CN107300720B

CN107300720B - 基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置及方法

Info

Publication number: CN107300720B
Application number: CN201710466557.8A
Authority: CN
Inventors: 李静霞; 徐航; 刘丽; 王冰洁; 张建国; 王云才
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: CN107300720A

Abstract

本发明涉及地下非金属管线探测技术领域，具体为一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线的高灵敏探测技术。本发明解决了现有探地雷达对非金属管线探测率灵敏度低的问题。一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置，包括混沌信号产生装置、功分器、放大器、极化切换装置、宽带极化发射/接收天线、可调电延迟线、信号采集装置、信号处理装置、极化识别通道以及显示装置。本发明适用于对地下中、浅层非金属弱目标探测领域。

Description

基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及地下非金属管线探测技术领域，具体为一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线的高灵敏探测技术。

背景技术

随着城市化建设和发展，地下管线的种类和数量迅速增多，各种管线重叠交错。然而，受地线管线资料错、漏和偏差较大等原因的影响，造成对地下管线分布情况误判，进而导致在施工过程中事故频发。因此，地下管线探测成为城市地下工程建设中必不可少的环节。

已有多种物探法可以用来探测地下管线。然而，传统的管线探测方法（如：声波法、标识法和高精度磁测法等）抗干扰能力差，适用范围有限。且传统的管线探测方法在对管线探测时需要已知管线类型。当城市地下管线情况未知时，无法直接准确判断应该采用上述哪种方法最为有效，需要进行各种方法尝试。

探地雷达是根据电磁波在地下传播过程中遇到介质的电性质和几何形态不同时会发生反射的原理进行管线探测的。相比于传统物探方法，探地雷达最显著的优势在于：可以在不破坏地表结构的情况下获取地下未知区域的管线信息。此外，探地雷达还具有适用范围广、快速灵活、定位准确等优点。

依据探测信号的不同探地雷达主要分为：脉冲体制探地雷达、线性调频体制探地雷达和调频步进体制探地雷达。利用上述三种体制探地雷达可以实现对地下金属管线的高灵敏探测，原因是金属管线的介电常数与周围环境的介电常数差异明显，回波信号强。然而，探地雷达对于非金属管线探测灵敏度低，因为非金属管线与周围环境的介电常数差异较小，回波信号微弱，微弱的回波信号被干扰信号所淹没。虽然通过采用空域抗干扰和频域抗干扰法等一些方法能够提高探地雷达抗干扰性能，但系统信噪比仍然较低，不足以提取微弱的目标回波信号，仍然不能实现对非金属管线的高灵敏探测。

目前非金属材质的管线具有抗污染性强、不易腐蚀、造价低、安装方便等方面的优点，地下管线不断由大量使用金属材质逐步向非金属材质过渡，并有取而代之的趋势。因此，发展一种能实现地下非金属管线高灵敏探测的探地雷达技术已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置及其定位方法，以解决现有技术中非金属埋设物探测灵敏度低的问题。

为实现上述目的，本发明所述基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置是采用以下技术方案实现的：

一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置，包括混沌信号产生装置以及连接在混沌信号产生装置信号输出端的功分器；所述混沌信号产生装置是宽带混沌电路；所述混沌信号产生装置产生的宽带混沌电信号通过功分器分为探测信号和参考信号；功分器设有用于输出探测信号的第一输出端口和用于输出参考信号的第二输出端口；功分器的第一输出端口顺次连接有第一放大器和极化切换装置，极化切换装置的信号输出端连接有用于将探测信号发射至地下的宽带垂直极化发射天线和/或宽带水平极化发射天线；发射至地下的探测信号在非金属管线处会发生反射形成反射信号；功分器的第二输出端口顺次连接有可调电延迟线以及信号采集装置；还包括用于采集反射信号的宽带垂直极化接收天线和宽带水平极化接收天线；所述宽带垂直极化接收天线和宽带水平极化接收天线的信号输出端分别通过第二放大器和第三放大器与信号采集装置的信号输入端相连接；信号采集装置的信号输出端连接有信号处理装置，信号处理装置通过相互并列的垂直发射垂直接收信号识别通道、垂直发射水平接收信号识别通道、水平发射水平接收信号识别通道、水平发射垂直接收信号识别通道共同连接有显示装置。

