CN107315173A - 一种探地雷达与差分gps时间同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统，用以解决探地雷达大面积、长距离、连续数据采集过程的精确定位问题，将探地雷达与差分GPS组成一体化的数据采集系统，采用同一脉冲触发探地雷达和GPS，以绝对GPS时间为参考，并结合探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，从而实现探地雷达图像上每道数据与位置信息的精确匹配。本发明克服传统方法数据采集效率慢、范围小和现有差分GPS数据串口实时通信数据更新速度慢等缺点，从根本上提高了探地雷达图像的定位精度，定位精度可以达到厘米级，满足一般地质勘察需要；可以实现探地雷达数据采集过程中位置信息的精确获取，简化数据采集步骤，提高了定位精度和工作效率。

Description

一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统

技术领域

本发明涉及地质勘察的技术领域，具体涉及一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统。

背景技术

探地雷达是一种利用高频电磁波来确定浅表地层构造的无损地球物理探测技术，主要根据地下介质的电性差异(电导率和介电常数)来确定地下目标体或层位分布的位置、形态、埋深和几何形态等参数。由于其具有数据采集效率高，分辨率高和无损检测等优点，广泛应用于道路检测、考古、建筑工程等诸多领域。

探地雷达数据采集过程中的精确定位是关键。现有技术中，探地雷达探测过程中多采用人工单点定位方法。针对不同的探测环境，利用此方法获取探地雷达位置信息存在以下缺陷：

(1)人工单点定位是在探地雷达探测过程中利用相应测绘仪器(如全站仪、GPS)等沿探地雷达侧线获取有限点的位置信息，此方法数据采集效率低、精度不高，易受周围环境的影响，主要适用于地形条件不复杂且不适应连续测量的情况。

(2)现有利用GPS获取位置信息的方法都是通过计算机串口进行关联的，数据更新速度慢，容易产生数据漏测、重测等现象，进而影响探地雷达探测精度。

发明内容

针对探地雷达数据采集过程中无法精确定位的技术问题，本发明提出一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法及系统，可以实现探地雷达数据采集过程中位置信息的精确测量，简化数据采集步骤，从而提高定位精度和工作效率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其步骤如下：

步骤一：选择比较开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上；

步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间；

步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件；

步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。

所述步骤三中基准站GPS数据与流动站GPS数据进行差分的方法为：卫星在t时刻的瞬时坐标为(X_k,Y_k,Z_k)，基准站GPS的坐标为(X_r,Y_r,Z_r)，利用基准站改正后伪距计算的流动站坐标为：

其中，R_kp为流动站到卫星之间距离，(X_p,Y_p,Z_p)为流动站待定坐标，δt_p为流动站GPS接收机的待定种差；X_p、Y_p、Z_p分别为流动站的横坐标、纵坐标和高程，c为光速，v表示观测值改正数；

所述生成时间同步文件的方法是：设测距轮脉冲进入GPS主机T时刻GPS时间信息为T_O(t_oi)，差分处理后与之对应的GPS时间信息为T_D(t_Di,x_Di,y_Di,z_Di)，t_oi表示T时刻外部脉冲进入GPS接收机后记录的GPS时间，t_Di,x_Di,y_Di,z_Di分别表示差分处理后T时刻的GPS时间，T时刻GPS流动站天线的横坐标、纵坐标和高程；

若t_oi＝t_Di，将t_Di这一时刻对应的坐标(x_Di,y_Di,z_Di)赋给t_oi，即T_O(t_Oi,x_Di,y_Di,z_Di)，这样测距轮发出的每个脉冲都具有相对应的空间位置信息；按照此方法获取所有测距轮触发脉冲的空间位置，生成时间同步文件。

所述探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取的方法是：

(1).探地雷达采集的二维时间剖面图像e(x_i,t_j)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，i为探地雷达图像的第i道，N为每道数据上的采样点数，j为每道数据上第j个采样点，则探地雷达在水平距离x_i＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为t_j＝j·Δt，Δt为采样时间间隔；

