隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计

＝＝：：：：：：＝＝：＝＝：＝：＝＝＝＝：：＝：：：：＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝文章编号：１６７１－５８９６（２００８）０５－０４５４－０５第２６卷第５期２００８年９月Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ吉林大学学报（信息科学版）ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖ０１．２６Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．２００８

隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计

邹爱民８，一，程德福８，一，王可可８…，赵飞８’ｂ

（吉林大学ａ．仪器科学与电气工程学院；ｂ．地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春１３００２６）

摘要：为解决探地雷达用于隧道地质超前预报时探测距离小的问题，在分析了雪崩三极管工作原理的基础上，设计了基于两级雪崩三极管串行级联的窄脉冲产生电路。该电路利用雪崩三极管作为电路的核心器件产生的窄脉冲，可满足探地雷达对发射脉冲大幅度、近似高斯单周波的要求。实验结果表明，脉冲源在５０Ｑ负载下，能生成幅度２５６Ｖ、３ｄＢ带宽可匹配中心频率为１００ＭＨｚ的探地雷达超宽带天线、重复频率可达１００ｋＨｚ的窄脉冲信号，具有硬件简单，性能稳定等优点，可作为探地雷达进行隧道地质超前预报时的发射信号源，实现大深度探测。

关键词：隧道地质超前预报；探地雷达；窄脉冲；雪崩三极管

中图分类号：ＴＮ７８４文献标识码：Ａ

ＰｕｌｓｅｒＤｅｓｉｇｎｉｎＧＰＲｆｏｒＴｕｎｎｅｌＧｅｏｌｏｇｙＦｏｒｅｃａｓｔ

ＺＯＵＡｉ—ｍｉｎ８一，ＣＨＥＮＧＤｅ—ｆｕ８…，ＷＡＮＧＫｅ—ｋｅ８一，ＺＨＡＯＦｅｉ８’ｂ

（ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆ

ｂ．ＫｅｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｎｅｅｒｉｎｇ；ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏ—ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒｙ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ１３００２６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｈｅｎＧＰＲ（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ）ｉｓｕｓｅｄｉｎｔｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｙｆｏｒｅｃａｓｔ，ａ

ｑｕｉｒｅｄａｓｎａｒｒｏｗｐｕｌｓｅｉｓｔｏｒｅ—ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｉｇｎａｌ．ＴｈｅｎａｌＴｏｗｐｕｌｓｅｍｕｓｔｈａｖｅｌａｒｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｓｕｉｔａｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍｍｅｅｔｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｒｅｑｕｅｓｔｏｆｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ

ｓｔａｇｅｄｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｖａｌａｎｃｈｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｗｏ—ｓｅｒｉｅｓｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｎａｒｒｏｗｐｕｌｓｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ

ｃａｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｉｎｔｏｔｈｅ５０Ｑ１０ａｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅｉｓ２５６Ｖａｎｄ３ｄＢｂａｎｄｗｉｄｔｈｍａｔｃｈｔｈｅＵＷＢ

（ＵｌｔｒａＷｉｄｅ．Ｂａｎｄ）ａｎｔｅｎｎａｓ

ｃａｎｗｉｔｈ１００ＭＨｚｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｓｅｄｉｎＧＰＲ．Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｃａｎｒｅａｃｈｔｏ１００ｋＨｚ．Ｔｈｅｐｕｌｓｅｒｂｅｍａｄｅｅａｓｉｌｙａｎｄｗｏｒｋｓｗｅｌｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｙａｄｖａｎｃｅｄｆｏｒｅｃａｓｔ；ｇｒｏｕｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ

ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｐａｄａｒ（ＧＰＲ）；ｎａｒｒｏｗｐｕｌｓｅ；ａｖａｌａｎｃｈｅ

引言

隧道施工中的地质超前预报既是国际前沿课题，也是个难题‘¨。综合国内外应用情况，应用最多、

Ｓｅｉｓｍｉｃ效果最好的超前探测方法技术仍是探地雷达、超前水平岩芯钻探及ＴＳＰ（ＴｕｎｎｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）

