CN109143226A - 一种地下物体探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下物体探测装置，包括足式机器人、雷达主机、发射天线机构、接收天线机构和无线信号传输系统，足式机器人与外部遥控器连接，发射天线机构、接收天线机构设置在足式机器人上，雷达主机通过无线信号传输系统发射雷达信号到发射天线机构，接收天线机构通过无线信号传输系统将接收的探测目标返回的雷达信号发送到雷达主机。基于上述装置，本发明还公开了一种探测方法。本发明将发射天线机构和接收天线机构布置在足式机器人上，提高了探测效率并节约了探测人工成本，同时采用无线信号传输系统用于雷达主机与发射天线机构、接收天线机构之间的信号的传输，具有结构简单、安装方便的优点。

Description

一种地下物体探测装置及其探测方法

技术领域

本发明属于地质探测技术领域，涉及一种地下物体探测装置及其探测方法，具体涉及一种将足式机器人、地质雷达、无线信号传输技术相结合的地下物体探测装置及其探测方法。

背景技术

地质雷达探测法是目前较先进的一种地质勘探方法。与其他地球物理勘探方法相比，它具有高分辨率、高效率、实时成像的特点。它的基本原理是：利用高频电磁波来探测有耗介质中目标体，通过发射天线将电磁波射入地下，电磁波在传播过程中，因目标体与其周围介质的电磁性差异而产生反射，被另一天线所接收，通过分析接收的雷达信号，解译出雷达图像的异常区域，从而推断地下介质分布。目前地质雷达系统已被广泛应用于考古、基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。

目前大部分的地质雷达系统组成都比较相似，主要组成部分一般包括：雷达主机、发射天线、接收天线和光缆。其中光缆连接发射天线、接收天线和雷达主机，用于雷达信号的传输。当采用地质雷达系统进行地下物体探测时，需要沿着测线不断移动发射天线和接收天线进行扫描，从而获得连续的地下物体的具体信息，而发射天线和接收天线的移动需要依靠工程人员人工操作来实现。依靠人工操作来移动发射天线和接收天线存在工作效率低下、探测人工成本高的缺点。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种地下物体探测装置，该装置采用无线信号传输技术代替目前地质雷达系统的光缆传输技术，将发射天线和接收天线布置在足式机器人上，从而解决了现有地质雷达系统存在的工作效率低下、探测人工成本高的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述地下物体探测装置的探测方法，该方法可以根据探测需要对足式机器人的路线进行规划，在规划路线上利用雷达和发射天线、接收天线实现探测，具有效率高、准确性高的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种地下物体探测装置，包括足式机器人、雷达主机、发射天线机构、接收天线机构和无线信号传输系统，足式机器人与外部遥控器连接，发射天线机构、接收天线机构设置在足式机器人上，雷达主机通过无线信号传输系统发射雷达信号到发射天线机构，接收天线机构通过无线信号传输系统将接收的探测目标返回的雷达信号发送到雷达主机。本发明将发射天线机构和接收天线机构布置在足式机器人上，提高了探测效率并节约了探测人工成本，同时采用无线信号传输系统用于雷达主机与发射天线机构、接收天线机构之间的信号的传输，具有结构简单、安装方便的优点。

优选的，所述雷达主机上设有用于显示地质雷达图像的显示装置。从而可以实时对当前的探测区域进行显示，判断是否存在探测目标。

优选的，所述发射天线机构包括发射装置和发射天线，发射装置将雷达信号转换为高频电磁波。

优选的，所述接收天线机构包括接收装置和接收天线，接收装置将探测目标返回的高频电磁波转换为雷达信号。

优选的，所述无线信号传输系统包括无线信号传输系统主端、中继装置和无线信号传输系统从端，三者之间通过无线方式信号连接；无线信号传输系统主端位于雷达主机旁，与雷达主机信号连接；无线信号传输系统从端布置在足式机器人上，与发射天线机构和接收天线机构之间采用电缆连接，中继装置设置在无线信号传输系统主端和无线信号传输系统从端之间。采用该结构可实现雷达信号和高频无线信号之间的相互转换。

更进一步的，所述无线信号传输系统主端和无线信号传输系统从端均包括第一核心处理器模块、第一电源模块、FSK调制解调模块和第一无线传输天线，所述FSK调制解调模块、无线传输天线分别与第一核心处理器模块相连，第一电源模块为上述各个部件供电，无线信号传输系统主端中的第一核心处理器模块与雷达主机相连，无线信号传输系统从端中的第一核心处理器模块与发射天线机构、接收天线机构相连。采用上述结构可以对雷达信号进行数字调制解调以便于无线传输。