(2).测距轮的精度Δd＝C/N_d，其中C为测距轮的周长，N_d为测距轮旋转一周的脉冲个数；

(3).由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即N_GPS＝M·(Δx/Δd)，N_GPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数；

(4).GPS接收机同时获取每一个外部脉冲和绝对时刻的空间位置坐标，建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系为：

(x_i,y_i,z_i)_GPS＝i·(Δx/Δd)·(x_i,y_i,z_i)_GPR，1≤i≤M,

其中，(x_i,y_i,z_i)_GPS和(x_i,y_i,z_i)_GPR分别为同一时刻探地雷达主机和GPS接收机获取的位置信息；获取探地雷达每道数据的位置信息；

(5).由于GPS天线的中心与探地雷达天线的中心重合，这坐标转换的过程中x和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量，那么探地雷达图像第i道数据的位置信息为：

(x_s,y_s,z_s)_GPR＝(x_i,y_i,(z_i-h_GPS))_GPS

其中，h_GPS为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度；(x_s,y_s,z_s)_GPR为探地雷达天线中心位置的坐标，(x_i,y_i,z_i)_GPS为探地雷达天线上的流动站GPS的坐标。

一种探地雷达与差分GPS时间同步的系统，包括用来获取浅表地层的地下介质分布图像的探地雷达和GPS系统；所述探地雷达包括探地雷达主机和探地雷达天线，探地雷达天线通过电子连接单元与探地雷达主机相连接，探地雷达天线包括发射天线和接收天线；所述GPS系统包括GPS接收机和GPS天线，GPS天线与GPS接收机相连接；所述GPS天线固定在探地雷达天线的发射天线和接收天线之间的中心位置，探地雷达主机与计算机相连接。

所述探地雷达天线固定在防护板上，探地雷达天线后端设有连接挂孔，连接挂孔通过连接卡扣与测距轮相连接，测距轮与通信接口相连接，通信接口分别与电子连接单元和GPS接收机相连接。

所述电子连接单元固定在探地雷达天线的上部，电子连接单元上设有卡槽，卡槽内卡接有电源，电源与电子连接单元相连接；所述电源上固定有基座，基座中部设有支撑杆，支撑杆上固定有GPS天线，GPS天线设置在探地雷达接收天线的几何中心、并与探地雷达天线处于同一水平面上。

所述探地雷达天线是收发共置屏蔽天线，探地雷达天线的中心频率是100MHz、250MHz、500MHz、800MHz、1000MHz或1600MHz；所述支撑杆为可伸缩的支撑杆，通过调节支撑杆的伸缩量调节GPS天线的高度。

所述GPS系统为差分GPS系统，差分GPS系统包括基站GPS和GPS天线，基站GPS与GPS天线相连接，获取的位置信息是差分处理后的数据。

所述探地雷达天线前端设有卡接部，卡接部通过挂钩与拉杆相连接，拉杆为可伸缩的拉杆，拉杆前端设有手柄。

所述探地雷达天线上设有卡接部，卡接部通过支架与汽车的前部或尾部相连接。

本发明将探地雷达和差分GPS有机结合实现两传感器数据的一体化同步采集，数据采集过程中无需人工介入，实现探地雷达雷达数据位置信息的连续采集，减少了工作量，大大提高了工作效率。本发明探地雷达数据和相对应位置坐标之间的关联是采用同一脉冲触发探地雷达和GPS，以绝对GPS时间为参考，并结合探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，从而实现探地雷达图像上每道数据与位置信息的精确匹配，从根本上提高了探地雷达图像的定位精度，定位精度可以达到厘米级，满足一般地质勘察需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的流动站GPS天线和探地雷达天线的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其步骤如下：

步骤一：选择位置开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上。

流动站GPS天线固定在探地雷达天线的发射天线和接收天线的中间位置。流动站GPS天线获取GPS位置信息，探地雷达天线采集浅表地层的地下介质分布图像。流动站GPS天线设置在探地雷达发射天线和接收天线的几何中心上，使GPS天线的位置坐标系的中心与探地雷达天线的中心坐标系的中心重合，减少后期GPS坐标系到探地雷达坐标系转换的工作量。

