CN103278816A - 基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探地雷达技术领域，是基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统。其特征是：信号生产采集系统的信号产生端与雷达发射通道导通，信号生产采集系统的信号采集端与雷达接收通道导通，信号生产采集系统通过USB接口和串口与电脑导通；信号生产采集系统生成雷达信号由雷达发射通道发射，信号经石油管道后再由雷达接收通道接收，并将信号重新送入信号生产采集系统，信号生产采集系统将收到的信号送入电脑作即时处理，电脑中应用软件结合信号做成像处理。该系统利用石油对电磁波的吸收较对干燥土壤吸收要大，利用成像后石油管道变化的幅度检测，可以实现对石油管道漏油检测。

Description

基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统

技术领域

本发明涉及探地雷达技术领域，是基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统。

背景技术

近年来，雷达近场探测技术由于需求的牵引逐渐成为雷达应用研究的热点问题之一，近场雷达可以应用于不同的场合，例如；穿墙探测、地雷探测、公路无损检测、地下掩体的探测以及考古挖掘。目前，雷达工作在近场模式，基本是以探测为主，还没有成像功能。

随着近几年国内经济快速的发展，石油管道运输也得到了迅猛发展。截止2008年中石油、中石化等石油企业的石油天然气管道总长度突破了5万公里，延长石油集团管道也达到了1300多公里。随着埋地石油天然气管道数量的增多，管道泄露等安全隐患一直困扰着石油企业，如何及时掌握埋地管道安全状况，及时发现管道泄露，并能准确定位，一直是油气输送研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，利用石油对电磁波的吸收较对干燥土壤吸收要大，利用成像后石油管道变化的幅度检测，可以实现对石油管道漏油检测。

本发明的技术方案是基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，该系统的硬件设备主要包括雷达发射通道、雷达接收通道、信号生产采集系统和电脑，其特征是：信号生产采集系统的信号产生端与雷达发射通道导通，信号生产采集系统的信号采集端与雷达接收通道导通，信号生产采集系统通过USB接口和串口与电脑导通；信号生产采集系统生成雷达信号由雷达发射通道发射，信号经石油管道后再由雷达接收通道接收，并将信号重新送入信号生产采集系统，信号生产采集系统将收到的信号送入电脑作即时处理，电脑中应用软件结合信号做成像处理。

所述的雷达发射通道是由调制器、功率放大器和耦合器依次导通，调制器与信号生产采集系统中的Cordic 模块产生线性调频信号模块导通，耦合器输出端连接发射天线，且耦合器与雷达接收通道的混频器导通。

所述的雷达接收通道是由接收天线依次与混频器、带通滤波器和中频放大器依次导通，功率放大器的输出端与信号生产采集系统的AD采样模块导通。

所述的信号生产采集系统是由雷达主控逻辑模块分别与Cordic 模块产生线性调频信号模块和AD采样模块导通构成；Cordic 模块产生线性调频信号模块的输出端与雷达发射通道1的调制器导通，其输入端与频率源导通；AD采样模块的输入端与雷达接收通道的混频器导通，AD采样模块的输出端通过USB接口和串口与电脑导通。

所述的成像处理采用频域校正距离弯曲的算法，并经过slot插。

所述的成像处理中的大地介电常数采用速度波谱结合相干雷达的调频率估计的方法进行估计。

本发明的特点是用了外差式去斜的雷达接收方式，以降低信号采集单元中对AD采样的要求，并且通过频域成像的方法实现对漏油区的成像，通过阈值比较的方法实现对漏油区的检测。这种方法简单、有效的可以检测石油管道的漏油区，同时该方法应用的设备结构简单、易于该方法的实现。

附图说明

下面将结合实施例对本发明作进一步的说明：

图1是基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统的结构示意图；

图2是雷达发射通道的结构示意图；

图3是雷达接收通道的结构示意图；

图4是信号生产采集系统的结构示意图；

图5是DDS产生线性调频信号模块的结构示意图；

图6是大地介电常数的估算方法流程图；

图7是成像处理的方法流程图；

图8是成像处理后的显示结果图。

图中：1、雷达发射通道；2、雷达接收通道；3、信号生产采集系统。

具体实施方式

基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统的设计原理：通过雷达发射通道将线性调频信号发射后，经过石油管道后，再由雷达接收通道接收，雷达接收通道采用了外差式去斜的雷达接收方式，以降低信号采集单元中对AD采样的要求，并且通过频域成像的方法实现对漏油区的成像，通过阈值比较的方法实现对漏油区的检测，最后由电脑成像显示，可以直观的观测到石油管道的漏油区域。

根据以上的原理设计出以下的系统：

如图1所示，该系统的硬件设备主要包括雷达发射通道1、雷达接收通道2、信号生产采集系统3和电脑。

如图2所示，雷达发射通道1是由调制器、功率放大器和耦合器依次导通，调制器与信号生产采集系统3中的DDS产生线性调频信号模块导通，耦合器输出端连接发射天线，且耦合器与雷达接收通道2的混频器导通。

雷达发射信号由FPGA 中Cordic 模块产生，经过正交调制器，其作用是将雷达的基带信号调制到1.5GHz的中心频率上，然后经过功率放大器，将信号功率放大到20dBm左右，然后送到发射天线上，由天线将电磁波的能量辐射出去。

由DDS产生的信号功率大约在0dBm ，因此在进入到发射天线之前，需要进行调制和功率放大，功率放大器的增益为20dB左右。

耦合器是需要从功率放大器输出端耦合出一个小信号，作为接收机的本振，本振功率大约为7dBm。

如图3所示，雷达接收通道2是由接收天线依次与混频器、带通滤波器和中频放大器依次导通，功率放大器的输出端与信号生产采集系统3的AD采样模块导通。

混频器采用了去斜混频的方式，这种方式可以有效的减少接收机对AD采样的要求，滤波器是抑制近程和远程的无用信号，提高信号的信噪比。中频放大器是将滤波后的信号进行有效放大达到AD可采样的范围。

接收机可以检测到的最小功率和工作的带宽以及热噪声系数有关，接收机能检测到的最小功率为（接收机带宽按5MHz计算）：

           

上式中B是接收机的带宽，是接收机噪声系数。

发射信号经过地面反射，包括泄露，到达接收端天线最大功率约为10dBm.

