探地雷达(GPR,Ground Penetrating Radar)技术是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法,广泛应用于各种近地表探测。GPR应用趋于多样化,包括地质工程探测、沉积物探测、冰川探测、军事应用和考古探测等。探地雷达具有无损探测,高效率,高分辨率,结果直观等优点。由于探地雷达应用领域的扩展,已经远远超出了“探地”的范畴,到目前为止,探地雷达已经成为一种常规的探测技术,可以解决很多实际探测应用问题,因此,对于探地雷达系统的要求也不断地提高,目前国外的商业探地雷达系统种类很多,但价格昂贵,因此,研究探地雷达系统技术对国产探地雷达仪器的开发以及对地球物理工程应用具有重要意义。冲击脉冲探地雷达属于时间域探地雷达,也称为无载波探地雷达。时间域探地雷达应用比较广泛,属于超宽带雷达的一种,它将电磁波脉冲通过天线一次性地发射出去,发射的是无载波电磁脉冲信号,并采用宽带的接收机接收经过不同介质的电磁脉冲回波信号,电磁波在不同介质传中的传播路径、波形和电磁场强度会有所不同,分析采集到回波信号的时间、幅度以及波形特点来判断地层结构和目标体信息。时间域探地雷达以脉冲式探地雷达为主,它在商用探地雷达中占统治地位,使用简单,而且冲击脉冲探地雷达具有探测穿透能力强、分辨率高、功耗小、结构简单等优点,广泛应用于地质工程探测的各个领域。冲击脉冲探地雷达系统的组成主要包括时间域脉冲源、收发天线系统、数据采集部分与数据处理等。本文主要研究了一种冲击脉冲探地雷达系统的硬件组成,对系统的主要单元进行了基础研究,研究内容包括脉冲源、采集与控制、系统天线,通过实验对本文所设计的探地雷达系统进行测试,分析测试结果。首先,本文对探地雷达的发展阶段和国内外发展情况做了详细的阐述,介绍了探地雷达技术及理论基础,同时给出了冲击脉冲探地雷达系统关键技术的总体设计方案和技术指标,对于冲击脉冲探地雷达系统来说,必须选择合适的系统参数,包括脉冲信号的宽度、幅度、天线的中心频率以及数据采样率等。其次,对探地雷达脉冲源进行设计,基于雪崩三极管的雪崩效应产生的脉冲信号通常为单极性,然而实际探测雷达装置中往往需要双极性脉冲信号,以便于与天线连接。本文所设计的探地雷达脉冲源能够产生双极性纳秒级脉冲信号,以雪崩三极管脉冲发生电路为核心,采用一个雪崩晶体管来产生具有快速上升沿的时域脉冲信号。利用Multisim电路仿真软件,分析影响脉冲源输出信号的主要因素,合理设置元器件参数,优化电路结构,制作基于雪崩三极管的双极性脉冲源电路。本文设计的脉冲源电路结构简单、性能稳定,输出波形良好,且无拖尾现象,产生的双极性脉冲信号幅度、宽度、频率、重复率等指标均满足探地雷达系统的基本要求。然后,设计与脉冲源互相匹配的探地雷达天线,天线是探地雷达系统重要组成部分之一,探地雷达系统的天线一般为宽带对称天线,天线的性能会影响探地雷达的探测结果,天线的技术指标要与设计的脉冲源互相匹配,脉冲信号馈电给天线。天线的设计需要考虑到宽带信号中心频率的选择,用于冲击脉冲探地雷达系统的典型天线形式为蝶形振子天线或偶极子天线。本文设计了这两种天线,蝶形天线和平面偶极天线,利用HFSS电磁仿真软件进行设计与分析,研究探地雷达天线的形状和尺寸,分析天线的回波损耗、辐射性能,优化天线模型,根据仿真模型,对所设计的天线进行加工制作,实际天线使用网络分析仪测试,测试结果表明所设计的探地雷达天线具有频带宽、方向性好、时间域信号不失真的特性,表现优异,本文设计的两种天线均可适用于探地雷达系统。再次,完成数据采集与控制系统的设计,在分析实时采样和等效采样两种采样技术基础之上,本系统采用等效采样技术,该方案对现有的模数转换芯片的依赖性相对较小,通过对采样时间精确的延迟控制,实现回波信号的采集,更容易满足探地雷达数据采集系统要求。利用现场可编程门阵列(FPGA)实现系统的时序控制,实现了探地雷达数据的采集、缓存和传输,通过USB通信电路将采集到的探地雷达数据传输到计算机中后,可对保存的数据进行处理与分析,同时设计了基于Labview的探地雷达界面显示,便于观察采集数据回波信号波形。利用窄方波信号和正弦信号模拟探地雷达回波信号对采集模块功能进行了验证,测试效果良好。最后,过对脉冲源电路、天线系统以及采集单元进行整合,通过整体测试来验证本文设计的冲击脉冲探地雷达系统的正确性和可行性,合理设计实验方案,观察采集结果。实验首先对探地雷达直达波信号和反射信号进行了测试,单道数据波形直达波信号和反射波信号波形均显示正确合理。本文还采用共偏移距的探测方式,对整条测线进行数据采集,由于受噪声干扰严重,对采集到的探地雷达数据进行去噪来提高数据成像质量,突出目标体位置。对去噪后的探地雷达数据结果进行分析,实测剖面中目标体清晰可见,实验结果表明本文设计的冲击脉冲探地雷达系统具有探测目标体的能力,整个系统工作稳定。