CN106291479A - 一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端 - Google Patents

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Abstract

本发明属于井中雷达测井***的硬件组成单元，具体涉及一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端。本发明通过单片机控制电路根据最终输出信号的大小实现对增益步进值的实时调整控制，且提供开闭环可控的增益控制功能。混频器与滤波器电路对输入信号进行了至少两次下变频处理，使最终输出的中频信号频率带宽很窄，实现接收机对应的瞬时带宽很小，有效的抑制了噪声的干扰，提高***的灵敏度。增益控制单元中，增益均衡器的使用实现了高增益平坦度，并最终提供了‑13dB～95dB线性增益控制，以及0.5dB～16dB的增益步进。本发明实现了收发不同步模式，高增益平坦度，增益控制方便；适用于接收信号变化范围极大的接收机***中。

Description

一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端
技术领域
本发明属于井中雷达测井***的硬件组成单元，主要运用在接收天线后端对信号进行处理，输出双路射频信号供给后续数据采集单元，具体涉及一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端。
背景技术
随着人类对油、气等地下资源需求的日益增加，人们对地下探测技术的研究正在日趋增大。这就需要对资源分布和地质构造情况进行深入研究，而过高的实验成本，迫切需要一种高精确度、高效率的测井方法。井中雷达测井***是将钻孔雷达应用于石油测井的产物，其工作机理是借助电磁波在地下土壤与岩层中传播进而探测电磁特性不连续的地质异常，在获得高分辨率的同时，可达到井周5～10m的探测距离，相较于传统测井方法2～3m的探测距离更远，因此成为国内外研究的热门。
目前绝大多数的钻孔雷达都属于冲击脉冲体制，但这种雷达很难兼顾高分辨率和远的探测距离的要求，而与之对应的频域步进频率脉冲雷达可以做到对高分辨率和高探测距离的要求，该体制雷达通过发射高功率的超宽带小步进频率信号，当遇到电磁特性不连续的地下介质时其反射特性或者传输特性发生变化，最终再从反射波或者传输波形中通过脉压技术提取目标信息。该***通过发射天线与接收天线组阵的方式来实现目标的定位，实验中地层介质对于雷达波的衰减量最大可达100dB，且其输入信号变化范围极大。
由于深井下温度较高，所以要求器件具备耐高温性能；发射频综和回波信号频带很宽，还要求器件具有较宽的频带范围；井下复杂的环境对接收机的动态范围和灵敏度也提出了很高的要求。接收机作为雷达***接收处理信号的重要单元，极大地影响了整个***的性能，因此需要设计具有大动态范围和高灵敏度的接收机以满足雷达***的要求。
发明内容
针对步进频率脉冲体制的定向钻孔雷达接收天线信号需处理、回波信号变化范围极大的特征，为实现开闭环可控、极大线性增益控制范围以及极小增益步进，本发明提供了一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端。运用在石油测井中的，以应对井下复杂的环境对接收机的动态范围和灵敏度高的要求。
具体技术方案为：
一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端，包括相同的两块接收电路板。两块接收电路同时进行，第一路直接采集发射信号作为参考，另一路即第二路采集接收到的回波信号。
第一块电路板包括直接耦合器、高增益放大器、步进衰减器、混频器和滤波器；直接对发射信号进行采集，电路经至少两次混频滤波后输出；因为，该路信号采集与第二路信号采集是同步进行的，所以，最终将该路输出信号作为第二路的参考信号，以便于后续处理单元通过相位比较和幅度比较以求出***的传递函数。
第二块电路板路包括限幅器、低噪声放大器、增益均衡器、高速接收可控开关、增益放大器、数字步进衰减器、混频器、滤波器和输出级放大器依次级联组成射频链路；还包括单片机控制单元、峰值检波器和电源控制电路；并与第一电路混频滤波次数一致。
所述低噪声放大器、增益均衡器、放大器、数字步进衰减器和放大器依次级联组成增益单元。
所述单片机控制单元、电源控制电路与射频链路相连，对链路状态进行实时控制增益大小即构成开闭环可控增益控制单元AGC；单片机控制单元，根据最终输出信号的大小实现对增益步进值的实时调整控制，并提供开闭环可控的增益控制功能。
限幅器对直达波或大幅度的信号具有削峰作用，对所述接收机起保护作用。
进一步的，所述接收机从100MHZ-1500MHZ，1MHZ步进的频域信号中提取目标信息。
进一步的，所述高速接收可控开关受单片机控制，使其实现收发不同步模式即gated模式，从而，使接收机最大程度的免受直达波的影响。
进一步的，所述增益控制单元的线性增益控制范围-13dB～90dB，增益步进值在0.5dB～16dB之间可调。
进一步的，所述电源控制电路作为单独的控制模块与接收模块分开，避免了电磁干扰。
进一步的，所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，安装在55mm直径的玻璃钢管中，且在其中填充了相变材料，已达到整个***保持恒温的目的。
本发明通过单片机控制电路根据最终输出信号的大小实现对增益步进值的实时调整控制，且提供开闭环可控的增益控制功能。混频器与滤波器电路对输入信号进行了至少两次下变频处理，使最终输出的中频信号频率带宽很窄，所以接收机对应的瞬时带宽就很小，因此有效的抑制了噪声的干扰，提高***的灵敏度。增益控制单元中，增益均衡器的使用实现了高增益平坦度，并最终提供了-13dB～95dB线性增益控制，以及0.5dB～16dB的增益步进。并且均采用的耐高温器件制备。
综上所述，本发明实现了收发不同步模式，高增益平坦度，增益控制方便，-13dB～95dB线性增益范围，以及0.5dB～16dB的增益步进，且耐高温。适用于接收信号变化范围极大的接收机***中。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2实施例第一路***设计图；
图3实施例第二路***设计图；
图4实施例采用的数字步进衰减器结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图2所示为实施例第一路接收机前端***设计图。
此路为直接对发射信号进行采集，电路是经过两次混频滤波和增益放大后输出。因为，该路信号采集与第二路信号采集是同步进行的，所以，最终将该路输出信号作为第二路的参考信号，以便于后续处理单元通过相位比较和幅度比较以求出***的传递函数。
如图3所示为实施例第二路接收机前端***设计图。限幅器为具有0.1db的低噪声限幅二极管，其对过大的信号起削锋作用，从而对后续电路进行保护。高速接收可控开关，通过接收单片机控制单元的指令，完成收发不同步的任务，最小程度的减少了直达波的影响。
低噪声放大器、增益均衡器、前级高增益放大器、中间级增益放大器、数字步进衰减器、输出级放大器构成六级高增益平坦度的增益基本单元。
增益基本单元先将接收到的信号放大，通过两次下变频及滤波处理以后，再由峰值检波器提取处理后的信号交由单片机进行模数转换处理，最终根据处理后的信号大小对增益单元发送控制指令；也可以直接进行控制，即实现了开闭环可控的AGC控制单元。
增益基本单元是该接收机前端的核心部分，各级增益基元的有效增益器件分别为20dB低噪声放大器、30dB放大器、6位数字步进衰减器、20dB放大器，6位数字步进衰减器、20dB放大器，低噪放和前级放大器增益基元可在直通与有效增益器件两种状态间切换，进而调整增益。
低噪声放大器、前级高增益放大器等二级增益基元各自的有效增益器件电源导通/断开两种状态分别由一位信号控制切换，高速接收可控开关也由一位信号控制，对应为C1、C3、C2，该信号通过控制对应的一组SPDT或SPST开关来完成对两个链路通道间的切换。
数字步进衰减器是增益调整的关键所在，6档衰减量分别为16dB、8dB、4dB、2dB、1dB、0.5dB，选用的最小衰减量决定了接收机前端的增益步进，因此本发明的接收机前端增益步进在0.5dB～16dB间可调。数字步进衰减器的6档衰减量由单片机提供的6位控制信号直接控制切换，可以通过组合来调整衰减量，进而改变接收机前端的增益。此外，数字步进衰减器的电源使能位也由一位控制信号控制，对应为C4-C10(另一级数控衰减器由C11-C17控制)。
单片机控制单元和峰值检波器一起构成了闭环的AGC增益控制电路，此电路可以根据输出信号的大小来及时调整增益的大小，该模块也是电路的核心部分，为数字步进衰减器和选择开关提供控制信号，实现整个链路的增益控制功能。其中，数字步进衰减器的结构如图4所示，因此整个射频链路总共需要16位增益控制信号，对应地需14位二进制增益控制信号；2位二进制开关控制信号。
该接收机前端外部输入+12V DC，内部芯片需要+5V DC、-5V DC、+3.3V，因此设计了相应的+12V转换为+5V、-5V、的DC-DC变换电路，与+5V转换为+3.3V的DC-DC变换电路。
本实施例实现了-13dB～90dB线性增益控制范围，既满足大信号的衰减需要，又满足小信号的放大需求。

