CN103765246A - 非侵入的实时下层土检查的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于验证任何地下设施的存在的非侵入下层土检查装置，包括：移动支撑结构（2），能够在至少一个水平方向移动，以及支持多个天线（A），所述多个天线适于向土壤发送电磁信号和接收响应回波；以及电子处理单元，适于分析由所述天线采集的数据和重构由所述机器扫描的下层土部分的图像。

Description

非侵入的实时下层土检查的装置和方法

技术领域

本发明涉及非侵入的实时三维下层土检查的装置和方法。

背景技术

确切地说，本发明涉及下层土检查雷达装置，用于在管道输送时验证若干物体的存在，比如管道，通常的导管，电缆或金属结构。这种类型的机器在本领域中的使用，例如，每当需要在挖掘（如为了铺设地下电缆）前验证下层土是否有任何管道、电缆等。

在这样的情况下，先进行下层土分析再进行挖掘；优选情况下，进行所述分析的方式为使用非侵入方法（如通过地质雷达技术），以便验证挖掘区域中是否有任何地下设施。

如果确定存在敏感物品，则对这样的物品所在的地点以及不建议继续进行挖掘的地点进行标记。

典型情况下，适于铺设一条或多条缆线如电缆或光缆的挖掘或通道形成在道路表面进行，如在路旁，或者在某些情况下直接在人行道上进行。在这个阶段，尤其在密集城市化区域，需要完成上述操作需要的时间和所需机械的尺寸是极为关键的因素。事实上，占据道路表面、路旁和人行道的施工现场或至少大型机器的存在，导致对行人和车辆通过都很不便，这种不便与所述挖掘工作的场地面积和持续时间直接成正比。

所以，非常重要的是能够在可能的最短时间内完成这样的工作，尤其是鉴于因最新多媒体技术（无论使用电缆还是光缆）广泛普及而导致私人、公司或公共团体所需的电缆安装的数量增长的情况。

传统的检测机器或者由适合的马达驱动或者由手工推进，并且配备至少一条电磁波天线和数据控制/显示单元，二者都有电源。获得的数据能够在高分辨率显示器上可视化并且然后可以保存到内部存储介质。数据处理程序被用于显示所检测到的地下物体。

机器的操作基于通过所述天线被发送到地下的电磁波的反射，其回波（反射）能够由完全相同的天线（单基地雷达）接收或者在不同位置（双基地雷达）接收。分析时，所述反射能够指示受调查下层土区域中的任何不连续，它们可能由于或者自然原因（土壤成层、空洞、测压面）或者外部原因（埋置物体、管道、电缆、铁罐、考古学发现等）。在土木工程现场，这种技术被成功地用于发现结构中的湿度，以便验证砖石建筑物（比如铁路隧道和高架桥）的稳定性，或者用于定位气隙、电镀金属丝网、管道、电缆等。正常情况下这样的现有技术的机器配有的天线能够分析受调查区域的二维部分。

本文中术语“二维部分”是指在配备天线的机器的向前运动方向（X轴）上以及对与土壤深度（Z轴）相关联的回波返回进行的分析。

为了利用单个天线得到下层土三维部分（X、Y、Z）的完整映射，必须细分所述区域并在每个部分中进行二维扫描。

所以，检查要求在区域上平行部分中进行几次相继扫描，并且构成所述机器的天线和装备必须多次重新定位以便执行这个表面的二维采样。

一般来说，所述机器在主方向上运动，从而沿着单一扫描线得到采样。那么后来的扫描允许多条平行扫描线结合在一起以得到被检查表面的采样。

为了得到完整的采集，本申请人的专利IT138304采用了通过驱动装置与机器的支持结构相关联的天线，这使它移动的方向具有至少一个分量与机器自身的向前运动方向正交。

作为替代，在要分析的区域仅仅通过一次时，所使用的机器必须配备具有不同极化的多个天线，每个天线在一个范围内执行一次扫描。全部范围的集合构成了要分析的区域；同时处理全部扫描然后将产生由所述机器扫描的区域的整体三维图像。显而易见，这种解决方案确保了更短的处理时间，允许对任何地下设施的实时可视化。

