CN108535702B - 车载阵列式雷达探测系统及快速工作方法 - Google Patents

车载阵列式雷达探测系统及快速工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载阵列式雷达探测系统及方法，采用阵列发射与阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，意在调整频率、改变探测深度与分辨能力；利用初步反演解释获取地下粗略波速，对单频矫正后的数据进行成像解释，获得初步成像结果，最后对不同频率雷达信号成像结果相关叠加，获得地下介质的三维成像。

Description

车载阵列式雷达探测系统及快速工作方法
技术领域
本发明涉及一种车载阵列式雷达探测系统及快速工作方法。
背景技术
在城市地下空间的开发过程中，地下空间施工在遭遇富水软弱土层、地下松散层、风化破碎岩体等不良地质时极易诱发地质灾害，威胁施工安全，甚至造成地表塌陷，地基失稳，进而波及城市地表人与设施安全。同时，在老城区改造的规划与施工之前，需要了解已有老旧地下管线和在建地下设施的实际埋藏位置与周边岩土体的性状，以便合理施工。
浅层地质雷探测作为一种地球物理探测手段，采用高频脉冲电磁波进行探测，其探测的结果具有的最大优越性体现在高分辨率上。同时，地址雷达采用高频发射器，采样和接收时间很短，因而可以高效率地进行探测，其天线不需要与地下接触，探测速度快，极大节省了人力物力。城市地表可通行区域以道路为主决定了城区内地质雷达探测探测需充分利用城市路面环境、提高作业效率、减少对城市正常生产生活的影响。因此，城区地质雷达探测应充分发挥汽车载具成本低廉、通行性好、安全可靠的优势。
目前，传统的地质雷达探测面临的主要挑战包括三个方面：“探测深度浅、探测区域小、信噪比低”具体来说，存在以下问题：
其一，传统的地质雷达多为单频发射，探测目标体的尺度和分辨率单一。对于埋深较深的目标体，探测结果的分辨率会大大降低。
其二，探测范围小，多为定向探测，探测区域只能局限于某一方向或范围。
其三，探测时无法有效处理环境噪声，信噪比低，数据质量差。由于城市环境复杂，传统地质雷达在探测时无法克服各种噪声和杂波的干扰，比如：发射和接收天线之间的耦合、多次波干扰、电台、雷电放电、太阳活动等外部电磁干扰，这些干扰对最后的探测结果会造成许多不利影响。
在此条件下，地质雷达探测系统应能同时对多个地下不同深度不同尺寸的目标体进行精确探测；应能够充分利用城市路面环境、提高作业效率；应能够记录、适应并克服城区道路与地形变化以及搭载平台在行进过程中的速度变化对探测结果的影响；同时还应具有能够针对城市人文噪声等其他噪声的抑噪方法与工作方式。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种车载阵列式雷达探测系统及快速工作方法。
本发明的第一目的是提供一种车载阵列式雷达探测系统，该系统采用阵列发射与阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，意在调整频率、改变探测深度与分辨能力。
本发明的第二目的是提供一种车载阵列式雷达探测快速工作方法，利用初步反演解释获取地下粗略波速，对单频矫正后的数据进行成像解释，获得初步成像结果，最后对不同频率雷达信号成像结果相关叠加，获得地下介质的三维成像。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种车载阵列式雷达探测系统，包括至少一移动式车载阵列式发射子系统、移动式车载阵列式观测子系统以及车体，其中：
所述车体上设置移动式车载阵列式发射子系统和移动式车载阵列式观测子系统，所述车体上搭载有收发天线、上位机以及记录雷达移动速度的速度记录模块；
所述移动式车载阵列式发射子系统，包括多个发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块和同步模块，所述选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度以及多深度探测；所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测，记录存储模块记录发射单元的数据，并通过同步模块与移动式车载阵列式观测子系统通讯；
所述移动式车载阵列式观测子系统，包括观测采集单元、观测控制模块、存储模块和通讯模块，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射单元的阵列对应的接受阵列，所述存储模块存储采集到的观测数据，所述通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。
进一步的，所述选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度、多深度探测。
进一步的，所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，从而改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测。
进一步的，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射阵列对应的接收阵列。
进一步的，所述同步模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。