Claims (6)

1.一种井中雷达步进频率可控增益接收机前端，包括相同的两块接收电路板，其特征在于：两块接收电路同时进行，第一路直接采集发射信号作为参考，另一路即第二路采集接收到的回波信号；
第一块电路板包括直接耦合器、高增益放大器、步进衰减器、混频器和滤波器；直接对发射信号进行采集，电路经至少两次混频滤波后输出；该路输出信号作为第二路的参考信号，用于后续处理单元通过相位比较和幅度比较求出***的传递函数；
第二块电路板路包括限幅器、输入级低噪声放大器、增益均衡器、高速接收可控开关、增益放大器、数字步进衰减器、混频器、滤波器和输出级放大器依次级联组成射频链路；还包括单片机控制单元、峰值检波器和电源控制电路；并与第一块电路混频滤波次数一致；
所述低噪声放大器、增益均衡器、放大器、数字步进衰减器和放大器依次级联组成增益单元；
所述单片机控制单元，控制高速接收可控开关，使其实现收发不同步模式即gated模式；
所述单片机控制单元、电源控制电路与射频链路相连，对链路状态进行实时增益控制即构成开闭环可控增益控制单元；单片机控制单元，根据最终输出信号的大小实现对增益步进值的实时调整控制，并提供开闭环可控的增益控制功能。
2.如权利要求1所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，其特征在于：接收机前端从100MHZ-1500MHZ，1MHZ步进的频域回波信号中提取目标信息。
3.如权利要求1所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，其特征在于：所述增益控制单元的线性增益控制范围-13dB～90dB，增益步进值0.5dB～16dB。
4.如权利要求1所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，其特征在于：所述电源控制单元作为单独的控制模块与接收模块分开。
5.如权利要求1所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，其特征在于：安装在55mm直径的玻璃钢管中，且在其中填充了相变材料。
6.如权利要求1所述井中雷达步进频率可控增益接收机前端，其特征在于：运用在石油测井中。
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