如图2所示，一种探地雷达与差分GPS时间同步系统，包括用来获取浅表地层下介质分布图像的探地雷达和GPS系统；所述探地雷达包括探地雷达主机11和探地雷达天线2，探地雷达主机11控制探地雷达数据的采集。探地雷达天线2通过电子连接单元4与探地雷达主机11相连接，电子连接单元4通过串口与探地雷达天线2相连接，电子连接单元4实现探地雷达天线2与探地雷达主机11的数据通信。探地雷达天线2包括发射天线和接收天线。发射天线通过探地雷达主机11控制发射电磁波，接收天线接收发射天线的电磁波，探地雷达天线2通过电磁波实现对地下介质图像的采集。GPS系统包括GPS接收机10和GPS天线3，GPS天线3与GPS接收机10相连接。GPS天线3用于实时获取地下介质分布的空间位置。GPS天线3固定在探地雷达天线2的发射天线和接收天线之间的中心位置，如图3所示。探地雷达主机11与计算机13相连接，从而实现探地雷达数据和GPS空间位置信息之间的关联。探地雷达主机11、GPS接收机10和计算机13可以同时放置在工作人员的背包中，因此，一个工作人员即可实现数据的采集，减少了劳动强度。

探地雷达天线2固定在防护板1上，防护板1保护探地雷达天线2，减少探地雷达天线2与地面之间的接触，同时不影响数据的测量。探地雷达天线2后端设有连接挂孔22，连接挂孔22通过连接卡扣7与测距轮6相连接，测距轮6与通信接口12相连接，通信接口12分别与电子连接单元4和GPS接收机10相连接。通信接口12实现测距轮6与探地雷达主机11之间的数据通信，同时，通信接口12为串口，其将测距轮6的触发信号传送至GPS接收机10，实现数据的采集。测距轮6为高精度测距轮，测距轮6通过标准的TTL触发信号实现对探地雷达主机11和GPS接收机10的触发，探地雷达主机11和GPS接收机10同时进行数据的采集，从而实现探地雷达数据采集和GPS位置获取，实现有效精确的数据采集。

电子连接单元4固定在探地雷达天线2的上部，电子连接单元4上设有卡槽，卡槽内卡接有电源5，电源5与电子连接单元4相连接。电源5上固定有基座14，基座14中部设有支撑杆15，支撑杆15上固定有GPS天线3，GPS天线3刚性固定在探地雷达接收天线的几何中心、并与探地雷达天线处于同一平面上。安装的过程中只需保证探地雷达天线2和GPS天线3基本处于同一水平面上即可，不需要进行严格校正，使用过程中倾斜不会影响相应的测量结果，GPS天线3记录的只是某一位置点的坐标。

支撑杆15为可伸缩的支撑杆，通过调节支撑杆15的伸缩量调节GPS天线3的高度，可以根据不同作业环境及不同类型探地雷达天线调节GPS天线3的高度。探地雷达天线是收发共置屏蔽天线，探地雷达天线的中心频率是100MHz、250MHz、500MHz、800MHz、1000MHz或1600MHz。不同型号探地雷达天线的中心频率越大，体积越小，中心频率越小，体积越大。根据数据采集环境及探地雷达不同型号的探地雷达天线，安装在探地雷达天线正上方的GPS天线3的高度通过调节伸缩的支撑杆15改变其高度。

GPS系统为差分GPS系统，差分GPS系统包括基站GPS和流动站GPS，GPS天线3为流动站GPS，基站GPS与流动站GPS天线3通过数传电台进行通信，基站GPS固定在地面上。GPS天线3是可移动的，是流动站GPS天线，基站GPS修正流动站GPS数据，获取的位置信息是通过后期差分处理后的数据。

探地雷达主机2前端设有卡接部21，卡接部21通过挂钩8与拉杆9相连接，拉杆9为可伸缩的拉杆，拉杆9前端设有手柄91。工作人员拉住手柄91即可同时实现探地雷达数据采集和GPS位置获取。不使用的时候，可以将挂钩8和拉杆9拆卸下来，方便携带。