本发明所述基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测方法是采用以下技术方案实现的：一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测方法，所述检测方法是利用混沌信号产生装置产生的宽带混沌信号经功分器后分为探测信号和参考信号；参考信号通过可调电延迟线调节，以保证参考信号和探测信号在电缆中传输的延时相等，之后通过信号采集装置采集参考信号；探测信号通过极化切换装置选择宽带垂直极化发射天线或宽带水平极化发射天线发射到地下；由于发射信号在非金属管线处会发生反射，反射信号经宽带垂直极化接收天线和宽带水平极化接收天线接收，并由信号采集装置进行数据采集；通过选择宽带垂直极化发射天线或宽带水平极化发射天线发射、宽带水平极化接收天线和宽带垂直极化接收天线接收，可以分时获得垂直发射垂直接收（HH）、垂直发射水平接收（HV）、水平发射水平接收（VV）、水平发射垂直接收（VH）四路反射信号，采集回来的参考信号和四路反射信号在信号处理装置进行相关处理，以及在此基础上进行成像处理，从而获得不同极化状态下管线位置信息；之后将四种极化状态的信号分别通过垂直发射垂直接收（VV）信号识别通道、垂直发射水平接收（VH）信号识别通道、水平发射水平接收（HH）信号识别通道、水平发射垂直接收（HV）信号识别通道输出，结果通过显示装置显示输出。

本发明上述所提供的一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置及其定位方法，与现有的基于探地雷达的非金属管线探测技术相比，具有如下优点：

（1）混沌信号波形具有随机性，模糊函数为图钉型。基于混沌信号的探地雷达，与基于脉冲信号、线性调频信号、调频步进信号体制的探地雷达相比，具有良好的抗干扰能力；同基于噪声信号体制的探地雷达相比，信号幅度大且易于控制；同基于伪随机码体制的探地雷达相比，电路结构简单。

（2）混沌信号作为探测信号具有良好的抗干扰能力，通过调节发射/接收天线的极化状态，利用干扰信号与目标回波信号之间极化状态的差别，同样具有抑制干扰的作用。将混沌相关法和极化技术结合可以使系统的抗干扰能力显著提高，进而提高系统的信噪比，使得系统对非金属管线的探测灵敏度提高。

（3）通过调节发射天线和接收天线的极化状态，获得了非金属管线的HH、HV、VH、VV四种极化状态信息，提高对地下交错管线网络的识别。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1：混沌信号产生装置；2：功分器；3：第一放大器；4：极化切换装置；5a：宽带垂直极化发射天线；5b：宽带水平极化发射天线；6a：宽带垂直极化接收天线；6b：宽带水平极化接收天线；7：第二放大器；8：第三放大器；9：信号采集装置；10：信号处理装置；11：垂直发射垂直接收信号识别通道；12: 垂直发射水平接收信号识别通道；13: 水平发射水平接收信号识别通道；14：水平发射垂直接收信号识别通道；15：显示装置；16：可调电延迟线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体方式作出进一步的说明。

实施本发明一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置，如图1所示，包括：混沌信号产生装置1、功分器2（带宽：20MHz-3GHz）、第一放大器3（带宽：85KHz-10GHz）、极化切换装置4、宽带垂直极化发射天线5a、宽带水平极化发射天线5b、宽带垂直极化接收天线6a、宽带水平极化接收天线6b、第二放大器7（带宽：9KHz-1GHz，增益：32.5dB）、第三放大器8（带宽：9KHz-1GHz，增益：32.5dB）、信号采集装置9、信号处理装置10、垂直发射垂直接收信号识别通道11、垂直发射水平接收信号识别通道12、水平发射水平接收信号识别通道13、水平发射垂直接收信号识别通道14、显示装置15、可调电延迟线16。其中：

混沌信号产生装置1是宽带混沌电路，具体为混沌脉冲位置调制电路，利用混沌脉冲位置调制电路产生宽带混沌信号，通过改变电路中的时钟信号，可以获得不同频率的混沌信号，以适应不同探测的需求。具体实施时，混沌信号的带宽调节范围为200MHz-1.56GHz。

