بخشی از مقاله
خلاصه :
در این مقاله یک ساختار فرستنده-گیرنده به همراه مشخصات بلوکها برای رادار نفوذی به زمین - - GPR موج پیوسته فرکانس پلهای - SFCW - ارائه شده است. فرکانس کاری رادار نفوذی به زمین SFCW بین 300 مگاهرتز تا 1,3 گیگاهرتز و دقت تشخیص آن نیز 10 سانتیمتر میباشد. فرستنده پینشهادی قابلیت تولید سیگنالی با دامنه خروجی ثابت را در بازه فرکانس کاری دستگاه دارد که یکی از نیازهای اصلی در چنین سیستمهایی میباشد.
توان خروجی فرستنده نیز میتواند از 15,2 تا -14,8 دسیبل میلیوات تغییر کند. برای گیرنده نیز از ساختار هترودین استفاده شده است که فرکانس میانی - - IF آن برابر با 10 مگاهرتز میباشد. عدد نویز و رنج دینامیکی گیرنده نیز به ترتیب برابر با 1,65 و 96,33 دسیبل میباشند. همچنین مدار پیشنهادی بر اساس مشخصات قطعات انتخاب شده قابلیت کار تا فرکانس 3 گیگاهرتز را نیز دارا میباشد.
.1 مقدمه
رادار نفوذی به زمین - GPR - سیستمی الکترومغناطیسی با دقت بالا میباشد که اساسا برای تشخیص اشیاء دفن شده طراحی شده است. رادار نفوذی به زمین موقعیت، اندازه و بازتاب الکترومغناطیسی اشیاء را تعیین میکند. روش تشخیص اجسام دفن شده در رادار نفوذی به زمین بر مبنای این واقعیت است که امواج الکترومغناطیسی ارسال شده به خاک در صورت برخورد با جسمی که خواص الکترومغناطیسی متفاوتی با خاک داشته باشند پراکنده خواهند شد. این نوع رادارها در تشخیص لولهها، کابلها، تعیین قطر آسفالت، بتن، مین یابی، تحقیقات باستان شناسی، مطالعات زمین شناسی و اکتشاف معدن کاربرد گستردهای دارند
GPR، راداری با پهنای باند بسیار وسیع - UWB - میباشد که دقت کافی برای تشخیص اهداف کوچک را نیز فراهم میکند. برای طراحی سیستمهای راداری نفوذی به زمین از سه روش ایمپالس - Impulse - ، موج پیوسته با مدولاسیون فرکانس - FMCW - و موج پیوسته فرکانس پلهای - SFCW - استفاده میشود .[4] برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالایی دارند معمولا از رادارهای موج پیوسته فرکانس پلهای به خاطر داشتن پهنای باند بالا استفاده میشود.
هرچند که مطالعه بر روی رادارهای موج پیوسته فرکانس پلهای از اوایل دهه 1970 شروع شده بود، اما به خاطر هزینه بالای قطعات، مخصوصا سنتزکنندههای فرکانسی، استقبال چندانی از این نوع رادارها صورت نگرفت. اما در دهه های اخیر به خاطر کاهش هزینههای ساخت قطعات، این نوع رادارها مورد توجه واقع شدهاند. همچنین در دسترس بودن پردازندههای سیگنالهای دیجیتال نیز نقش عمدهای در این قضیه داشته اند .[5] لازم بذکر است که استفاده از رادارهای موج پیوسته با فرکانس پلهای مشکل کنترل طیف فرکانسی منتشر شده در رادارهای ایمپالس، که یک مشکل اساسی بود، را برطرف میکنند.
معمولا سیستم رادار نفوذی به زمین از یک جفت آنتن، واحد الکترونیکی جهت پردازش سیگنال منعکسشده از جسم و همچنین از یک نمایشگر به منظور نمایش اطلاعات به کاربر تشکیل میشود.
در این مقاله طراحی سیستم GPR موج پیوسته فرکانس پلهای مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین برای بلوکهای فرستنده و گیرنده آن، براساس مشخصات سیستم طراحی شده، قطعات مناسب پیشنهاد شده است. در بخش 2 طراحی سیستمی رادار نفوذی به زمین SFCW ارائه خواهد شد. بخش 3 نیز به ساختار انتخاب شده برای فرستنده گیرنده و همچنین قطعات انتخاب شده برای بلوکهای فرستنده و گیرنده و نکات مهم در مورد آنها اختصاص داده شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازیهای فرستنده-گیرنده به کمک نرم افزارهای مختلف نیز در بخش 4 ارائه میگردد. بخش 5 نیز به نتیجه گیری و ذکر نکات مهم اختصاص داده شده است.
