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Transmissor para FMCW GPR

Olá pessoal! Eu gostaria de compartilhar minha história de desenvolvimento de um transmissor para um radar de radiação contínua chirp com uma largura de banda de sinal de 1000 MHz e uma não linearidade da mudança de frequência de 10 -4 %. Tal transmissor será usado posteriormente no georadar FMCW (Onda Contínua Modulada em Frequência).





A introdução fornece informações breves sobre FMCW GPR e formula (fundamenta) os requisitos para o transmissor, as seções subsequentes descrevem os estágios de desenvolvimento, modelagem e verificação experimental do transmissor. O próprio georadar também foi desenvolvido e está em operação experimental. Se houver um grande interesse no artigo, artigos semelhantes sobre o desenvolvimento de antenas e GPR em geral serão publicados.





Introdução

Os radares de detecção de subsuperfície (georradares) no mercado são, em sua maioria, radares de impulso. Recentemente, no entanto, houve uma série de relatórios [1, 2, 3] sobre o desenvolvimento de georradares usando radiação de sinal contínuo. Ao mesmo tempo, teórica e praticamente, as vantagens dos radares de radiação contínua são mostradas [1, 4]:





  1. a faixa dinâmica de um georadar com radiação contínua é mais de 20 dB maior do que a faixa dinâmica de análogos de impulso (todas as outras coisas sendo iguais). Na prática, isso pode significar um aumento na profundidade de detecção em 3 vezes para alvos pontuais e 4-5 vezes para alvos lineares estendidos;





  2. No GPR com radiação contínua, é possível utilizar vários tipos de antenas (não apenas dipolos ou gravata borboleta), inclusive antenas blindadas de alto ganho, com polarização circular (por exemplo, a espiral de Arquimedes). O uso de uma antena blindada do tipo espiral de Arquimedes permite que a radiação seja concentrada estritamente para baixo (em direção ao solo), a ausência de lóbulos laterais e traseiros reduz a suscetibilidade do GPR à presença de árvores, cercas de metal e outros objetos "interferentes" . É importante notar aqui que em conjunto com algumas antenas é necessário aplicar a deconvolução para aumentar a resolução de profundidade (devido ao toque da antena), sacrificando a relação sinal-ruído.





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





() .





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





FIG. 1 - Diagrama funcional do 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].





FIG. 2 - Frequências de batida com não linearidade da frequência do transmissor de 0% e 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%).





FIG. 3 - Diagrama funcional do transmissor desenvolvido
. 3 –
FIG. 4 - Mudando a frequência do sinal de saída do transmissor no tempo
. 4 –
FIG. 5 - Ruído de fase do transmissor em uma frequência portadora de 1100 MHz em um deslocamento (1-10000) kHz
. 5 – 1100 (1-10000)

5 , 1100 , (1-10000).





, , , , RG405 1 ( 6).





FIG. 6 - Diagrama do experimento para avaliação da qualidade do sinal gerado pelo transmissor
. 6 – ,

- () - 100 48 . , – . GnuRadio.





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





FIG. 7 - Espectro de sinal correspondente ao atraso em um comprimento de cabo 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: A GPR para a Mars 2020 missão Rover» // 2015 8 º Workshop Internacional sobre penetrante Avançada terra Radar (IWAGPR). Florença. Itália. 2015. pp. 1-4.





  4. M. Pieraccini, "Comparação de desempenho de ruído entre Onda Contínua e Radar de Penetração de Terra de Pulso Estroboscópico" // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. vol. 15, não. 2 de fevereiro 2018. pp. 222-226.







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