井中雷达中收采一体系统的研究与设计
发布时间：2021-08-01 07:24
井中雷达是探地雷达（GPR）分支中的一种。相比常规的只能应用在地表的探地雷达,其由于下放深度可控因此具有非常大的探测范围,并且能够对于异常地层多次重复测量来获取充足的数据。但也随之带来了一些需要考虑的实际问题,比如井管空间有限、系统内部互联不宜复杂等。本文依托实际的雷达测井项目,研究分析了井中雷达中的关键部分即收采一体系统的设计与实现。首先,通过对井中雷达工作原理与项目需求进行分析,摒弃了传统的将接收机和采集板分立的方案,而是把二者的主要功能集成在一起形成新的收采一体系统。在采集方式的选择上,鉴于满足采样指标而且采集数据量大以及引入误差小等原因选择了实时采集,并制定了详细的收采一体设计方案。其次,在具体的设计阶段按照信号流动的方向并参照需求分析,进行逐级逐模块的硬件电路搭建和FPGA逻辑设计。从接收天线送过来的信号在无源衰减电路和可控增益电路的作用下实现了较大范围的增益调节且步进值1dB,为方便ADC采样同时进行了单端转差分和共模匹配。到了高速采集部分,在硬件电路的基础上并通过FPGA对AD96XX和LMK048XX进行一系列的配置实现了JESD204B高速接口协议,而后进行了解映射和...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
电子科技大学等研制的雷达成像测井200MHz原型机
电子科技大学硕士学位论文82.3采集方案对比与分析目前高速采集领域主要有实时采样和等效采样两种采样方式，其中等效采样又可以进一步细分为随机等效采样和顺序等效采样。在实验室条件下，通过将发射源连接40dB衰减器，采用示波器查看主信号波形如图2-4所示，会发现其是周期性的一阶高斯脉冲信号，上升沿时间4.4ns。采集过程中要实现最大限度的保留其波形信息的目标，奈奎斯特采样定理是前提，即采样频率至少是被采信号频率的两倍，通常以5~10倍最佳[24]，由此可知系统的采样率指标应该在500MSPS以上，具体采样方式的选择要结合实际情况详细分析。图2-4探测脉冲信号实时采样顾名思义就是可以对信号进行等间隔快速的采样，适用于周期性信号和非重复性信号的测量，具有实时性好、数据量大、可靠性高等优点，但是局限于中低频领域。在实现方式上根据ADC数量的不同，又可分为单片ADC采样和多片ADC并行采样。其中时间交替(Time-interleavedADC,TIADC)采样技术就是使用多个采样速率较低的ADC芯片进行交替拼合[25-26]，首先使被采样的模拟信号通过多路驱动电路扇出得到N路相同的信号分别送到ADC中。其采样时钟相位的调节可以通过时钟模块来实现，进行完模数转换后数据发送给FPGA并按照已知的相位关系进行波形数据的拼合最终实现单片ADC数倍的超高采样率，但是该方式中多片ADC的同步是技术难点且井下电路板空间有限不易大面积布线。另外一种实时采样是通过单片ADC即可实现高速采样，一般采用集成JESD204B接口协议的ADC芯片，虽然此方式可以实现的采样率上限受到了单片器件的限制，但是在采样率满足需求时该方式确实是一个不错的选择。因为采用
第三章信号通道电路设计与实现21321123((//))//((//))//LSRRR+RR=RR+RR=Z(3-1)π型衰减网络中的衰减倍数N可以表示为：()323//1///LLRRNRRR=+(3-2)由于是对称结构，1R与3R取值相等，将上式进行合并变换，分别得到衰减网络中电阻1R、2R、3R的表达式如下：()2212RZNRN=(3-3)31(1)1RZNRRN+==(3-4)上式中RZ为特征阻抗50Ω，对于衰减倍数进行如下选择：首先，衰减值不能太小，因为信号经过后级增益放大后，输出给ADC的信号可能会超过其额定的输入范围，造成采集系统的动态范围较差；相反如果衰减值太大，则输入的有用信号会被大幅度衰减，但噪声无法被进一步衰减，从而恶化信噪比。最终π型网络的衰减值设定为14dB，衰减倍数N为5倍，计算得到13R=R≈75Ω，2R≈121Ω。无源衰减网络有直通和衰减两种状态，当输入信号幅度较大时选择衰减网络，反之选择直通网络，不同网络的切换通过开关来完成，其中主要包括单刀双掷射频开关、双刀双掷射频开关和高频继电器等。考虑到继电器能够输入大信号的特点，最终选型的是TELEDYNE公司的一款磁保持继电器进行不同衰减网络间的切换，尤其在0~1GHz频段，该型号具有良好的隔离度和插入损耗等性能指标，其中插入损耗的频率曲线如图3-2所示。图3-2继电器插入损耗要想让继电器正常工作，需要提供比较大的驱动电流，一般为20~40mA或者
