本發(fā)明屬于探地雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的方法及裝置。

背景技術(shù)：

利用探地雷達(dá)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行地下目標(biāo)探測的機(jī)理是通過發(fā)射高頻電磁脈沖波，利用地下目標(biāo)與周圍介質(zhì)電性參數(shù)的差異，根據(jù)回波信號振幅與時(shí)間、頻率特征等參數(shù)來分析和推斷地下目標(biāo)的空間位置、深度與尺寸等信息。探地雷達(dá)是一種高效的淺層地球物理探測技術(shù)，與探空雷達(dá)不同，探地雷達(dá)使用的頻率一般低于前者，其理論研究主要是電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播，由于介質(zhì)的不均勻性、各向異性、強(qiáng)衰減性等，其復(fù)雜程度較之探空雷達(dá)要大得多。與傳統(tǒng)的地球物理方法相比，探地雷達(dá)具有快捷、操作簡單、抗干擾和場地適應(yīng)能力強(qiáng)、探測分辨率高等方面的優(yōu)勢，因而該技術(shù)一面世就受到工程物探界的普遍重視。特別是自20世紀(jì)70年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，探地雷達(dá)無論是在儀器設(shè)備，還是數(shù)據(jù)處理等方面都得到了普遍提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、工程、資源、環(huán)境、軍事等方面。

探地雷達(dá)一般由電磁脈沖信號產(chǎn)生電路、收發(fā)天線、信號采集電路以及數(shù)據(jù)處理等部分構(gòu)成。其中的電磁脈沖信號產(chǎn)生電路部分是探地雷達(dá)的核心模塊之一，對于產(chǎn)生納秒級的電磁脈沖信號而言，電性的脈沖產(chǎn)生方式主要有氣體放電、隧道二極管、水銀開關(guān)和雪崩三極管等。其中，氣體放電和水銀開關(guān)結(jié)合的電磁脈沖信號產(chǎn)生原理是利用水銀開關(guān)管的瞬間放電擊穿和恢復(fù)特性，產(chǎn)生前沿和寬度為納秒級，幅度高達(dá)千伏的高壓窄脈沖；而水銀開關(guān)則是一種高性能的高壓開關(guān)，所產(chǎn)生的脈沖對稱性較好；隧道二極管脈沖發(fā)生器由于其脈沖寬度較寬且幅度不高所以并不是非常常用；雪崩三極管的重復(fù)率可達(dá)幾兆赫，響應(yīng)時(shí)間快產(chǎn)生的脈沖幅度可達(dá)上百伏特。常見的電磁脈沖信號電路產(chǎn)生電路一半利用半導(dǎo)體雪崩二極管、階躍二極管等多級串接來實(shí)現(xiàn)高壓雷達(dá)波脈沖信號，然而其產(chǎn)生的脈沖波形脈沖寬度是固定的，同時(shí)多級串接時(shí)由于多個(gè)器件之間存在參數(shù)差異性、延遲的不同步以及寄生參數(shù)的影響，將引起雷達(dá)脈沖波形的脈寬展寬，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖信號的拖尾。

目前國內(nèi)應(yīng)用于實(shí)際工程的絕大多數(shù)探地雷達(dá)設(shè)備是依賴于國外進(jìn)口，但從目前的應(yīng)用情況來看，探地雷達(dá)在工程探測中的應(yīng)用還存在很大的問題與技術(shù)瓶頸，首先是設(shè)備價(jià)格昂貴限制了探地雷達(dá)設(shè)備和探測技術(shù)的推廣和普及，另一個(gè)非常重要的原因是設(shè)備的應(yīng)用和選擇非常依賴于探測的目標(biāo)特征，如不同目標(biāo)探測深度、不同目標(biāo)尺寸應(yīng)選擇不同系列或不同頻段的雷達(dá)；從技術(shù)上講，具有一定重復(fù)頻率的高壓短脈沖產(chǎn)生技術(shù)是基于脈沖信號的探地雷達(dá)探測技術(shù)的重要關(guān)鍵，不同型號、不同頻段的探地雷達(dá)其特征對應(yīng)特定的發(fā)射雷達(dá)波脈寬，如500MHz波段沖擊雷達(dá)，其對應(yīng)的脈寬接近1納秒；再者，雷達(dá)探測分辨率與探測范圍存在固有的矛盾，高頻段的雷達(dá)雖然具有較高的分辨率，但其穿透深度卻非常有限，一般400MHz透深度為4米，而典型的1.6GHz雷達(dá)穿透深度只有0.5米。