进一步的，所述主控上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力；
(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；
(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列；
(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据与实时速度，实现对初始数据的矫正；
(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速；
(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；
(7)对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。
所述步骤(1)中，探地雷达的探测精度和深度与电磁脉冲的分辨率有很大关系。具体如下：
其中，Δ为穿透深度，ω为角频率，ω＝2πf，f为磁场频率，μ为磁导率，v为电导率。
其中，Xv和XH分别为垂直分辨率和水平分辨率，Δt为各个信号间的最小时间差，探地雷达能够识别的相邻两BW为发射脉冲的带宽，d是目标体距离地面的垂直距离，公式(2)-公式(5)中的v是波速；因此发射频率越大，带宽越大，分辨率越高。
因此，频率越高，探测精度越高，但探测深度较浅，频率越低，探测深度越深，但探测精度随之降低。上位机通过选频控制模块控制发射机单元输出不同频率的电磁脉冲，实现对地下目标体多尺度多深度的探测，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
所述步骤(2)中，上位机通过相位控制模块调整每个发射单元的相位、改变辐射方向，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
所述步骤(3)中，上位机通过对观测控制模块发射指令，发射控制模块控制观测采集单元的主频和带宽形成与发射阵列对应的接收阵列，并将采集到的数据存储到记录存储模块中，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
所述步骤(5)中，对不同频率响应信号进行相关叠加，其方法为：将低频脉冲响应下的信号fi分别与高频脉冲下的响应信号fj作相关并求取归一化的相关系数βi；
之后，利用叠加办法对所有频率的脉冲信号进行相关叠加，从而得到综合反映地下不良地质体的叠加后的信号fij；
其中，fi(k)是低频脉冲激发下的响应信号所对应的fi向量中的第k个元素，fj(k)是高频脉冲激发下的响应信号对应的fj向量中的第k个元素，M是向量fi与fj的维数；
并对不同频率信号初步反演获取地下粗略波速；
所述步骤(6)中，将步骤(5)中的粗滤波速作为反演初值，对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；
所述步骤(7)中，对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，其方法为：将每个单频矫正后的反演结果进行相关叠加的处理方法为：选取低频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mi与高频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mj做相关并求出其归一化的相关系数cj；
之后，利用相关叠加的办法对所有单频矫正后的反演结果进行相关叠加，最终得到精确反应地下目标体成像的反演结果mij；
其中，mj(k)高频脉冲激发下的响应信号所对应的反演结果mj中的第k个元素，mi(k)是低频脉冲激发下的响应信号所对应的反演结果mi中的第k个元素，M是mj与mi的维数；
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的发射单元和观测采集单元采用阵列发射与阵列接收，选频控制模块控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，从而结合低频探测深度深、高频探测精度高的优势，实现对地下不同深度、不同尺度的目标体精细化探测成像。
(2)本发明的相位控制模块控制每个发射单元的相位，从而改变辐射方向，增大探测范围，实现对不同方向的区域进行探测。
(3)本发明在数据处理时，对不同频率的雷达信号和数据单频矫正后的反演成像结果进行相关叠加，避免的相关干扰和随机噪声对结果的影响，明显压制噪声，提高信噪比，从而可以结合不同频率信号的优势，获得更加清晰的地下介质成像结果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的系统框图；
图2是本发明的移动式车载阵列式发射系统框图；
图3是本发明的移动式车载阵列式观测系统框图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1-图3所示，一种城市环境下车载阵列式雷达探测系统，包括移动式车载阵列式发射系统、移动式车载阵列式观测系统、车载阵列支架，移动式车载阵列式发射系统包括发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块、收发同步、定位与通讯模块、自检模块，移动式车载阵列式观测系统包括观测采集单元、观测控制模块、记录存储模块、收发同步、定位与通讯模块、自检模块，车载阵列支架包括支架主体、电源模块、速度记录模块、速度记录模块、主控上位机。