优选地，探地雷达天线2上设有卡接部21，卡接部21通过支架与汽车的前部或尾部相连接。

一种探地雷达与差分GPS时间同步系统将探地雷达和差分GPS系统有机结合实现两传感器数据的同步采集，克服探地雷达图像采集过程中的无法精确定位的问题，系统结构简单，定位精度高，提高了探地雷达数据采集的效率和精度。

(x,y,z)_GPR获取的是固定在探地雷达天线正上方的GPS天线位置处的位置信息，其转换过程为：

其中，i表示探地雷达图像上的第i道数据，(x_i y_i z_i)_GPR ^T为i道数据探地雷达天线中心坐标，(x_i y_i z_i)_GPS ^T为i道数据流动站GPS天线的中心坐标，R(ω)为两坐标系之间旋转参数，m为尺度参数，(Δx Δy Δz)^T为平移参数。由于GPS天线中心与探地雷达天线的中心重合，这样坐标转换的过程中各坐标轴之间不存在旋转，尺度x轴和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量即可，即

实际的系统中，Δz为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度，一般为固定距离，可通过多次测量获取。

步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站的GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间。

利用探地雷达的测距轮的脉冲信号同时触发探地雷达主机和GPS接收机。探地雷达的测距轮的原理是霍尔传感器，根据测距轮在地面行进的距离触发脉冲，脉冲为标准的TTL电平信号包括上升沿和下降沿。通过RS232串口将测距轮的触发信号分出两路，一路引入到探地雷达主机，一路引入到GPS接收机上的I/O接口，这样就实现探地雷达图像和GPS数据的同步采集。GPS接收机的I/O接口有相应的通信协议，选用port1或port 2Event接口，当有外部的脉冲信号进来时，GPS接收机内部会记录下这一事件绝对的GPS时间。

为了满足探地雷达在复杂环境下数据采集及精确记录数据剖面的需要，探地雷达的数据采集方式多采用测距轮方式进行触发。测距轮的原理是霍尔传感器，根据测距轮在地面行进的距离触发标准的TTL电平信号。探地雷达数据采集之前，会根据不同采集环境及精度要求选择采样的道间距Δx，即在水平方向上当测距轮行进Δx距离时，探地雷达主机就会控制探地雷达发射天线发射电磁波，经过反射天线的接收就会获取此位置处单道波数据e(t_j)，1≤j≤N，N为采样视窗内的采样点数，j为每道数据上第j个采样点，t表示探地雷达在纵轴上的时间往返信号。探地雷达在进行数据采集的同时，测距轮的脉冲信号同时也触发GPS主机上的I/O接口，GPS接收机内部会精确记录外部脉冲信号的个数，并根据GPS时钟记录下此时刻脉冲事件的GPS时间。

步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件。

基准站GPS和流动站GPS差分处理采用的是事后差分处理，采用伪距差分定位数学模型的方法进行差分处理，具体过程如下：

卫星k在t时刻的顺时坐标为(X_k,Y_k,Z_k)，基准站r的坐标为(X_r,Y_r,Z_r)，则：

基准站到卫星之间的几何距离R_kr为：

s表示表示不同卫星。

基准站到各个卫星的伪距改正数ρ_kr：Δρ_kr＝R_kr-ρ_kr，其中，ρ_kr为基准站伪距观测值。

基准站伪距改正数变化率 Δt表示真实信号传播时间。

流动站p上的改正伪距观测值R_kp,corr：其中ρ_kp为流动站伪距观测值。

通过基站改正数R_kp,corr来反算流动站的坐标，对应基站和流动站R_kp,corr是同一个值。利用基准站改正后伪距计算的流动站坐标为：

其中，R_kp为流动站到卫星之间距离，(X_p,Y_p,Z_p)为流动站待定坐标，δt_p为流动站接收机待定种差。

探地雷达在进行数据采集时，测距轮的脉冲信号同时也触发GPS主机上的I/O接口，GPS接收机内部会精确记录外部脉冲信号的个数，并根据GPS时钟记录下此时刻脉冲事件的GPS时间。事后差分处理处理后的位置信息不仅包括经度、维度和高程信息，还包含这一时刻的GPS时间。本发明是通过GPS时间将测距轮触发信号(探地雷达数据采集)与GPS位置信息关联在一起的，生产时间同步文件。具体的实现过程如下：