就目前情況來看，對于雷達(dá)電磁脈沖信號產(chǎn)生模塊，如何產(chǎn)生具有更快上升時(shí)間、以及更高的穩(wěn)定性與重復(fù)性，如何使產(chǎn)生的雷達(dá)脈沖信號具有更好的質(zhì)量以及更小的波形拖尾是目前高分辨率雷達(dá)電磁脈沖產(chǎn)生技術(shù)所面臨的問題之一；如何提高單個(gè)探地雷達(dá)的多種對象探測能力，即實(shí)現(xiàn)單一雷達(dá)設(shè)備具備頻段可調(diào)的功能，以在實(shí)際探測中實(shí)現(xiàn)面向具體目標(biāo)對象的最佳分辨率探測，也是當(dāng)下探地雷達(dá)技術(shù)所面臨的關(guān)鍵問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的方法，實(shí)現(xiàn)輸出的高壓脈沖雷達(dá)信號具有脈寬可調(diào)的功能。

一種基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的方法，包括步驟：

1)產(chǎn)生誘導(dǎo)激光脈沖信號，通過光耦合器后分為兩路；

2)通過光誘導(dǎo)開關(guān)使兩路誘導(dǎo)激光脈沖信號產(chǎn)生正向波與反向波；

3)通過延時(shí)控制模塊調(diào)節(jié)正向波與反向波的相對時(shí)間延遲，產(chǎn)生脈寬可調(diào)的雷達(dá)信號。

本發(fā)明還提供了一種基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的裝置，能產(chǎn)生具有更快上升時(shí)間、更高穩(wěn)定性與重復(fù)性的高壓電磁脈沖信號，并且能夠很好地解決單一雷達(dá)設(shè)備無產(chǎn)生多頻段可調(diào)的探地雷達(dá)功能，應(yīng)用于面向探測對象的脈寬可調(diào)探地雷達(dá)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同深度下的高分辨率探測。

一種基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的裝置，包括：

1)誘導(dǎo)激光控制電路，將產(chǎn)生的誘導(dǎo)激光脈沖輸出為兩路誘導(dǎo)激光脈沖信號；

2)脈沖發(fā)生電路，產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的脈沖，輸出脈寬可調(diào)的雷達(dá)信號。

所述誘導(dǎo)激光控制電路包括誘導(dǎo)信號激光源、光耦合器和兩個(gè)延時(shí)控制模塊；所述誘導(dǎo)信號激光源產(chǎn)生誘導(dǎo)激光脈沖，經(jīng)光耦合器后分為兩路，通過兩個(gè)延時(shí)控制模塊分別控制這兩路誘導(dǎo)激光脈沖的時(shí)間延遲，最后輸出兩路誘導(dǎo)激光脈沖信號。

所述脈沖發(fā)生電路，包括高壓偏置輸入模塊、兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)、負(fù)載匹配模塊、輸出耦合模塊；所述高壓偏置輸入模塊產(chǎn)生高電平的脈沖信號，為兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)提供能量，兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)接收誘導(dǎo)激光控制電路輸出的誘導(dǎo)激光脈沖信號，產(chǎn)生暫態(tài)響應(yīng)，負(fù)載匹配模塊用于匹配負(fù)載，脈沖輸出耦合模塊輸出脈寬可調(diào)的高壓脈沖雷達(dá)信號。

所述高壓偏置輸入模塊通過微帶線連接到兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)的公共端，提供電路所需的高壓能量，產(chǎn)生高電平的脈沖信號，并提供光誘導(dǎo)開關(guān)中光敏部分發(fā)生光電效應(yīng)所需的強(qiáng)電場條件。

