1 引 言
探地雷達(dá)( ground penetrating radar,，GPR)是一種新型的電磁探測(cè)設(shè)備,，它具有快速、簡(jiǎn)便的對(duì)淺層目標(biāo)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探測(cè)的特點(diǎn),，也是目前分辨率,、效率最高的地下目標(biāo)探測(cè)設(shè)備之一，因此被廣泛的應(yīng)用于城建,、交通,、地質(zhì)、考古,、國(guó)防等部門,。在探地雷達(dá)的應(yīng)用中，能否準(zhǔn)確,、高效地采集數(shù)據(jù)是探地雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)用性和可靠性的判據(jù)之一,。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到探測(cè)目標(biāo)的準(zhǔn)確性和雷達(dá)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理工作;采集數(shù)據(jù)的速度關(guān)系到系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。所以,，當(dāng)雷達(dá)設(shè)備將采集數(shù)據(jù)傳回主機(jī)時(shí)，就需要選擇一種接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,、高速的傳輸,。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口在低速時(shí)常采用標(biāo)準(zhǔn)串行口或并行口，高速時(shí)一般采用PCI總線接口,。它們存在如下缺點(diǎn):雖然標(biāo)準(zhǔn)串行口或并行口應(yīng)用開發(fā)比較簡(jiǎn)單,，但是數(shù)據(jù)傳輸速率較低;PCI總線盡管數(shù)據(jù)傳輸速率比較快，但是硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)難度較大,，PC I卡的尺寸面積限制了I/O接口的擴(kuò)展;同時(shí),，這三者都不支持即插即用的功能。而USB接口規(guī)范1. 1中的12Mbp s的傳輸速率已經(jīng)可以滿足探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用需求,，其接口簡(jiǎn)單,、便攜,，支持即插即用的優(yōu)點(diǎn)又在很大程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)備，提高了雷達(dá)設(shè)備的可移動(dòng)性,。正是基于USB接口的這些優(yōu)點(diǎn),，設(shè)計(jì)了基于USB接口的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并開發(fā)了配套的應(yīng)用軟件,，實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集,、傳輸和實(shí)時(shí)顯示。
2 系統(tǒng)組成與工作原理
2. 1 系統(tǒng)組成
探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩部分組成:計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡,。計(jì)算機(jī)作為采集系統(tǒng)的主控設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理等功能;數(shù)據(jù)采集卡由模擬信號(hào)放大器、數(shù)控濾波器,、時(shí)控增益放大器,、高精度AD變換電路、F IFO,、FT245 USB接口電路和時(shí)序控制電路組成,，主要完成對(duì)取樣電路輸出信號(hào)的放大、濾波,、采集等任務(wù),，并將采集數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存中，供計(jì)算機(jī)處理和實(shí)時(shí)顯示,。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用F IFO 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳送通道，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件電路和控制時(shí)序,。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí),，控制邏輯還將存儲(chǔ)在RAM中的增益曲線數(shù)據(jù)周期性的送入DAC中，以實(shí)現(xiàn)時(shí)控增益放大,。在數(shù)據(jù)采集卡中還設(shè)計(jì)了一個(gè)RS - 232 控制器,，用于接收外部定位裝置發(fā)送的定位信息。在探地雷達(dá)進(jìn)行移動(dòng)探測(cè)時(shí),，這個(gè)定位信息用于標(biāo)示目標(biāo)的地理位置,。
圖1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖
2. 2 工作原理
探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作時(shí)，首先通過打開計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件將雷達(dá)設(shè)備啟動(dòng),，然后將工作參數(shù)傳送給數(shù)據(jù)采集卡,，完成對(duì)雷達(dá)各項(xiàng)參數(shù)的控制。
命令被響應(yīng)后,，雷達(dá)開始正常工作,。采集卡將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集控制和傳輸控制后傳送給計(jì)算機(jī)。
數(shù)據(jù)采集控制:數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)主機(jī)設(shè)置的參數(shù)采集雷達(dá)信號(hào)。首先將模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,，預(yù)處理包括濾波處理和增益控制等,，以去除模擬信號(hào)中的噪聲，使模擬信號(hào)的幅度適于進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換,。