本申请人考虑了从这样的矩阵类型数据采集开始，实时地重构三维图像的问题。

发明内容

本发明的一个方面涉及非侵入下层土检查的雷达装置。

附图说明

从参考附带的示意图通过举例提供的以下非限制说明中，根据本发明的装置的特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明一个实施例的装置的示意透视图；

图2显示了天线布局的一个实例。

具体实施方式

参考以上列出的附图，根据本发明的装置包括移动支撑结构2，安装有轮子3或类似设备，适于使其以至少一个方向移动。所述结构可以手动地移动（如由操作员推动），也可以另外安装着适合的马达，在这种情况下操作员将仅仅需要以所期望的方向操控机器。

该装置还包括多个天线A，划分为具有垂直极化V的一组和具有水平极化H的另一组。所述天线朝向土壤发射电磁信号并接收响应回波。所述信号的适合频率在200到900MHz的范围内。电子处理单元适于分析由所述天线采集的数据并且重构由该装置扫描的下层土部分的图像，然后能够被显示在适合的显示器4上。优选情况下，所述处理单元包括存储介质，其中天线的测量结果和重构的图像都能够存储。

所述天线以预定空间间隔（等效于时间乘以不变前进速度）进行扫描，以便在范围内建立扫描点网格。

优选情况下，该机器进一步包括地理参考设备，它可以是例如GPS设备、全站仪或者差分GPS设备，能够根据卫星坐标使位置与如每次扫描相关联。根据这种信息，处理单元能够以地理参考坐标重构被扫描区域的图，用于验证任何地下设施的存在。为了本发明的目的，术语“地下设施”是指必须受监视和以信号告知操作员的一切地下物品，比如管道、电缆、陷阱、排水井、岩石、通道等。

根据本发明，所述天线被组织为组；确切地说，第一组天线L1适于检测横向地下设施，而第二组天线L2适于检测纵向地下设施。第一组天线包括具有垂直极化V的一行天线L1，用于检测横向地，优选情况下与该装置向前运动方向正交地，排列的任何障碍物。

第二组天线L2包括至少两行天线L21和L22，其中每行中的天线都具有水平极化H，用于检测关于该装置向前运动方向纵向地排列的任何障碍物。

因此，为了发现与要进行挖掘或切割横向地排列的任何地下设施的目的，第一组的天线实质上同时接收噪声或异常的返回信号，它可以指示地下设施的存在。通过相互参照，在这种情况下是预处理阶段之后，当至少两个相邻天线实质上收到相同信号时，确定无疑地检测到地下设施，并且被实时地显示在上述显示器的主屏幕上。天线被组织为不同组这一事实允许获得“三维”信号。然后能够处理这个信号以在所述显示器上得到地下设施的实时正交投影。优选情况下，地下设施的GPS位置被保存。

至于第二组天线，它们以实质上类似的方式检测纵向地下设施的存在，差别是在多个天线当中的验证发生在属于一行的一个或多个天线与属于下一行的一个或多个天线之间。事实上，当由一行中至少一个天线和下一行中至少一个天线检测到异常信号或噪声时，就确定了纵向地下设施的存在。检查数据能够作为文件，如CAD文件、地理参考图（GIS、地理界面系统）或文本文件从处理单元传递。

对于全部天线，检测发生在同一时刻。确切地说，处理单元同时从全部天线接收信号，处理信号，然后实时地在三个空间平面中返回有关地下设施的存在或不存在的指示。

为了提高地下设施检测的可靠性，处理单元3包括通过天线确定土壤中回波传播的最佳速度的程序。

所述程序首先需要定义可能的传播速度的最小值和最大值。随后，以不同扫描速度在地下设施上执行的多次扫描将提供一组值，这组值以图形再现时将取抛物线形状。

这条抛物线的顶点将对应于天线回波传播速度的最佳值。对每个天线都这样做。然后这个步骤的后面是先前介绍的采集和比较步骤。

简而言之，根据本发明验证地下设施存在的非侵入的下层土检查方法包括以下步骤：

a)对于每个天线，在预定范围内以不同的传播速度朝向土壤发送所述电磁信号，

b)检测以不同速度发送的所述信号的返回回波，

c)对于每个天线，选择返回回波为最大的传播速度，

d)比较多个天线当中返回回波的所述最大值。

随后，检测地下设施的存在并在所述显示器上实时地显示后者。

利用在检测位置中放置的具有预定颜色的目标突出显示地下设施。

该装置还能够经由多次平行纵向通过而执行非侵入挖掘检验，以便扫描预定义区域。每次通过所执行的检测然后被彼此对比，并且该单元能够理解不同的通过是否部分重叠以及用于下一次通过的初始对齐是否不正确。该单元然后自动地校正从重叠或不正确初始对齐所产生的冗余数据。在现有技术中，因为使用物理对齐支撑比如一次通过期间遵循的路径对应的橡胶条料等所以面临这种问题，在本发明中它不再需要。

