中文引用格式： 王光宇，沈紹祥，樊鵬杰，等. 基于雙鎖相環的高分辨率步進頻探地雷達設計[J]. 電子技術應用，2025，51(7)：115-123.
英文引用格式： Wang Guangyu，Shen Shaoxiang，Fan Pengjie，et al. Design of a high-resolution stepped-frequency ground penetrating radar based on dual phase-locked loops[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(7)：115-123.
引言
探地雷達（Ground Penetrating Radar, GPR）因無損探測、便捷快速、分辨率高等優勢，目前已成為地下勘探的重要手段之一[1-4]。在GPR應用中，為了獲得更高的距離分辨率，往往要求發射信號具有更大的帶寬[5]。在較寬頻帶要求下，傳統的沖激體制GPR需要發射很窄的脈沖信號，但這樣的信號很難實現較高的發射功率，在高分辨率應用中往往效果不佳[6]。步進頻率體制GPR通過合成帶寬的方式能更好地適應高分辨率大帶寬的探測需求[5,7]。
早在20世紀70年代步進頻率信號就已被研究[8]，后來得益于矢量網絡分析儀的應用，步進頻GPR技術得以快速發展。廣州大學劉海與日本東北大學佐藤源之教授合作，基于VNA搭建了陣列式步進頻GPR系統，成功檢測了分層介質中的薄層縫隙[9]。中國科學院空天信息創新研究院的張經緯，基于矢量網絡分析儀搭建了步進頻GPR，提出了步進頻GPR建模方法和天線補償方法，實現了公路薄層檢測[10]。直到現在，很多關于步進頻GPR的研究依然是用矢量網絡分析儀搭建系統[11-15]。但矢量網絡分析儀畢竟不是專用于步進頻GPR的，它成本高、體積大，在實際應用場景中往往有諸多不便。研究和設計步進頻GPR硬件系統對于該技術的發展和應用具有重要意義。
查閱近5年文獻，發現關于步進頻GPR的研究幾乎都是信號處理等方面，很難看到硬件系統設計方面的成果[16-19]，而以前的硬件系統漸漸難以滿足現代化的要求。中科院空天院的屈樂樂用直接數字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）開發了一款小型化步進頻GPR系統[20]，但受限于DDS工作頻率只有30~180 MHz，較低的帶寬使得分辨率只有米級。意大利佛羅倫薩大學采用鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）的方式設計了步進頻率雷達[21]，但其系統主體都采用了模擬電路，所以龐大笨重，結構復雜，使用不方便。中科院空天院的劉曉飛利用DDS、PLL和混頻器設計了輸出頻率為0.5~2.5 GHz的步進頻GPR收發機[22]，但其采用復雜的混合頻率合成方式，不僅電路結構繁雜，且難以滿足信號的相位要求，甚至可能導致最后無法脈沖壓縮成像。
為了滿足現代GPR高分辨率、小體積、低成本、穩定可靠和使用靈活的多重要求，本文設計了一套新型的高分辨率步進頻GPR硬件系統，其不僅工作頻帶為0.5~3.5 GHz，可實現優于5 cm的高分辨率，且電路結構簡潔，成本低，體積小，重量輕，還支持系統多參數靈活調節以提高性能，滿足多種場景的應用需求。
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作者信息：
王光宇1，2，3，沈紹祥1，2，樊鵬杰1，2，3，李彬彬1，2，3，劉小軍1，2
（1.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094；
2.中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室，北京 100190；
3.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049）