然后進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換,，對(duì)模擬信號(hào)采樣，得到數(shù)字信號(hào),。數(shù)據(jù)采集卡在接收探地雷達(dá)傳來的模擬視頻信號(hào)的同時(shí),，還接收幀同步信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)換得到的A - scan (A - scan:探地雷達(dá)在一個(gè)測(cè)量位置探測(cè)獲取的一維時(shí)域波形圖)數(shù)據(jù)與幀同步數(shù)據(jù)混合,，然后存入FIFO,。
數(shù)據(jù)傳輸控制:計(jì)算機(jī)通過USB接口對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行訪問，并讀取F IFO 中的數(shù)據(jù),。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的訪問是通過查詢方式完成的,。數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置的F IFO容量設(shè)計(jì)為32K ×9bit，如果計(jì)算機(jī)沒有及時(shí)讀走FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù),，F(xiàn) IFO就會(huì)出現(xiàn)溢出錯(cuò)誤,。所以查詢的時(shí)間間隔要滿足在該間隔內(nèi)采集的數(shù)據(jù)不能大于F IFO的容量;另一方面，查詢間隔太短,，會(huì)加大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),，影響計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的速度，所以要選取適當(dāng)?shù)牟樵冮g隔,。以數(shù)據(jù)采集卡的最快采集速度為例進(jìn)行計(jì)算: 每個(gè)scan的采樣點(diǎn)數(shù)為1024,，采樣速率為512 scan / s，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2字節(jié),。這樣在1 s內(nèi)采集數(shù)據(jù)的大小為1024 ×2B ×512 = 1MB,。在這樣的采樣率下，經(jīng)32ms采集的數(shù)據(jù)就可將F IFO 裝滿,，考慮到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖璧K,，將查詢間隔設(shè)為20ms。此時(shí)既可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，又可?jié)約計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源,。
3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3. 1 硬件設(shè)計(jì)
與一般的通用數(shù)據(jù)采集卡不同，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡不僅要完成數(shù)據(jù)的采集,，還需要根據(jù)探地雷達(dá)信號(hào)的特點(diǎn),，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理工作,。
由于探測(cè)越深的目標(biāo),，探地雷達(dá)接收的回波信號(hào)越小。為了提高對(duì)深層目標(biāo)的分辨率，要采用時(shí)控增益放大器對(duì)取樣電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放大,。對(duì)淺層目標(biāo)反射的較強(qiáng)的回波信號(hào),，放大器具有較小的增益;對(duì)深層目標(biāo)反射的較弱的回波信號(hào)，放大器具有較大的增益,。由于探地雷達(dá)對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)掃描,，所以放大器的增益曲線是與掃描頻率同步的周期信號(hào)，也就是時(shí)間的函數(shù),，所以稱為時(shí)控增益放大器,。時(shí)控增益放大器的增益曲線通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以為任意的曲線,。這樣就給使用者帶來了很大的靈活性,，實(shí)驗(yàn)中可以對(duì)感興趣回波區(qū)域的放大增益進(jìn)行調(diào)節(jié)以使目標(biāo)更加明顯。時(shí)控增益放大器由壓控增益放大器,、DAC和FPGA內(nèi)部的RAM及控制電路組成,。
由于不同的采樣點(diǎn)數(shù)和掃描速度使得探地雷達(dá)接收機(jī)輸出信號(hào)的有效帶寬不同，為了提高信噪比,，設(shè)計(jì)了模擬可控低通濾波以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同帶寬信號(hào)的低通濾波,。該部分采用集成的開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)，同時(shí)在FPGA中設(shè)計(jì)控制電路對(duì)該濾波器進(jìn)行控制,。最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)截止頻率為0. 1 - 50KHz可變,、8階巴特沃思低通濾波器。
在USB芯片的選取上,，選擇了FTD I公司推出的FT245BM芯片,。該芯片功能強(qiáng)大，傳輸速率快,，能夠?qū)崿F(xiàn)USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,，并支持USB1. 1 及USB2. 0 規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1MB /S,。不論從芯片本身的功能,，還是從系統(tǒng)開發(fā)的角度出發(fā)，該芯片都是探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)的理想選擇,。FT245BM片內(nèi)128 字節(jié)的接收F IFO和384字節(jié)的發(fā)送F IFO使得芯片可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)吞吐,。當(dāng)USB 外設(shè)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，只需在芯片發(fā)送器的狀態(tài)位為空時(shí)向設(shè)備寫入一個(gè)字節(jié)寬度即可,。如果發(fā)送FIFO 已滿,，設(shè)備將發(fā)送器的狀態(tài)位設(shè)置為滿以禁止數(shù)據(jù)寫入，直到F IFO中有部分?jǐn)?shù)據(jù)通過USB接口傳輸出去,。當(dāng)主機(jī)通過USB向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),，設(shè)備將首先判斷芯片接收器的狀態(tài)位是否為滿以確定是否可以接收數(shù)據(jù),，然后外設(shè)從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)直到接收器的狀態(tài)位為滿，表明已沒有可以讀取的數(shù)據(jù),。