更进一步的，所述第一核心处理器模块以STM32F103VET6及其外围电路构成，所述第一电源模块以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成，所述FSK调制解调模块以RXB3调制解调芯片及其外围电路构成。

更进一步的，所述中继装置包括第二核心处理器模块、第二电源模块、第二无线传输天线，所述第二核心处理器模块与无线信号传输系统主端、无线信号传输系统从端通过第二无线传输天线信号连接，第二电源模块为上述第二核心处理器模块和第二无线传输天线供电。

更进一步的，所述第二核心处理器模块以STM32F103VET6及其外围电路构成，所述第二电源模块以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成。

更进一步的，所述第二无线传输天线通信频率为315MHz～2.4GHz。从而可以能够传输到更远的距离以适应复杂条件下的地下物体探测作业。

一种基于上述地下物体探测装置的探测方法，包括步骤：

根据探测路线预先规划足式机器人的行走路线，根据探测任务预设频率参数；足式机器人按照预设路线移动，在移动过程中进行地下物体探测：

雷达主机按照设定值发出雷达信号，经无线信号传输系统传送到发射天线机构，发射天线机构将雷达信号转化为高频电磁波并发射到地下，接收天线机构将接收的载有地质信息的高频电磁波转化为反馈雷达信号，经无线信号传输系统发送到雷达主机，雷达主机对信号进行处理，得到地质雷达图像，根据地质雷达图像获取探测区域的地质信息。

优选的，在无线信号传输系统中，无线传输系统主端对雷达信号进行调制，将雷达信号加载到相应的高频载波上以实现雷达信号的无线传输，经过调制的无线信号经过中继装置中转后发送到无线传输系统从端，无线传输系统从端对接收到的高频信号进行解调得到初始的雷达信号，并经电缆由发射天线机构中的发射天线将雷达信号转化成高频电磁波并发射到地下；

接收到的载有地质信息的反馈雷达信号经过无线传输系统从端调制后经中继装置回传给无线传输系统主端，由无线传输系统主端对该信号解调然后发送到雷达主机。

更进一步的，所述调制过程为：首先对高频载波信号进行变频处理，产生两个不同频率的载波信号，再利用晶体振荡器对雷达主机的雷达信号进行变频处理，利用模拟开关对变频信号进行控制，得到FSK调制信号，然后以电磁波的形式发送出去；

所述解调过程为：对接收到的已调制信号进行频率和相位控制，从中得到低频的雷达信号，输出初始的雷达信号。

优选的，所述雷达主机采用连续采集模式进行雷达数据采集。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)发射天线和接收天线的移动依靠足式机器人来实现，具有较强的地形适应能力。

(2)由于足式机器人和无线信号传输系统的使用，大幅提高了探测效率，降低了探测的人工成本。

(3)由于探测效率的提高和探测人工成本的降低，使得大型场地隐伏松散体的探测成为可能。

附图说明

图1是本实施例的结构示意图。

图2是本实施例无线信号传输系统主端和从端的结构框图。

图3是本实施例中继装置的结构框图。

图4是本实施例地下物体探测装置及其探测方法的工作原理图。

图中，1.足式机器人，2.雷达主机，3.发射天线机构，4.接收天线机构，5.无线信号传输系统，6.无线信号传输系统主端，7.中继装置，8.无线信号传输系统从端，9.电缆，10.地面，11.高频电磁波，12.探测目标。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-4所示，本实施例一种地下物体探测装置，创新点在于将足式机器人、地质雷达、无线信号传输技术相结合进行地下物体探测。和传统地质雷达系统相比，具有探测效率高和探测人工成本低的优点，具有非常广阔的应用前景。具体结构包括足式机器人1、雷达主机2、发射天线机构3、接收天线机构4、无线信号传输系统5；下面结合附图对各个部件进行具体说明。

本实施例中，足式机器人1可利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵。为满足所载地质雷达发射天线机构3和接收天线机构4的移动和地下物体探测功能要求，足式机器人1具有按预设路线移动的功能。