法‘２１。探地雷达用于隧道地质超前预报，分辨率高但探测距离小，可通过采用低频段超宽带天线和增大辐射脉冲的能量解决这个问题。同时，大幅度、纳秒级窄脉冲的产生及测量也是探测领域内热点、难点问题之一［３＿７ｌ。

收稿日期：２００８－０６－２３

基金项目：教育部骨干教师基金资助项目（４０６０４０００００５９）

作者简介：邹爱民（１９８２一），男，吉林松原人，吉林大学博士研究生，主要从事探地雷达技术研究．（Ｔｅｌ）８６－１３０１９２１２６２８

（Ｅ－ｍａｉｌ）ｚｏｕａｉｍｉｎｌ９８２＠１６３．ｅｏｍ；程德福（１９５９一），男，辽宁朝阳人，吉林大学教授，博＿｛：，博士生导师，主要从

事信号检测与处理、智能仪器和地球探测仪器研究，（Ｔｅｌ）８６・１３６０４３１９５８９（Ｅ－ｍａｉｌ）ｅｈｅｎｇｄｅｆｕ＠ｊｌｕ．ｅｄｌＬｃｎ。

第５期邹爱民，等：隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计４５５

近年来，由于双极型三极管的制造工艺及相关测量工具的性能有了很大提高，雪崩三极管应用越来越广泛。利用雪崩三极管作为电路的核心器件产生的窄脉冲，可满足探地雷达对发射脉冲大幅度、近似高斯单周波的要求。基于单个雪崩三极管电路获得的窄脉冲，其幅度和宽度是彼此制约的。为了同时满足幅度和脉宽要求，通常是将雪崩三极管接成类似于Ｍａｒｘ发生器的形式，可实现电容的并联充电和串联放电，具有供电电压低、脉冲幅度大的优点。但脉冲后沿不易控制，且级联数目较大时，各雪崩管同时触发也难以保证。串行连接方式电路简单，可保证各管同步放电，分布电容较小，且高电压可进一步加速前沿，代价是需要较高的直流电压∞一３｜。基于以上分析，笔者设计了基于两级雪崩管串行结构的窄脉冲发生电路，获得的脉冲满足应用要求。

１信号源方案设计

设计方案是在雪崩三极管原理电路基础上，采用串行级联方式，单个雪崩三极管基射级短接以工作在零电压模式（触发级除外），高压电源通过射级

跟随器加到雪崩电路，使脉冲的重复频率可达

１００ｋＨｚ。改变雪崩电容值或雪崩三极管串联级数可

图１调节脉宽和脉幅。窄脉冲源方框图如图１所示。２雪崩三极管的基本原理窄脉冲源系统框图

Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍｄｉａｇｒａｍｏｆｐｕｌｓｅｒ

２．１三极管的雪崩理论

当ＮＰＮ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ—Ｐｏｓｉｔｉｖｅ．Ｎｅｇａｔｉｖｅ）型晶体管的集电结加反向高压时，集电结空间电荷区内的电场强度比低压运用时大得多。进入集电结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子空穴对，新产生的电子、空穴又被强电场加速而重复上述过程。于是流过集电结的电流便“雪崩”式增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应¨４１。雪崩效应显著的三极管称为雪崩三极管。２．２三极管雪崩基本电路