3. 2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
W indows系統(tǒng)下的USB驅(qū)動(dòng)包括三層,，從高到低依次是:USB客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)(USB Client DeviceDriver) 、USB總線驅(qū)動(dòng)(USB Hub (Bus) Driver) ,、主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)(Host ControllerDriver),。后兩者由Windows系統(tǒng)提供，用戶只需要開發(fā)USB 客戶端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,，F(xiàn)TD I公司提供了一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序(General Purpose Driver) ,，即FTD2XX. SYS。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性和可移植性,，可以將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序( FTD2XX. SYS)進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)封裝,，得到動(dòng)態(tài)鏈接庫FTD2XX. DLL，從而可以通過動(dòng)態(tài)鏈接庫直接訪問驅(qū)動(dòng)程序,。驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接庫對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的訪問，首先調(diào)用FTD I公司提供的接口函數(shù)FT_Open ( )打開設(shè)備并獲得驅(qū)動(dòng)程序的句柄,，然后調(diào)用FT_GetStatus ( )獲得設(shè)備接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度,、傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，從而通過驅(qū)動(dòng)程序得到設(shè)備輸出緩沖區(qū)的信息,。進(jìn)而調(diào)用函數(shù)FT_Read ( )和FT_W rite ( )實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的讀寫,。當(dāng)應(yīng)用軟件退出時(shí)，用FT_Close ( )關(guān)閉設(shè)備,。
圖2 驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)圖,。
3. 3 軟件程序設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件主要由動(dòng)態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序兩部分組成,。動(dòng)態(tài)鏈接庫負(fù)責(zé)與USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通信,，響應(yīng)應(yīng)用程序的各種請(qǐng)求;應(yīng)用程序則以定時(shí)查詢的方式將采集數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)事先開辟的大容量?jī)?nèi)存緩沖區(qū)，同時(shí)從緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,，采集結(jié)束后再將內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存盤,。
系統(tǒng)的應(yīng)用軟件用于探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示,。應(yīng)用程序主要包括參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)錄取兩大部分,。參數(shù)設(shè)置部分主要完成對(duì)雷達(dá)設(shè)備的控制和雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置，這部分的操作都集中在軟件的設(shè)置界面進(jìn)行操作;數(shù)據(jù)錄取部分完成對(duì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,、存盤和數(shù)據(jù)回放,，這部分的操作都集中在軟件的錄取界面進(jìn)行操作，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
圖3 應(yīng)用軟件框架結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,，硬件設(shè)備會(huì)將采集的數(shù)據(jù)源源不斷地傳回主機(jī)事先開辟的緩存內(nèi),，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而檢測(cè)每一幀數(shù)據(jù)的幀頭,，將檢測(cè)到的每一幀數(shù)據(jù)存放入另一塊緩存，進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù),，用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)操作,，并將事先開辟的緩存做清空處理，準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù),。應(yīng)用程序流程圖如圖4所示,。