设测距轮脉冲进入GPS主机T时刻GPS时间信息为T_O(t_oi)，差分处理后与之对应的GPS时间信息为T_D(t_Di,x_Di,y_Di,z_Di)，t_oi表示T时刻外部脉冲进入GPS接收机后记录的GPS时间、t_Di,x_Di,y_Di,z_Di分别表示差分处理后T时刻的GPS时间、T时刻GPS流动站天线的横坐标、纵坐标和高程。若t_oi＝t_Di，将t_Di这一时刻对应的坐标(x_Di,y_Di,z_Di)赋给t_oi，即T_O(t_Oi,x_Di,y_Di,z_Di)，这样测距轮发出的每个脉冲都具有相对应的空间位置信息，按照此方法可以获取所有测距轮触发脉冲的空间位置，生成时间同步文件。

步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。

探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取的方法是：

1.探地雷达采集的二维时间剖面图像e(x_i,t_j)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，N为每道数据上的采样点数，则探地雷达在水平距离x_i＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为t_j＝j·Δt，Δt为采样时间间隔。

2.测距轮的精度Δd＝C/N_d，其中C为测距轮的周长，N_d为测距轮旋转一周的脉冲个数。

3.由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，那么探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即N_GPS＝M·(Δx/Δd)，N_GPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数。

4.GPS接收机获取每一个外部脉冲的同时也获取这一绝对时刻的空间位置坐标，在步骤3的基础上建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系：

(x_i,y_i,z_i)_GPS＝i·(Δx/Δd)·(x_i,y_i,z_i)_GPR，1≤i≤M,

其中，(x_i,y_i,z_i)_GPS和(x_i,y_i,z_i)_GPR为同一时刻探地雷达主机和GPS接收机获取的位置信息。这样就可以获取探地雷达每道数据的位置信息。

5.(x_i,y_i,z_i)_GPR获取的是固定在探地雷达天线正上方的GPS天线位置处的位置信息。由于GPS天线中心与探地雷达天线的中心重合，这样坐标转换的过程中x和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量即可，那么探地雷达图像第i道数据的位置信息为

(x_s,y_s,z_s)_GPR＝(x_i,y_i,(z_i-h_GPS))_GPS

其中，h_GPS为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度，一般为固定距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：选择比较开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上；

步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间；

步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件；

步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。

2.根据权利要求1所述的探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，所述步骤三中基准站GPS数据与流动站GPS数据进行差分的方法为：卫星在t时刻的瞬时坐标为(X_k,Y_k,Z_k)，基准站GPS的坐标为(X_r,Y_r,Z_r)，利用基准站改正后伪距计算的流动站坐标为：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>&amp;delta;t</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>&amp;delta;t</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>v</mi> <mo>,</mo> </mrow>

其中，R_kp为流动站到卫星之间距离，(X_p,Y_p,Z_p)为流动站待定坐标，δt_p为流动站GPS接收机的待定种差；X_p、Y_p、Z_p分别为流动站的横坐标、纵坐标和高程，c为光速，v表示观测值改正数；

所述生成时间同步文件的方法是：设测距轮脉冲进入GPS主机T时刻GPS时间信息为T_O(t_oi)，差分处理后与之对应的GPS时间信息为T_D(t_Di,x_Di,y_Di,z_Di)，t_oi表示T时刻外部脉冲进入GPS接收机后记录的GPS时间，t_Di,x_Di,y_Di,z_Di分别表示差分处理后T时刻的GPS时间，T时刻GPS流动站天线的横坐标、纵坐标和高程；

若t_oi＝t_Di，将t_Di这一时刻对应的坐标(x_Di,y_Di,z_Di)赋给t_oi，即T_O(t_Oi,x_Di,y_Di,z_Di)，这样测距轮发出的每个脉冲都具有相对应的空间位置信息；按照此方法获取所有测距轮触发脉冲的空间位置，生成时间同步文件。