宽带垂直极化发射天线5a、宽带水平极化发射天线5b、宽带垂直极化接收天线6a、宽带水平极化接收天线6b具体为宽带对数周期天线，带宽为400MHz-2.5GHz。

宽带混沌信号经过功分器2后分为两路：探测信号和参考信号；参考信号通过可调电延迟线16，以保证参考信号和探测信号在电缆中传输的延时相等，之后送入到信号采集装置9；探测信号通过第一放大器3放大，再经极化切换装置4，选择宽带垂直极化发射天线5a或宽带水平极化发射天线5b进行发射；发射信号遇到非金属管线会发生反射，反射信号经宽带垂直极化接收天线6a和宽带水平极化接收天线6b接收；接收到的水平发射水平接收（VV）信号、水平发射垂直接收（VH）信号或者垂直发射水平接收（HV）信号、垂直发射垂直接收（HH）信号分别通过第二放大器7和第三放大器8放大后送入信号采集装置9；信号采集装置9将采集到的参考信号、VV信号和VH信号（或者HV信号和HH信号）送入信号处理装置10，在信号处理装置10中将参考信号分别与VV信号和VH信号（或者HV信号和HH信号）进行相关运算，以及在此基础上进行成像处理，获得VV极化状态和VH极化状态（或者HV极化状态和HH极化状态）下的非金属管线定位信息；随后将分时获得的四种极化状态下的定位信息通过与之相匹配的信号识别通道（垂直发射垂直接收（VV）信号识别通道11、垂直发射水平接收（VH）信号识别通道12、水平发射水平接收（HH）信号识别通道13、水平发射垂直接收（HV）信号识别通道14输出至显示器15，显示输出定位结果。

Claims

1.一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测装置，其特征在于，包括混沌信号产生装置（1）以及连接在混沌信号产生装置（1）信号输出端的功分器（2）；所述混沌信号产生装置（1）是宽带混沌电路；所述混沌信号产生装置（1）产生的宽带混沌电信号通过功分器（2）分为探测信号和参考信号；功分器（2）设有用于输出探测信号的第一输出端口和用于输出参考信号的第二输出端口；功分器（2）的第一输出端口顺次连接有第一放大器（3）和极化切换装置（4），极化切换装置（4）的信号输出端连接有用于将探测信号发射至地下的宽带垂直极化发射天线（5a）和/或宽带水平极化发射天线（5b）；发射至地下的探测信号在非金属管线处会发生反射形成反射信号；功分器（2）的第二输出端口顺次连接有可调电延迟线（16）以及信号采集装置（9）；还包括用于采集反射信号的宽带垂直极化接收天线（6a）和宽带水平极化接收天线（6b）；所述宽带垂直极化接收天线（6a）和宽带水平极化接收天线（6b）的信号输出端分别通过第二放大器（7）和第三放大器（8）与信号采集装置（9）的信号输入端相连接；信号采集装置（9）的信号输出端连接有信号处理装置（10），信号处理装置（10）通过相互并列的垂直发射垂直接收信号识别通道（11）、垂直发射水平接收信号识别通道（12）、水平发射水平接收信号识别通道（13）、水平发射垂直接收信号识别通道（14）共同连接有显示装置（15）。

2.一种基于极化混沌雷达的地下非金属管线检测方法，采用权利要求1所述的装置来实现，其特征在于，所述检测方法是利用混沌信号产生装置（1）产生的宽带混沌信号经功分器（2）后分为探测信号和参考信号；参考信号通过可调电延迟线（16）调节，以保证参考信号和探测信号在电缆中传输的延时相等，之后通过信号采集装置（9）采集参考信号；探测信号通过极化切换装置（4）选择宽带垂直极化发射天线（5a）或宽带水平极化发射天线（5b）发射到地下；由于发射信号在非金属管线处会发生反射，反射信号经宽带垂直极化接收天线（6a）和宽带水平极化接收天线接收（6b），并由信号采集装置（9）进行数据采集；通过选择宽带垂直极化发射天线（5a）或宽带水平极化发射天线（5b）发射、宽带水平极化接收天线（6b）和宽带垂直极化接收天线（6a）接收，可以分时获得垂直发射垂直接收、垂直发射水平接收、水平发射水平接收、水平发射垂直接收四路反射信号，采集回来的参考信号和四路反射信号在信号处理装置（10）进行相关处理，以及在此基础上进行成像处理，从而获得不同极化状态下管线位置信息；之后将四种极化状态的信号分别通过垂直发射垂直接收信号识别通道（11）、垂直发射水平接收信号识别通道（12）、水平发射水平接收信号识别通道（13）、水平发射垂直接收信号识别通道（14）输出，结果通过显示装置（15）显示输出。