所述兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)以推挽式結(jié)構(gòu)相互連接，以產(chǎn)生方向相反的脈沖信號。

所述兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)接收誘導(dǎo)激光控制電路輸出的誘導(dǎo)激光脈沖信號，在極短時(shí)間內(nèi)誘導(dǎo)激光脈沖信號照射光誘導(dǎo)開關(guān)的光敏部分，光誘導(dǎo)開關(guān)的開閉狀態(tài)將在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變，使電路在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生暫態(tài)響應(yīng)。在誘導(dǎo)激光脈沖照射下，兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)可以先后輸出兩個(gè)方向相反的脈沖波(即正向波與反向波)，通過延時(shí)控制模塊可以控制輸出的正向波與反向波的相對時(shí)間延遲，進(jìn)而調(diào)節(jié)高壓脈沖雷達(dá)信號的脈寬。

所述光誘導(dǎo)開關(guān)選用半導(dǎo)體光誘導(dǎo)開關(guān)。其構(gòu)成材料為III-V族化合物半導(dǎo)體材料。該半導(dǎo)體材料具有暗態(tài)電阻高、載流子壽命短、載流子遷移率大的特性。相對于傳統(tǒng)的雪崩二極管或階躍二極管，采用光誘導(dǎo)開關(guān)的雷達(dá)脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的雷達(dá)信號具有更快的上升時(shí)間以及更高的穩(wěn)定性與重復(fù)性，并且具有更好的質(zhì)量以及更小的波形拖尾。

作為優(yōu)選，所述光誘導(dǎo)開關(guān)選用基于GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)。當(dāng)具有一定能量的光子注入GaAs材料的半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部被吸收的光子會(huì)產(chǎn)生電子空穴對，其內(nèi)部電阻將發(fā)生隨激光注入的迅速改變。

進(jìn)一步優(yōu)選，選擇光子能量為1.16eV的1064nm激光作為基于GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)的控制光信號。本發(fā)明中輸入端為偏置高壓，提供高壓電場條件，使禁帶寬度為1.42eV的GaAs材料的有效能隙減小，因此使用光子能量為1.16eV的1064nm激光作為基于GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)的光誘導(dǎo)控制信號。

所述基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的裝置工作時(shí)，誘導(dǎo)信號激光光源產(chǎn)生誘導(dǎo)激光脈沖信號，經(jīng)光耦合器后分為兩路，兩路誘導(dǎo)激光脈沖信號分別由兩個(gè)延時(shí)控制模塊控制并調(diào)節(jié)時(shí)間延遲，所形成的兩路誘導(dǎo)激光脈沖信號分別控制兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)的開閉狀態(tài)。光誘導(dǎo)開關(guān)的光敏區(qū)在誘導(dǎo)激光脈沖信號的照射下發(fā)生光電效應(yīng)，使電路產(chǎn)生暫態(tài)響應(yīng)。在延時(shí)控制模塊的控制下，兩個(gè)誘導(dǎo)激光脈沖信號之間的相對時(shí)間延遲達(dá)到亞納秒級別，從而實(shí)現(xiàn)反向波與正向波之間的相對時(shí)間延遲達(dá)到亞納秒級精度。通過調(diào)節(jié)反向波與正向波之間的相對時(shí)間延遲，信號波形由反向極小值至正向極大值之間的上升過渡時(shí)間將發(fā)生改變，合成的暫態(tài)波波形以及合成的雷達(dá)脈沖信號的中心頻段將發(fā)生變化。經(jīng)過調(diào)節(jié)，可以將形成的雷達(dá)脈沖波形調(diào)節(jié)精度控制在亞納秒精度。

通過方案設(shè)計(jì)和仿真，確定兩個(gè)方向相反的脈沖波之間的時(shí)間延遲和與之相對應(yīng)的合成雷達(dá)信號的脈寬之間的關(guān)系。在實(shí)際測量場景中，通過誘導(dǎo)激光控制電路調(diào)節(jié)誘導(dǎo)激光的延時(shí)進(jìn)行光誘導(dǎo)開關(guān)觸發(fā)延時(shí)的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)雷達(dá)信號的脈寬，從而使形成的雷達(dá)信號于當(dāng)前應(yīng)用場景保證最佳的測量分辨率。