圖4 應(yīng)用程序流程圖
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
考慮到探地雷達(dá)工作的環(huán)境和使用的便利性，本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)采用帶觸摸屏的便攜式工控計(jì)算機(jī),，數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi),。通過綜合電纜與探地雷達(dá)發(fā)射、接收機(jī)連接后就組成了完整的探地雷達(dá)系統(tǒng),。該系統(tǒng)具有小型化,、便攜化、低功耗的特點(diǎn),。
為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和可靠性,，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn): 雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)距離雷達(dá)天線為0. 9m、面積為0. 2m ×0. 3m 的金屬板目標(biāo)進(jìn)行探測(cè),。雷達(dá)天線正對(duì)目標(biāo)平面,，并平行于金屬板平面以1m / s的速度沿直線移動(dòng)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測(cè),。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置:采樣點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn),，掃描速度為64 scan / s，濾波器截止頻率為50KHz,，相對(duì)增益控制為0dB,，波形平均次數(shù)為8次。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示,。圖中顯示了一道A - scan波形,。
圖5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面
通過設(shè)置界面修改增益曲線，濾波器截止頻率等參數(shù),，A - scan波形會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,。操作者要根據(jù)探測(cè)工作的具體情況，合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù),，以得到較好的探測(cè)結(jié)果,。
設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊“采集界面”將應(yīng)用軟件切換至數(shù)據(jù)采集錄取界面,，系統(tǒng)開始采集并錄取數(shù)據(jù),，采集界面如圖6所示,。
圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果
由圖6中右側(cè)的彩色堆積圖可以看出，在時(shí)間坐標(biāo)為6. 5ns處的色帶即為回波的直耦波堆積圖,，直耦波位置即可認(rèn)為是天線位置,。在時(shí)間坐標(biāo)為9. 5ns處的圖像中部有一明顯的雙曲線波形，即由地下金屬板的回波形成的二維堆積圖,。根據(jù)電磁波在空氣中的傳播速度為3 ×108m / s,，可得出目標(biāo)與天線的距離為( 0. 95ns - 6. 5ns) ×3 ×108m / s =0. 9m。圖6左側(cè)顯示出雷達(dá)經(jīng)過正對(duì)目標(biāo)區(qū)域時(shí)采集的一維時(shí)域波形,，在時(shí)間坐標(biāo)相應(yīng)位置可以看到直耦波和目標(biāo)回波,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能的完整性。
在實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的過程中,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，可靠，且能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,，這些都為探地雷達(dá)的后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作奠定了良好基礎(chǔ),。
通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在應(yīng)用于探地雷達(dá)工作時(shí),，可以有效地完成對(duì)雷達(dá)模擬視頻信號(hào)的預(yù)處理和采集,，并可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)工作，使探地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取更加穩(wěn)定,，可靠,，直觀。另外,，系統(tǒng)的小型化,、便攜化、低功耗設(shè)計(jì),，使系統(tǒng)更加適用于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),。所以，此系統(tǒng)完全適用于探地雷達(dá)的工程應(yīng)用,。
5 結(jié)束語
實(shí)踐證明,，使用FT245BM芯片開發(fā)USB 接口具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,、開發(fā)周期短的特點(diǎn),。再加上FTD I公司提供的驅(qū)動(dòng)程序支持，從而使應(yīng)用軟件的可移植性大大提高,。通過外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)完全滿足探地雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求，能夠做到大容量高速連續(xù)采集且穩(wěn)定可靠,，接收的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示,，并真實(shí)地反映出探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)特性,。