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种电缆测井深度测量校正方法[J]. 谌姣姣,章鹏,朱普茂,丁频一. 计算机测量与控制. 2018(01)
[2]了解JESD204B规范的各层——从高速ADC的角度出发[J]. Jonathan Harris. 中国电子商情(基础电子). 2016(06)
[3]探地雷达:浅表地球物理科学技术中的重要工具[J]. 刘澜波,钱荣毅. 地球物理学报. 2015(08)
[4]基于JESD204协议的AD采样数据高速串行传输[J]. 张峰,王战江. 电讯技术. 2014(02)
[5]JESD204标准解析[J]. Jonathan Harris. 今日电子. 2012(12)
[6]高速数据采集系统中触发点同步技术研究[J]. 郭连平,田书林,蒋俊,曾浩. 电子测量与仪器学报. 2010(03)
[7]融合开关电源和线性电源特性的DC/DC变换器[J]. 刘晨曦,赵莉华,白三中. 电力电子技术. 2009(03)
[8]钻孔雷达技术的发展和现状[J]. 陈建胜,陈从新. 地球物理学进展. 2008(05)
[9]采用脉冲积累方式提高防撞雷达测距性能[J]. 申利平,李昌春,尹申燕. 重庆大学学报(自然科学版). 2006(04)
[10]时钟抖动和相位噪声关系的研究[J]. 宋屾,焦淑红,胡尔富. 应用科技. 2006(04)
博士论文
[1]井中雷达成像算法与实验研究[D]. 霍建建.电子科技大学 2019
[2]基于并行处理的超高速采样系统研究与实现[D]. 黄武煌.电子科技大学 2015
[3]宽带等效取样示波器关键技术研究[D]. 邱渡裕.电子科技大学 2015
[4]瞬态脉冲雷达成像测井及实验研究[D]. 马春光.电子科技大学 2015
硕士论文
[1]5GHz示波器模拟通道研究与设计[D]. 张伟.电子科技大学 2019
[2]10GHz宽带信号时域获取技术的研究与实现[D]. 王超.电子科技大学 2019
[3]探地雷达超宽带高功率信号源的设计[D]. 徐文强.电子科技大学 2019
[4]基于随机等效取样技术的探地雷达采集系统设计与实现[D]. 郭龙飞.电子科技大学 2018
[5]机载探地雷达中的数据采集系统的研究与设计[D]. 王尚.电子科技大学 2018
[6]2.5GSPS高分辨率数据采集系统时钟电路设计[D]. 周宇轩.电子科技大学 2016
[7]漏磁数据无损压缩系统的设计及实现[D]. 成伟.电子科技大学 2012
[8]钻孔雷达的接收机前端设计[D]. 赵岩.电子科技大学 2012
本文编号：3315068
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
电子科技大学等研制的雷达成像测井200MHz原型机
电子科技大学硕士学位论文82.3采集方案对比与分析目前高速采集领域主要有实时采样和等效采样两种采样方式，其中等效采样又可以进一步细分为随机等效采样和顺序等效采样。在实验室条件下，通过将发射源连接40dB衰减器，采用示波器查看主信号波形如图2-4所示，会发现其是周期性的一阶高斯脉冲信号，上升沿时间4.4ns。采集过程中要实现最大限度的保留其波形信息的目标，奈奎斯特采样定理是前提，即采样频率至少是被采信号频率的两倍，通常以5~10倍最佳[24]，由此可知系统的采样率指标应该在500MSPS以上，具体采样方式的选择要结合实际情况详细分析。图2-4探测脉冲信号实时采样顾名思义就是可以对信号进行等间隔快速的采样，适用于周期性信号和非重复性信号的测量，具有实时性好、数据量大、可靠性高等优点，但是局限于中低频领域。在实现方式上根据ADC数量的不同，又可分为单片ADC采样和多片ADC并行采样。其中时间交替(Time-interleavedADC,TIADC)采样技术就是使用多个采样速率较低的ADC芯片进行交替拼合[25-26]，首先使被采样的模拟信号通过多路驱动电路扇出得到N路相同的信号分别送到ADC中。其采样时钟相位的调节可以通过时钟模块来实现，进行完模数转换后数据发送给FPGA并按照已知的相位关系进行波形数据的拼合最终实现单片ADC数倍的超高采样率，但是该方式中多片ADC的同步是技术难点且井下电路板空间有限不易大面积布线。另外一种实时采样是通过单片ADC即可实现高速采样，一般采用集成JESD204B接口协议的ADC芯片，虽然此方式可以实现的采样率上限受到了单片器件的限制，但是在采样率满足需求时该方式确实是一个不错的选择。因为采用
