。该系统可用于探测地下介质的介电特性、土壤含水率等，可广泛服务于农业、地理与地质勘查等领域。

附图说明

图1 是本发明基于FPGA的探地雷达控制系统的整体结构框图；

图中：1、上位机，2、数据通信单元，3、FPGA主控制单元，4、发射机脉冲控制单元，5、数据采集控制单元，6、采样数据接收单元，7、慢斜波产生电路，8、采样信号产生电路，9、快斜波产生电路，10、发射机，11、采样电路，12、前置放大电路；

图2 是本发明中的FPGA I/O管脚配置电路原理图，图中U1为FPGA芯片；

图3是本发明中的FPGA工作模式配置电路原理图，图中U1为FPGA芯片，U2为FPGA配置用PROM，Y1为FPGA外部晶振，JP1为JTAG总线配置文件下载接口；