接收机的动态范围约为：99dB。

经过混频器后，信号的输出功率电平范围是：2dBm到-107dBm。

滤波器的主要功能是滤除地面的强反射波以及从发射天线直接反馈到接收天线的直达波。滤波器在阻带内有约-40dB的增益。经过滤波器滤波后，穿透地表回波经过地下目标反射后回波的大小按-20dBm估算。此时输入到中频放大器的信号功率电平范围是：-20dBm到-107dBm

如图4所示，信号生产采集系统3是由雷达主控逻辑模块分别与Cordic 模块产生线性调频信号模块和AD采样模块导通构成；Cordic 模块产生线性调频信号模块的输出端与雷达发射通道1的调制器导通，其输入端与频率源导通；AD采样模块的输入端与雷达接收通道2的混频器导通，AD采样模块的输出端通过USB接口和串口与电脑导通。

如图5所示，正交的信号线性调频信号的产生采用了相干直接数字频率合成器即直接数字频率合成器是从相位出发直接综合成所需波形的一种频率合成技术。但要实现大时宽的线性调频信号，要消耗大量的RAM资源，通常的FPGA芯片没有那么大的容量，所以传统的FPGA+ROM方法无法实现。为了解决这个问题，提出了基于Cordic实时计算线性调频信号相位的实现，这个方法不需要使用RAM资源，就可以完成线性调频信号的实现。采用Cordic 算法的两路正交信号框图，用这种方法，可以产生带宽为900MHz的线性调频信号。

信号生产采集系统3生成雷达信号由雷达发射通道1发射，信号经石油管道后再由雷达接收通道2接收，并将信号重新送入信号生产采集系统3，信号生产采集系统3将收到的信号送入电脑作即时处理，电脑中应用软件结合信号做成像处理。

如图6所示，大地介电常数是成像处理中需要应用的重要数据，由于大地介电常数直接影响着雷达图像聚焦的情况，在本雷达中，采用了速度波谱结合相干雷达的调频率估计的方法进行大地介电常数的估计，其中，速度波谱法可以得到大地的粗介电常数的估计值，而采用相干累积的调频率估计方法如MD（map drift） 法，PD （phase difference）法，可以得到更为精确的介电常数估计。

如图7所示，成像处理中采用了频域校正距离弯曲的算法，并且经过slot插值，消除雷达观测中距离向和方位向的耦合，图7中变量u和v是水平面上正交的两个方向，

是发射信号的波数。算法主要与傅立叶变换和复数乘法运算，因此算法非常有利于实时处理。

如图8所示，经过成像处理后，可以对石油管道上方的地物进行成像，如果有漏油区，则石油管道会被漏油区遮挡，有漏油情况下石油管道的幅度值，要比没有漏油情况下石油管道成像的幅度值小。

在图8中，红色的亮线表示石油漏油管道，管道中有一段变蓝的区域，表示该区域有漏油。在图中，纵坐标表示距离，横坐标表示测量的时间。

 本实施例没有详细叙述的部件和结构及计算方法属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (6)

1.基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，该系统的硬件设备主要包括雷达发射通道（1）、雷达接收通道（2）、信号生产采集系统（3）和电脑，其特征是：信号生产采集系统（3）的信号产生端与雷达发射通道（1）导通，信号生产采集系统（3）的信号采集端与雷达接收通道（2）导通，信号生产采集系统（3）通过USB接口和串口与电脑导通；信号生产采集系统（3）生成雷达信号由雷达发射通道（1）发射，信号经石油管道后再由雷达接收通道（2）接收，并将信号重新送入信号生产采集系统（3），信号生产采集系统（3）将收到的信号送入电脑作即时处理，电脑中应用软件结合信号做成像处理。

2.根据权利要求1中所述的基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，其特征是：所述的雷达发射通道（1）是由调制器、功率放大器和耦合器依次导通，调制器与信号生产采集系统（3）中的DDS产生线性调频信号模块导通，耦合器输出端连接发射天线，且耦合器与雷达接收通道（2）的混频器导通。

3.根据权利要求1中所述的基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，其特征是：所述的雷达接收通道（2）是由接收天线依次与混频器、带通滤波器和中频放大器依次导通，功率放大器的输出端与信号生产采集系统（3）的AD采样模块导通。

4.根据权利要求1中所述的基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，其特征是：所述的信号生产采集系统（3）是由雷达主控逻辑模块分别与FPGA中Cordic模块产生线性调频信号模块和AD采样模块导通构成；Cordic模块产生线性调频信号模块的输出端与雷达发射通道（1）的调制器导通，其输入端与频率源导通；AD采样模块的输入端与雷达接收通道（2）的混频器导通，AD采样模块的输出端通过USB接口和串口与电脑导通。

5.根据权利要求1中所述的基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，其特征是：所述的成像处理采用频域校正距离弯曲的算法，并经过slot插。

6.根据权利要求1或5中所述的基于线性调频信号体制的石油漏油泄露的雷达检测系统，其特征是：所述的成像处理中的大地介电常数采用速度波谱结合相干雷达的调频率估计的方法进行估计。

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