與傳統(tǒng)探地雷達(dá)系統(tǒng)相比，本發(fā)明能夠產(chǎn)生的脈寬可調(diào)雷達(dá)信號，能夠產(chǎn)生具有更快上升時(shí)間、更高穩(wěn)定性與重復(fù)性的高壓電磁脈沖信號，并且很好地解決單一雷達(dá)設(shè)備無產(chǎn)生多頻段可調(diào)的探地雷達(dá)功能，應(yīng)用面向探測對象的脈寬可調(diào)探地雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同深度下的高分辨率探測。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明裝置輸出的正反兩個(gè)脈沖波示意圖。

圖3為本發(fā)明裝置改變時(shí)間延遲所形成的雷達(dá)信號的示意圖。

圖4為本發(fā)明裝置改變時(shí)間延遲所形成的雷達(dá)信號的頻譜示意圖。

具體實(shí)施方式：

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的方法，包括步驟：

1)產(chǎn)生誘導(dǎo)激光脈沖信號，通過光耦合器分為兩路；

2)通過光誘導(dǎo)開關(guān)使兩路誘導(dǎo)脈沖信號產(chǎn)生正向波與反向波；

3)通過延時(shí)控制模塊調(diào)節(jié)正向波與反向波的相對時(shí)間延遲，產(chǎn)生脈寬可調(diào)的雷達(dá)信號。

如圖1所示，基于光誘導(dǎo)開關(guān)產(chǎn)生高壓脈沖雷達(dá)信號的裝置包括誘導(dǎo)激光控制電路和脈沖發(fā)生電路；誘導(dǎo)激光控制電路包括誘導(dǎo)信號激光源1、光耦合器2、延時(shí)控制模塊3a和延時(shí)控制模塊3b；脈沖發(fā)生電路包括光誘導(dǎo)開關(guān)5a、光誘導(dǎo)開關(guān)5b、負(fù)載匹配模塊6、高壓偏置輸入模塊8、輸出耦合模塊9、連接各模塊的微帶線10、信號地7a和信號地7b。

具體工作時(shí)，誘導(dǎo)信號激光源1產(chǎn)生誘導(dǎo)激光脈沖信號，經(jīng)過光耦合器2分路為兩路，兩路誘導(dǎo)激光脈沖各自經(jīng)過延時(shí)控制模塊3a、3b后分別輸出兩個(gè)具有相對時(shí)間延遲的誘導(dǎo)激光脈沖信號4a、4b，誘導(dǎo)激光脈沖信號4a用于控制光誘導(dǎo)開關(guān)5a，誘導(dǎo)激光脈沖信號4b用于控制光誘導(dǎo)開關(guān)5b；高壓偏置輸入模塊8由微帶線10接到兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)5a、5b的公共端；光誘導(dǎo)開關(guān)5a、5b以推挽式結(jié)構(gòu)相互連接；光誘導(dǎo)開關(guān)5a另一端經(jīng)微帶線10連接信號地7a，光誘導(dǎo)開關(guān)5b另一端連接負(fù)載匹配模塊6，同時(shí)經(jīng)輸出耦合模塊9輸出雷達(dá)信號。

兩個(gè)光誘導(dǎo)開關(guān)選用基于GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)，當(dāng)具有一定能量的光子注入GaAs材料的半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部被吸收的光子就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對，其內(nèi)部電阻將發(fā)生隨激光注入的迅速改變。本方案中輸入端為偏置高壓，提供高壓電場條件，使禁帶寬度為1.42eV的GaAs材料的有效能隙減小，可以使用光子能量為1.16eV的1064nm激光作為GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)的光誘導(dǎo)控制信號。