.2 طراحی سیستمی :
رادار نفوذی به زمین SFCW تعدادی پالس را به صورت متوالی ارسال میکند که فرکانس آنها در هر بار ارسال به اندازه مشخصی نسبت به سیگنال ارسال شده قبلی افزایش پیدا میکند و این روند به صورت متناوب و بین حداقل - - fmin و حداکثر - - fmax فرکانس مشخص انجام میگیرد.
اندازه پله فرکانسی تعیین کننده عمق تشخیص میباشد. حداکثر عمق تشخیص از رابطه زیر بدست می آید :
که c سرعت نور، f اندازه پله فرکانسی و r نیز گذردهی جسم میباشند.
تفاضل بین حداقل و حداکثر فرکانس نیز تعیینکننده دقت تشخیص رادار میباشد.
که در رابطه - - 2 ، N تعداد پلههای فرکانسی میباشد. لازم بذکر است که دقت تشخیص به حداقل فاصله بین دو جسم اشاره دارد که اگر رعایت شود، میتوان آن دو جسم را به صورت مجزا از هم تشخیص داد.
برای داشتن نفوذ کافی باید فرکانس کاری به اندازهی کافی پایین باشد. به همین خاطر حداقل فرکانس کاری نباید بزرگتر از 400 مگاهرتز باشد. از طرفی برای داشتن دقت تشخیص مناسب نیز باید فرکانس کاری بالایی داشته باشیم. لازم بذکر است که برای فرکانس های بالاتر از 3 گیگاهرتز احتمال اینکه پاسخ ناشی از کلاترها بر پاسخ های اهداف غلبه کنند وجود دارد.
در این طراحی به دنبال دستیابی به دقت تشخیص تقریبی 10 سانتیمتر خواهیم بود. در اینصورت پهنای باند مورد نیاز برای دستگاه با فرض = r2 ، که کمتر از حداقل مقدار برای انواع خاک میباشد
برای داشتن نفوذ کافی fmin برابر با300 مگاهرتز درنظرگرفته شده است. در این صورت fmax نیز برابر با 1300 مگاهرتز خواهد بود. بنابراین مدار سنتز کننده فرکانسی باید از فرکانس 300 مگاهرتز تا 1,3 گیگاهرتز را پوشش دهد. با انتخاب گام فرکانسی برابر با 10 مگاهرتز به 100 پله فرکانسی نیاز خواهد بود. به ازای گام فرکانسی 10 مگاهرتز و انتخاب بیشترین مقدار ضریب گذردهی الکتریکی - = r40 - حداکثر عمق نفوذ برابر با 2,4 متر خواهد بود.
.3 پیاده سازی سخت افزاری:
برای طراحی گیرنده از ساختار هترودین استفاده شده است. بنابراین بر خلاف ساختار هموداین،که فرکانس میانی آن برابر با صفر هرتز میباشد، تحت تاثیر انحراف دمایی و نویز فلیکر قرار نمیگیرد. مزیت دیگر ساختار هترودین عدم نیاز به فیلترکردن خروجی سنتزکننده فرکانسی فرستنده میباشد. دلیل این امر این است که هارمونیک های مرتبه بالای خروجی سنتزکننده فرکانسی بعد از میکس شدن در میکسر گیرنده داخل پهنای باند فرکانس میانی نخواهند بود.
شکل 1 ساختار فرستنده- گیرنده پیشنهادی برای رادار نفوذی به زمین SFCW را نشان میدهد. شیفت فرکانسی تقویتکنندههای موجود در فرستنده و گیرنده به صورت خطی با فرکانس افزایش پیدا نمیکند. به همین خاطر و با توجه به اینکه سیستم براساس دامنه و فاز سیگنال برگشتی از جسم مکان و اندازه آن را تشخیص میدهد، این عامل باعث اندازهگیری اشتباه مکان جسم خواهد شد. به عنوان مثال در [10] نشان داده شده است که پدیده ذکر شده میتواند باعث شود جسمی که در عمق 2 متر قرار دارد به اشتباه در عمق 1,35 متر نشان داده شود. جبران این خطا در محیط نرم افزاری انجام میشود و مسیر شامل تضعیفکننده بین فرستنده و گیرنده در شکل 1 نیز به همین منظور در نظر گرفته شده است. این مسیر در [6] بوسیله تضعیفکننده و در [10] بوسیله کابلی با طول مشخص پیاده سازی شده است.