3.根据权利要求1所述的探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，所述探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取的方法是：

(1).探地雷达采集的二维时间剖面图像e(x_i,t_j)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，i为探地雷达图像的第i道，N为每道数据上的采样点数，j为每道数据上第j个采样点，则探地雷达在水平距离x_i＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为t_j＝j·Δt，Δt为采样时间间隔；

(2).测距轮的精度Δd＝C/N_d，其中C为测距轮的周长，N_d为测距轮旋转一周的脉冲个数；

(3).由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即N_GPS＝M·(Δx/Δd)，N_GPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数；

(4).GPS接收机同时获取每一个外部脉冲和绝对时刻的空间位置坐标，建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系为：

(x_i,y_i,z_i)_GPS＝i·(Δx/Δd)·(x_i,y_i,z_i)_GPR，1≤i≤M,

其中，(x_i,y_i,z_i)_GPS和(x_i,y_i,z_i)_GPR分别为同一时刻探地雷达主机和GPS接收机获取的位置信息；获取探地雷达每道数据的位置信息；

(5).由于GPS天线的中心与探地雷达天线的中心重合，这坐标转换的过程中x和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量，那么探地雷达图像第i道数据的位置信息为：

(x_s,y_s,z_s)_GPR＝(x_i,y_i,(z_i-h_GPS))_GPS

其中，h_GPS为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度；(x_s,y_s,z_s)_GPR为探地雷达天线中心位置的坐标，(x_i,y_i,z_i)_GPS为探地雷达天线上的流动站GPS的坐标。

4.一种探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，包括用来获取浅表地层的地下介质分布图像的探地雷达和GPS系统；所述探地雷达包括探地雷达主机(11)和探地雷达天线(2)，探地雷达天线(2)通过电子连接单元(4)与探地雷达主机(11)相连接，探地雷达天线(2)包括发射天线和接收天线；所述GPS系统包括GPS接收机(10)和GPS天线(3)，GPS天线(3)与GPS接收机(10)相连接；所述GPS天线(3)固定在探地雷达天线(2)的发射天线和接收天线之间的中心位置，探地雷达主机(11)与计算机(13)相连接。

5.根据权利要求4所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述探地雷达天线(2)固定在防护板(1)上，探地雷达天线(2)后端设有连接挂孔(22)，连接挂孔(22)通过连接卡扣(7)与测距轮(6)相连接，测距轮(6)与通信接口(12)相连接，通信接口(12)分别与电子连接单元(4)和GPS接收机(10)相连接。

6.根据权利要求4所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述电子连接单元(4)固定在探地雷达天线(2)的上部，电子连接单元(4)上设有卡槽，卡槽内卡接有电源(5)，电源(5)与电子连接单元(4)相连接；所述电源(5)上固定有基座(14)，基座(14)中部设有支撑杆(15)，支撑杆(15)上固定有GPS天线(3)，GPS天线(3)设置在探地雷达接收天线的几何中心、并与探地雷达天线(2)处于同一水平面上。

7.根据权利要求5所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述探地雷达天线(2)是收发共置屏蔽天线，探地雷达天线的中心频率是100MHz、250MHz、500MHz、800MHz、1000MHz或1600MHz；所述支撑杆(15)为可伸缩的支撑杆，通过调节支撑杆(15)的伸缩量调节GPS天线(3)的高度。

8.根据权利要求4所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述GPS系统为差分GPS系统，差分GPS系统包括基站GPS和GPS天线(3)，基站GPS与GPS天线(3)相连接，获取的位置信息是差分处理后的数据。

9.根据权利要求4所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述探地雷达天线(2)前端设有卡接部(21)，卡接部(21)通过挂钩(8)与拉杆(9)相连接，拉杆(9)为可伸缩的拉杆，拉杆(9)前端设有手柄(91)。

10.根据权利要求4所述的探地雷达与差分GPS时间同步的系统，其特征在于，所述探地雷达天线(2)上设有卡接部(21)，卡接部(21)通过支架与汽车的前部或尾部相连接。