作为替代，代之以验证地下设施的存在，“三维”扫描允许监视预定义区域内的下层土。确切地说，经由以上介绍的多次通过有可能验证被扫描区域的地层，从而识别其成分（沥青、岩石、沙子等）。

为此目的，可以通过神经网络执行识别算法，一旦已经完成了自学习过程，便允许在多种类型的下层土当中进行辨别。

Claims (15)

1.一种用于验证任何地下设施的存在的非侵入下层土检查装置，包括：

移动支撑结构（2），能够在至少一个水平方向移动，以及支持多个天线（A），所述多个天线用于向土壤发送电磁信号和接收响应回波；以及电子处理单元，用于分析由所述天线采集的数据和用于重构由所述机器扫描的下层土部分的图像，

其特征在于包括

第一组天线（L1），包括至少一行具有垂直极化的天线，用于检测所述装置向前移动方向的横向地排列的任何地下设施，

第二组天线（L2），包括至少两行天线（L21、L22），其中，每行中的天线都具有水平极化，用于检测相对所述装置向前移动方向纵向地排列的任何地下设施。

2.根据权利要求1的装置，其中，天线行具有垂直极化，用于检测与所述装置向前移动方向正交的任何地下设施。

3.根据权利要求1的装置，进一步包括显示器，用于显示被扫描下层土部分的所述图像。

4.根据权利要求1的装置，其中，所述处理单元包括存储介质，由天线取得的测量结果和重构的图像都能够存储其中。

5.根据权利要求1的装置，进一步包括地理参考设备，能够将根据卫星坐标的位置与天线进行的每次扫描相关联。

6.根据权利要求1的装置，其中，由全部天线在同一时刻进行检测，以及处理单元同时从全部天线接收信号并且实时地在三个空间平面中返回地下设施存在或不存在的指示。

7.一种用于通过装置验证任何地下设施存在的非侵入下层土检查方法，所述装置包括移动支撑结构（2），能够在至少一个水平方向移动并支持多个天线（A），所述多个天线用于向土壤发送电磁信号和接收响应回波；以及电子处理单元，用于分析由所述天线采集的数据和用于重构由所述机器扫描的下层土部分的图像，

其特征在于包括以下步骤：

a)对于每个天线，在预定范围内以不同的传播速度朝向土壤发送所述电磁信号，

b)检测以不同速度发送的所述信号的返回回波，

c)对于每个天线，选择返回回波为最大的传播速度，

d)比较各种天线当中返回回波的最大值。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述天线被组织为组，其中，第一组天线（L1）用于检测任何横向的地下设施而第二组天线（L2）用于检测任何纵向的地下设施，以及在步骤d)中属于同一组的天线的回波进行比较。

9.根据权利要求7的方法，其中，第二组天线（L2）包括至少两行天线（L21、L22），其中，每行中的天线都具有水平极化，用于检测相对所述装置向前移动方向纵向地排列的任何地下设施，以及步骤d)中的比较发生在一行的天线与下一行的天线之间。

10.根据权利要求7的方法，其中，在步骤d)之后以下步骤实时进行：

e)验证地下设施的存在，

f)以地理参考位置在显示器上显示所述地下设施。

11.根据权利要求10的方法，其中，利用在检测位置中放置的具有预定颜色的目标显示地下设施。

12.根据权利要求11的方法，其中，可视化关于检测实时发生。

13.根据权利要求7的方法，其中，所述装置经由多次平行纵向通过和初始自对齐算法执行非侵入挖掘检验，以便无须任何机械支撑就进行预定区域上的检测。

14.根据权利要求1的装置，其中，所述处理单元包括通过神经网络执行的识别算法。

15.一种根据权利要求14的装置在地层的下层土分析中的用途。

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