选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，意在调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度、多深度探测。
相位控制模块调整每个发射单元的相位，从而改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测。
观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射阵列对应的接受阵列。
所述收发同步、定位与通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据。
移动式车载阵列式发射系统中的记录存储模块记录发射主频的数目、主频大小、频带宽度、发射阵列数目和各频率发射相位；移动式车载阵列式观测系统中的记录存储模块记录各频率原始接收信号。
支架主体负责搭载收发天线。
电源模块实现对收发两个模块的供电。
速度记录模块负责获取、记录雷达移动速度，以供后续处理使用。
主控上位机负责控制整个系统的运行、存储记录，并与下位机通讯，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。
一种基于上述仪器的工作方法，包括以下步骤：
(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力。
(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度、不同方向的探测范围，从而也避免各个频段的干扰。
(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列。
(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据、实时速度等，并可以实现对初始数据的矫正。
(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，从而提高信噪比，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速。
(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果。
(7)最后对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。
步骤(1)中，上位机通过选频控制模块控制发射单元输出不同频率的电磁脉冲，不同频率的电磁脉冲和探测深度和精度具有很大的关系。具体如下：
其中，Δ为穿透深度，ω为角频率，ω＝2πf，f为磁场频率，μ为磁导率，v为电导率。
其中，其中，Xv和XH分别为垂直分辨率和水平分辨率，Δt为各个信号间的最小时间差，探地雷达能够识别的相邻两BW为发射脉冲的带宽，d是目标体距离地面的垂直距离，公式(2)-公式(5)中的v是波速；因此发射频率越大，带宽越大，分辨率越高，但探测深度较浅。频率越低，探测深度越深，但探测精度降低。通过发射不同频率的电磁脉冲，从而实现对地下目标体多尺度、多精度的探测，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
步骤(2)中，上位机通过相位控制模块调整每个发射单元的相位、改变辐射方向，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
步骤(3)中，上位机通过对观测控制模块发射指令，发射控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列，并将采集到的数据存储到记录存储模块中，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
步骤(5)中，通过对不同频率的信号进行相关叠加，从而结合了高频探测精度高和低频探测深度大的优点，从而实现对地下目标体多尺度、多精度的探测，具体方法如下：
将低频脉冲响应下的信号fi分别与高频脉冲下的响应信号fj作相关并求取归一化的相关系数βi；
之后，利用叠加办法对所有频率的脉冲信号进行相关叠加，从而得到综合反映地下不良地质体的叠加后的信号fij；
其中，fi(k)是低频脉冲激发下的响应信号所对应的fi向量中的第k个元素，fj(k)是高频脉冲激发下的响应信号对应的fj向量中的第k个元素，M是向量fi与fj的维数；
并对不同频率信号初步反演获取地下粗略波速；
步骤(6)中，将步骤(5)中的粗滤波速作为反演初值，对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；
步骤(7)中，对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，其方法为：将每个单频矫正后的反演结果进行相关叠加的处理方法为：选取低频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mi与高频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mj做相关并求出其归一化的相关系数cj；
之后，利用相关叠加的办法对所有单频矫正后的反演结果进行相关叠加，最终得到精确反应地下目标体成像的反演结果mij；