第三章信号通道电路设计与实现21321123((//))//((//))//LSRRR+RR=RR+RR=Z(3-1)π型衰减网络中的衰减倍数N可以表示为：()323//1///LLRRNRRR=+(3-2)由于是对称结构，1R与3R取值相等，将上式进行合并变换，分别得到衰减网络中电阻1R、2R、3R的表达式如下：()2212RZNRN=(3-3)31(1)1RZNRRN+==(3-4)上式中RZ为特征阻抗50Ω，对于衰减倍数进行如下选择：首先，衰减值不能太小，因为信号经过后级增益放大后，输出给ADC的信号可能会超过其额定的输入范围，造成采集系统的动态范围较差；相反如果衰减值太大，则输入的有用信号会被大幅度衰减，但噪声无法被进一步衰减，从而恶化信噪比。最终π型网络的衰减值设定为14dB，衰减倍数N为5倍，计算得到13R=R≈75Ω，2R≈121Ω。无源衰减网络有直通和衰减两种状态，当输入信号幅度较大时选择衰减网络，反之选择直通网络，不同网络的切换通过开关来完成，其中主要包括单刀双掷射频开关、双刀双掷射频开关和高频继电器等。考虑到继电器能够输入大信号的特点，最终选型的是TELEDYNE公司的一款磁保持继电器进行不同衰减网络间的切换，尤其在0~1GHz频段，该型号具有良好的隔离度和插入损耗等性能指标，其中插入损耗的频率曲线如图3-2所示。图3-2继电器插入损耗要想让继电器正常工作，需要提供比较大的驱动电流，一般为20~40mA或者
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种电缆测井深度测量校正方法[J]. 谌姣姣,章鹏,朱普茂,丁频一. 计算机测量与控制. 2018(01)
[2]了解JESD204B规范的各层——从高速ADC的角度出发[J]. Jonathan Harris. 中国电子商情(基础电子). 2016(06)
[3]探地雷达:浅表地球物理科学技术中的重要工具[J]. 刘澜波,钱荣毅. 地球物理学报. 2015(08)
[4]基于JESD204协议的AD采样数据高速串行传输[J]. 张峰,王战江. 电讯技术. 2014(02)
[5]JESD204标准解析[J]. Jonathan Harris. 今日电子. 2012(12)
[6]高速数据采集系统中触发点同步技术研究[J]. 郭连平,田书林,蒋俊,曾浩. 电子测量与仪器学报. 2010(03)
[7]融合开关电源和线性电源特性的DC/DC变换器[J]. 刘晨曦,赵莉华,白三中. 电力电子技术. 2009(03)
[8]钻孔雷达技术的发展和现状[J]. 陈建胜,陈从新. 地球物理学进展. 2008(05)
[9]采用脉冲积累方式提高防撞雷达测距性能[J]. 申利平,李昌春,尹申燕. 重庆大学学报(自然科学版). 2006(04)
[10]时钟抖动和相位噪声关系的研究[J]. 宋屾,焦淑红,胡尔富. 应用科技. 2006(04)
博士论文
[1]井中雷达成像算法与实验研究[D]. 霍建建.电子科技大学 2019
[2]基于并行处理的超高速采样系统研究与实现[D]. 黄武煌.电子科技大学 2015
[3]宽带等效取样示波器关键技术研究[D]. 邱渡裕.电子科技大学 2015
[4]瞬态脉冲雷达成像测井及实验研究[D]. 马春光.电子科技大学 2015
硕士论文
[1]5GHz示波器模拟通道研究与设计[D]. 张伟.电子科技大学 2019
[2]10GHz宽带信号时域获取技术的研究与实现[D]. 王超.电子科技大学 2019
[3]探地雷达超宽带高功率信号源的设计[D]. 徐文强.电子科技大学 2019
[4]基于随机等效取样技术的探地雷达采集系统设计与实现[D]. 郭龙飞.电子科技大学 2018
[5]机载探地雷达中的数据采集系统的研究与设计[D]. 王尚.电子科技大学 2018
[6]2.5GSPS高分辨率数据采集系统时钟电路设计[D]. 周宇轩.电子科技大学 2016
[7]漏磁数据无损压缩系统的设计及实现[D]. 成伟.电子科技大学 2012
[8]钻孔雷达的接收机前端设计[D]. 赵岩.电子科技大学 2012
本文编号：3315068
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