光誘導(dǎo)開關(guān)5a、5b的光敏區(qū)分別在誘導(dǎo)激光脈沖信號4a、4b的照射下，電路將產(chǎn)生暫態(tài)響應(yīng)，具體過程如下：當(dāng)誘導(dǎo)激光脈沖4a對光誘導(dǎo)開關(guān)5a有效時(shí)，誘導(dǎo)激光脈沖4b對光誘導(dǎo)開關(guān)5b無效，此時(shí)光誘導(dǎo)開關(guān)5a開啟，光誘導(dǎo)開關(guān)5b關(guān)閉，光誘導(dǎo)開關(guān)5a接通短路負(fù)載，即直接連接信號地7a，在輸出耦合模塊9輸出反向波；當(dāng)誘導(dǎo)激光脈沖4a對光誘導(dǎo)開關(guān)5a無效時(shí)，誘導(dǎo)激光脈沖4b對光誘導(dǎo)開關(guān)5b有效，此時(shí)光誘導(dǎo)開關(guān)5a關(guān)閉，光誘導(dǎo)開關(guān)5b開啟，光誘導(dǎo)開關(guān)5b接通負(fù)載匹配模塊6，并在輸出耦合模塊9輸出正向波。如圖2所示，11和12分別為產(chǎn)生的反方向波和正向波，13為正向波12相對于反向波11的時(shí)間延遲。

誘導(dǎo)激光控制電路的調(diào)節(jié)使產(chǎn)生的兩個(gè)誘導(dǎo)激光脈沖信號4a、4b之間的時(shí)間延遲達(dá)到亞納秒級別，采用基于GaAs材料的光誘導(dǎo)開關(guān)時(shí)，光誘導(dǎo)開關(guān)具有非常高的速度、動(dòng)態(tài)范圍大、耐壓高及響應(yīng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，使產(chǎn)生的脈沖寬度可以達(dá)到皮秒精度，完全可以滿足本方案設(shè)計(jì)要求。

通過改變兩個(gè)誘導(dǎo)激光脈沖信號4a、4b的相對時(shí)間延遲，使得誘導(dǎo)激光脈沖信號產(chǎn)生的反向波與正向波之間的相對時(shí)間延遲也發(fā)生改變，將兩個(gè)具有相對時(shí)間延遲輸出的反向波進(jìn)行部分重疊，通過控制誘導(dǎo)激光脈沖信號的時(shí)間延遲來控制兩個(gè)反向波的重疊部分時(shí)間寬度，即控制合成的雷達(dá)信號波形由反向極小值到正向極大值的過渡時(shí)間，從而控制輸出的雷達(dá)信號脈沖的寬度，即實(shí)現(xiàn)了輸出高壓脈沖雷達(dá)信號的脈寬可調(diào)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明所提出的技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)所合成的雷達(dá)信號的脈寬可調(diào)，進(jìn)行了該方案的仿真驗(yàn)證：

如圖2所示，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延遲13，在不同的時(shí)間延遲下，將反向波和正向波以一定的延遲合成，可以形成如圖3所示的雷達(dá)信號波形，得到的雷達(dá)信號波形由反向極小值至正向極大值之間的過渡時(shí)間也相應(yīng)的改變，對應(yīng)頻譜如圖4所示。圖3中，選用脈沖寬度τ＝0.2ns的高斯脈沖作為模擬本實(shí)施方式所產(chǎn)生的高斯脈沖信號，控制正反兩個(gè)高斯脈沖之間的相對時(shí)延分別為t_shift＝0.1ns,t_shift＝0.6ns,t_shift＝0.7ns。其中，圖3中的編號與圖4中編號一一對應(yīng)，即圖4中的各頻譜波形分別是圖3中的各個(gè)雷達(dá)信號的頻譜。調(diào)節(jié)正向波與反向波之間的相對時(shí)間延遲，可以調(diào)節(jié)輸出的雷達(dá)信號波形的中心頻率。

仿真驗(yàn)證結(jié)果證明，通過改變時(shí)間延遲可以很好地實(shí)現(xiàn)所合成的雷達(dá)信號波形的中心頻率在一定頻段范圍內(nèi)可調(diào)，從而使單一的探地雷達(dá)設(shè)備適應(yīng)更多的探測場景。