其中，mj(k)高频脉冲激发下的响应信号所对应的反演结果mj中的第k个元素，mi(k)是低频脉冲激发下的响应信号所对应的反演结果mi中的第k个元素，M是mj与mi的维数；
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种车载阵列式雷达探测系统，其特征是：包括至少一移动式车载阵列式发射子系统、移动式车载阵列式观测子系统以及车体，其中：
所述车体上设置移动式车载阵列式发射子系统和移动式车载阵列式观测子系统，所述车体上搭载有收发天线、上位机以及记录雷达移动速度的速度记录模块；
所述移动式车载阵列式发射子系统，包括多个发射单元、选频控制模块、相位控制模块、记录存储模块和同步模块，所述选频控制模块通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，调整频率、改变探测深度与分辨能力，实现对地下目标体多尺度以及多深度探测；所述相位控制模块调整每个发射单元的相位，改变辐射方向，实现对不同方向、不同区域目标体的探测，记录存储模块记录发射单元的数据，并通过同步模块与移动式车载阵列式观测子系统通讯；
所述移动式车载阵列式观测子系统，包括观测采集单元、观测控制模块、存储模块和通讯模块，所述观测控制模块通过控制观测采集单元，以形成与发射单元的阵列对应的接收阵列，所述存储模块存储采集到的观测数据，所述通讯模块记录收发距，实现收发的同步控制，与上位机通讯收发命令与数据；
所述上位机实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据与实时速度，实现对初始数据的矫正，对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速；对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果。
2.如权利要求1所述的一种车载阵列式雷达探测系统，其特征是：所述上位机负责控制整个系统的运行和存储记录，内置电子地图或网络地图，显示当前发射主频的数目和主频大小和频带宽度、各频率辐射方向、当前道路电子地图、当前收发阵列数目、各频率原始接收信号和相关叠加后的信号。
3.基于如权利要求1-2中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)发射单元和观测采集单元分别采用阵列发射和阵列接收，通过控制发射单元的串并联组合实现不同主频电磁脉冲的输出，以获得多尺度、多深度探测能力；
(2)通过调整发射单元的相位获得不同角度以及不同方向的探测范围；
(3)观测控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列；
(4)主控上位实时记录并显示原始数据，包括雷达发射主频、相位、接收到的雷达信号、地形数据与实时速度，实现对初始数据的矫正；
(5)对不同频率响应信号进行相关叠加，突出有效信号，并对信号初步反演获取地下粗略波速；
(6)对单频矫正后的数据进行反演成像解释，获得初步的成像结果；
(7)对不同频率雷达信号成像结果进行相关叠加，获得地下介质的三维成像结果；
步骤(5)中，将低频脉冲响应下的信号fi分别与高频脉冲下的响应信号fj作相关并求取归一化的相关系数βi；
之后，利用叠加办法对所有频率的脉冲信号进行相关叠加，从而得到综合反映地下不良地质体的叠加后的信号；
并对不同频率信号初步反演获取地下粗略波速；
步骤(7)中，对单频矫正后的反演结果进行相关叠加，其方法为：选取低频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mi与高频脉冲条件下的响应信号得到的反演结果mj做相关并求出其归一化的相关系数；
之后，结合相关系数利用相关叠加的办法对所有单频矫正后的反演结果进行相关叠加，最终得到精确反应地下目标体成像的精细化反演成像。
4.如权利要求3所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)中，上位机通过选频控制模块控制发射机单元输出不同频率的电磁脉冲，由趋肤深度的公式可知，不同频率的电磁脉冲信号有不同的探测深度和探测精度；发射机单元将发射的不同频率的脉冲信号存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
5.如权利要求3所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，上位机通过相位控制模块调整每个发射单元的相位、改变辐射方向，并将信息存储到记录存储模块，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
6.如权利要求3所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，上位机通过对观测控制模块发射指令，发射控制模块控制观测采集单元形成与发射阵列对应的接收阵列，并将采集到的数据存储到记录存储模块中，通过收发同步、定位与通讯模块实现与上位机的信息对接。
7.如权利要求3所述的工作方法，其特征是：所述步骤(6)中，将不同频率信号反演获取地下粗滤波速作为下一步反演的初值，并对单频矫正后的数据进行反演解释成像，获得初步的成像结果。
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