大学计划 | 2021“兆易创新杯”研电之星展演—西安交通大学“毅行西迁队”

作为最近五年中国研究生电子设计竞赛（下文简称“研电赛”）的总冠名企业，兆易创新持续支持“研电赛”的发展，2021年全国共有5120支队伍成功报名参赛，同比增长34%，参赛师生接近3万人，参赛高校254所。研电赛已成为电子类相关学科研究生培养创新创业意识、增强团队精神、提升实践能力、促进青年创新创业人才全面成长的有效平台。

“兆易创新杯”第十七届中国研究生电子设计竞赛报名通道已于2022年4月9日正式开通，兆易创新在本届大赛中同样设置了企业命题，从企业命题赛道脱颖而出的优秀团队将有机会直接晋级全国总决赛，欢迎大家积极报名参与。作为第十七届研电赛的预热，兆易创新GD32MCU公众号将精选去年“研电赛”的优秀方案进行介绍，全方案展示“研电之星”的风采，为准备参赛的队伍提供指导方向。来自西安交通大学“毅行西迁队”的参赛作品名称为基于等效采样的超宽带钻孔雷达，该方案使用GD32F407IKH6作为主控MCU，其具有低功耗、高性能、接口丰富的特点，完全满足钻孔雷达系统的需求。该方案具有功率低、采样率高、小型化、重量轻的优势，同时直指国内缺少可用的商业化探地雷达的行业痛点，具有广泛的应用场景和巨大的应用潜力，在2021年兆易创新企业命题评选中荣获二等奖。

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队伍简介

学校名称：西安交通大学

队伍名称：毅行西迁

队员姓名：刘昌斌  王亚飞  王力

指导教师：张安学  师振盛

作品名称：

基于等效采样的超宽带钻孔雷达

Ultra-wideband borehole radar based on equivalent time sampling

一、作品背景

探地雷达技术作为一种无损的地下目标探测技术，广泛应用于军事排查、矿产地质勘探、工程质检、考古、搜救等方面。

目前国内外地面探地雷达技术已经较为完善，然而地面探地雷达通常体积大，功耗大，应用场景单一，价格也十分昂贵，而且其探测范围较小。

图1-1 国外地面探地雷达

图1-1 国外地面探地雷达

图1-2 本作品钻孔雷达

与普通地面探地雷达相比，钻孔雷达在探测过程中通过打孔的方式跳过了地表高衰减风化层，因而能够覆盖更大的探测范围和获取更多的地质信息。为了探测地表更深处的矿产资源，我们通常采用钻孔雷达。

我们致力于设计一款高性能钻孔雷达，用于地下煤层资源的勘探，并与中国煤炭科工集团西安研究院合作，用于商业推广。

我们所设计钻孔雷达系统优点在于：

1） 探测范围大，深度深

2） 体积小，便于打井测试

3） 功耗低，能保证长时间井下测试

4） 可同时应用于地面以及钻孔探测

5） 采用无线数据通信，摆脱传输线路的干扰

二.作品展示

1.结构设计

本作品根据钻孔雷达系统工作原理和小孔径工作的特点设计，整个雷达以PVC管为结构支撑，由发射天线、接收天线、脉冲源和接收机四部分构成。

图2-1 本作品宽带钻孔雷达系统结构示意图

图2-2 本作品宽带钻孔雷达系统实物展示图

三、作品难点及创新点

3.1 主控集成电路

主控电路是整个系统的核心，将协调脉冲源，可编程步进时延触发电路，信号调理单元，采样单元，数据传输单元等部分有序工作，此外，还需要承担一部分的数据处理任务。

图3-1 主控集成电路板

创新点：

1） 信号调理/采样部分采用固定功放加程控增益运算放大器灵活调理输入信号，实现时变增益等效采样技术，这是我们系统最大的创新点。已申请该技术的发明专利。

2） 系统的采样点数和步进延时在一定范围内都是可调的，因此能够适应不同项目的需要。

3） 通信方式多样，支持无线、光纤通信，满足对大量数据实时传输的需求。同时支持SD卡存储数据，适应不同的应用场景。

难点：

时序控制部分可编程延时高达64ns，延时步进最小低至10ps，最高等效采样率高达100GSPS，能够最大限度无失真地还原采样信号，获得更好的系统性能。

3.2 超宽带偶极子收发天线

天线作为钻孔雷达中关键组成部分，负责电磁波的有效辐射和接收。

图3-2 超宽带偶极子收发天线

创新点：

1） 超宽带偶极子收发天线采用一种新型铁氧体磁环加载同轴线的巴伦结构对天线进行馈电，解决天线馈电不平衡存在的问题，已申请天线的发明专利。

2） 整体天线采用铜箔制作，而且收发一体，天线重量轻，体积小，方便携带测试。

难点：

超宽带收发天线相对带宽80%，与系统匹配好，因此信号反射小，接收信号拖尾小。

3.3 400MHz窄脉冲信号源

时域窄脉冲源是系统的重要组成部分，它可以产生高幅值，拖尾小，波形稳定的超宽带时域窄脉冲信号，并由超宽带天线向目标辐射。

图3-3 400MHz窄脉冲信号源

3.4 上位机设计

上位机软件能对雷达扫描结果和接收信号波形进行实时显示、存储，还设计了数据回放和背景调色功能，方便对数据进行后处理。

图3-4 上位机界面

四．实用价值

我们对整个雷达系统进行了实地的测试，测试地点在中国煤炭科工集团西安研究院，目标选取了三处已知的地下深度3-5m的管道进行测试。测试结果如下图：

图4-1 实地测试结果

测试结果表明，三处管道均能被清楚检测出，目标的回波信号呈现出典型的双曲线特性，我们雷达系统性能良好，可用于实地测试。

在系统设计之初我们就对现有的钻孔雷达方案进行了调研，我们的钻孔雷达系统与国外非常成熟的已经商用的探地雷达相比，在探测深度和采样率上并不逊色。除此之外我们钻孔雷达还具有功耗低、小型化、无线通信、探测方式多样等优点。

目前我们国内探地雷达领域的痛点还在于缺少可用的商业化钻孔雷达！因此我们的钻孔雷达系统具有很广阔的应用前景及商业价值。

同时我们的钻孔雷达系统也获得了中煤科工西安研究院100万人民币的科研资金，目前正在筹划第二阶段的实地钻井对煤层的勘探测试。

五．作品功能展示

在实验室环境下，将探测目标放在可以遥控的小车上进行测试，通过遥控小车靠近或者远离收发天线来观测测试结果。

作品演示1

作品演示2

通过软件界面可以看到，该雷达系统能非常灵敏地实时检测出该目标，扫描波形呈现双曲线特性。

活动预告

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