ｒＩ＝ＩＲ＋Ｉ＾

飚．２羔ｖ鲥ａｌａｎｃｈｅ…ｔｒａｎｓｉｓ路ｔｏｒ妇疵荛耄裟篓霹笺桀名蓬麓耋（１）ｊ％＝Ｋｃ“ＲＲ

ｌ％。＝ｕ。ｃ。，一吉ｆｉ．出一ｉ。尺。

。

压，“（０）为电容上的初始电压，Ｒ为静态负载电阻，Ｒ。．为动态

负载电阻，Ｃ为雪崩电容，ｔ。为雪崩时间。由式（１）可求解出雪崩过程动态负载线的方程

（２）％＝哪）一新［“毕卜［ｉ＋半Ｒ。．

酞Ｅ＝玑（０）一－１－ｄｆｉｄｔ—ｉＲＬ在具体电路中，Ｒ为数十千欧，而Ｒ。为数十欧，因此雪崩电流ｉ。ｔｔ静态电流，Ｒ大得多，故ｉ兰ｉ。。（３）

ｉ兰÷［Ｕ。（０）一％。］（４）

４５６吉林大学学报（信息科学版）第２６卷

式（３）表示，在雪崩状态下，动态负载线是可变的，而式

（４）表示斜率最陡的一根负载线。雪崩三极管工作点

的移动情况如图３所示。雪崩三极管的静态工作点为Ｐ

点，反向基极注入为一，ｍ，由Ｒ所决定的静态负载线

为ＵＰ。由于Ｐ点处在特性曲线的正阻区，所以是一个

稳定点，三极管是截止的。当正触发脉冲加入后，工

作点沿着静态负载线左移到Ｑ点，它处在曲线的负阻

区域；所以是不稳定点，雪崩开始。负载线立刻从静

态变为动态。集电极电容ｃ开始放电，动态负载线完全

由式（２）决定，可用（３）式加以说明。现将式（３）改写为

如下形式

ＵｃＥ＝吒ｃ—ｉＲ。．（５）

１一＾

图３三极管工作点的移动其中吒。＝酞（０）一寺Ｊｕｉｄｔ，称为动态电源。这样雪崩ｏ０

Ｆｉｇ．３Ｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ过程的动态负载线主要由ＵＰ决定。从图３中看出，雪

崩开始后负载线由咿变为吒。Ｑ，其斜率近似为

一１／Ｒ。。由于雪崩倍增的作用，使工作点以很快的速度推到点Ⅳ，点，ｖ是特性曲线一ｋ与动态负载线的交点。若基极触发信号足够大，可将工作点进一步推进到点肘，雪崩管发生了二次击穿，随着电容不断放电，ｉ由大渐小，雪崩过程结束。最后由于偏置作用又回到Ｐ点。在雪崩过程中，瞬时功耗很大，但由于雪崩持续时问很短，触发信号频率较低，故平均功耗不大。

３实验电路及测试结果

３．１雪崩三极管的选择

实验选用的雪崩三极管为２Ｎ３０３３，其雪崩击穿电压在３５０Ｖ左右（零电压模式），用晶体管图示仪可明显看到二次击穿现象，上升时间小于２ｎｓ。可保证雪崩三极管串联级数少，电路简单，且脉冲前沿足够陡。在实用中要注意，同一型号的三极管击穿极限参数也可能相差较大，要尽量选择雪崩特性相同的三极管，也可用２Ｎ３０３４或２Ｎ３０３５代替２Ｎ３０３３。新管有漂移现象，使用之前要进行老化，以稳定其击穿电压。

３．２实验电路

实验电路采用两级雪崩三极管串联结构。脉冲源电路如图４

所示。电源电压为８００Ｖ，Ｑ：和Ｑ，为雪崩三极管，Ｑ：基射级短接

以工作在零电压模式，可提高其击穿电压，Ｑ，为触发级。Ｑ：和

Ｑ，静态时均处于临界雪崩状态。当触发脉冲到来时，Ｑ：和Ｑ，发

生雪崩击穿，ｃ．迅速通过雪崩管放电，在负载电阻上获得瞬时雪

崩电流。由于兄的限流作用，可保证Ｑ：和Ｑ，不会发生热击穿而

烧毁，但如果见阻值过大，则会使电路的充电恢复时间过长，脉

冲源可重复频率降低。在Ｑ：和电源之间加入三极管Ｑ，协助Ｒ，限

流，可较好地解决这个问题。Ｑ。为ＮＰＮ型三极管２ＳＣ３３５５，Ｒ，和・

尺：为Ｑ。提供基极偏置电压，使Ｑ。集电结反偏，尺。取为２０ｋＱ。

集电极雪崩电容Ｃ，为２０ｐＦ，恐为标准负载电阻５０Ｑ，Ｃ：和Ｒ。图４脉冲源电路

组成的微分触发电路参数分别为ＩｎＦ和８００Ｑ。Ｄ。为高速开关二Ｆｉｇ．４Ｐｕｌｓｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

极管，保证Ｑ，的发射结不会承受较大的反向电压。

３．３实验结果

第５期邹爱民，等：隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计４５７

所加触发信号为方波，幅值１．５Ｖ，重复频率１０ｋＨｚ。示波器为泰克７５４Ｃ（５００ＭＨｚ带宽）。实测波形如图５所示，对应的信号频谱图如图６所示。

测得脉冲的参数如下。

极性：单极性波

峰值：２５６Ｖ

ｎｓ半高宽：４．５

前沿：２

３重复频率：１０ａｓｎｓｋＨｚ后沿：２．６ｄＢ带宽：０～２００ＭＨｚ

拖尾幅度比：１９％

频率稳定度：１０。６

峰值抖动：３％

半高宽抖动：ｌ％

图５脉冲源输出波形图６输出波形频谱图

Ｆｉｇ．５ＯｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｐｕｌｓｅｒＦｉｇ．６ＦＦＴｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍ

由于受到示波器探头的分布电容影响，实际信号的拖尾要比测得的信号拖尾小。在其他实验条件不变的情况下，改变雪崩电容ｃ。的值可获得不同宽度和幅度的脉冲，分别用ｌｏｐＦ，１５ｐＦ和２０ｐＦ的雪崩电容进行测试，获得脉冲的各项参数如表１所示。

表１Ｃ。与脉冲参数的对应关系

ａｎｄｐｕｌｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓＴａｂ．１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＣｌ

从表ｌ可以看出，改变雪崩电容值，可获得具有不同峰值和半高宽的窄脉冲。它们作为不同中心频率超宽带天线的辐射脉冲源，在实际应用中可获得不同的探测深度和分辨率。

笔者采用了两级雪崩三极管串联结构。若增加雪崩三极管的串联级数，其他实验条件不变，获得的窄脉冲可在保持半高宽基本不变的基础上具有更大的幅度，但需要供电电压更大的直流电源。

４结语

笔者详细分析了雪崩三极管的工作原理，设计了基于两级雪崩管串行结构的窄脉冲发生电路，获得窄脉冲幅度可达２５６Ｖ，半高宽４．５ｕｓ，３ｄＢ带宽可匹配中心频率为１００ＭＨｚ的探地雷达超宽带天线，且脉冲拖尾较小，重复频率可达１００ｋＨｚ，波形一致性好。脉冲源电路简单，性能稳定，可作为探地雷达进行隧道地质超前预报时的发射信号源，实现大深度探测。

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隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计

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被引用次数：邹爱民， 程德福， 王可可， 赵飞， ZOU Ai-min， CHENG De-fu， WANG Ke-ke， ZHAO Fei 吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春,130026;吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室,长春,130026吉林大学学报（信息科学版）JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(INFORMATION SCIENCE EDITION)2008,26(5)1次

参考文献(15条)

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1. 杨瑜. 方广有. 阴和俊. YANG Yu. FANG Guang-you. YIN He-jun 雪崩晶体管在探地雷达中的应用[期刊论文]-微计算机信息2008,24(14)

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[期刊论文]-铁道建筑2007(10)

4. 张扬. 陈敏德 四路高压快脉冲源研制[会议论文]-2003

5. 李忠 新倮纳隧道地质超前预报中TSP-202探测系统搜索角研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报2002,21(8)

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引证文献(1条)

1. 邹爱民. 程德福. 王慧博. 于兰 基于串行雪崩纳秒脉冲源的设计[期刊论文]-自动化与仪表 2012(5)

引用本文格式：邹爱民. 程德福. 王可可. 赵飞. ZOU Ai-min. CHENG De-fu. WANG Ke-ke. ZHAO Fei 隧道地质超前预报探地雷达脉冲源的设计[期刊论文]-吉林大学学报（信息科学版） 2008(5)