本实施例中，雷达主机2用于控制电磁波的发射/接收，并对信号进行处理，显示出地质雷达图像。地质雷达采集模式一般有三种，分别是点测采集模式、连续采集模式和计量轮采集模式。为配合足式机器人连续移动探测的需要，并发挥本发明数据采集效率高的优势，本实施例具体采用连续采集模式，即按照一定的时间间隔自动记录雷达信号的采集模式。对雷达主机2进行相应设置后，雷达主机2将在探测过程中采用连续采集模式进行雷达信号采集，同时对信号进行处理，并记录和显示地质雷达图像。

本实施例中，发射天线机构3和接收天线机构4布置在足式机器人1上，相应的探测范围可由足式机器人控制，提高了探测效率并节约了探测人工成本。发射天线机构3包括发射装置和发射天线，接收天线机构4包括接收装置和接收天线。天线的频率越低探测深度越大，探测分辨率越低；天线的频率越高，探测深度越浅，则分辨率越高。实际应用时，根据探测项目的实际需要选用合适频率的天线组，在满足探测深度的情况下，本实施例可选择较高频率的天线组以提高探测的精度。

本实施例中，无线信号传输系统5用于雷达主机2与发射天线机构3、接收天线机构4之间的无线信号传输。无线信号传输系统5包括无线信号传输系统主端6、无线信号中继装置7、无线信号传输系统从端8。

如图2所示，无线信号传输系统主端6和无线信号传输系统从端8均包括以STM32F103VET6及其外围电路构成的第一核心处理器模块、以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成的第一电源模块、以RXB3调制解调芯片及其外围电路构成的FSK调制解调模块和第一无线传输天线，负责对雷达信号进行数字调制解调以便于无线传输。

如图3所示，中继装置7包括以STM32F103VET6及其外围电路构成的第二核心处理器模块、以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成的第二电源模块、第二无线传输天线三部分。第二核心处理器模块与无线传输系统主端6、无线传输系统从端8之间连接方式均为电联。第二无线传输天线的通信频率为315MHz～2.4GHz，第二核心处理器模块负责对雷达信号的频率进行采样和解析，选择合适的高频载波并控制不同的通路导通，从而选择不同阻抗的天线，通过最优阻抗匹配的天线发射不同频率的高频无线信号。

参见图4，本实施例地下物体探测装置的探测方法，包括步骤：

(1)地下物体探测实施前，首先根据探测项目的实际需要对足式机器人1的路线进行规划，并将路线输入足式机器人1的程序控制装置；然后，根据探测任务选择合适的发射天线机构3和接收天线机构4的频率，并对雷达主机2进行雷达信号的参数设置。

(2)地下物体探测过程中，足式机器人1沿着预设路线移动，移动过程中在不同预设地点进行地下物体探测。每次进行地下物体探测的流程为：

(2-1)雷达主机2按照设定值发出雷达信号。

(2-2)无线传输系统主端6对雷达信号进行调制，将雷达信号加载到相应的高频载波上，实现雷达信号的无线传输。

经过调制的无线信号经过中继装置中转后能够传输到更远的距离以适应复杂条件下的地下物体探测作业。

无线传输系统从端8对接收到的来自主端的高频信号进行解调得到初始的雷达信号，并经电缆9由发射天线机构3将雷达信号转化成高频电磁波11并发射到地下。

(2-3)高频电磁波11在传播过程中，因探测目标12与其周围介质的电磁性差异而产生反射，被接收天线机构4所接收。

(2-4)接收天线机构4将接收到的载有地质信息的高频电磁波转换为载有地质信息的反馈雷达信号。

该反馈雷达信号经过无线传输系统从端8调制后经中继装置回传给无线传输系统主端6，由无线传输系统主端6对该信号解调，并传输给雷达主机2。

(2-5)雷达主机2采用连续采集模式进行雷达数据采集，同时对信号进行处理，并记录和显示地质雷达图像；对地质雷达图像进行图像处理和分析，获取探测区域的地质信息。

基于本实施例的硬件结构，具体的调制解调过程如下：

当雷达主机根据作业任务设定好雷达工作频率后，STM32F103VET6处理器解析出该雷达工作频率，进而由FSK调制解调模块对该雷达信号进行调制。

调制过程为：首先由FSK调制解调模块对高频载波信号进行变频处理，产生两个不同频率的载波信号，再利用电路上的晶体振荡器对雷达主机的雷达信号进行变频处理，利用模拟开关对变频信号进行控制，得到FSK调制信号，并通过无线传输天线以电磁波的形式发送出去。

在解调端，解调过程为：利用FSK调制解调模块内置的锁相环对接收到的已调制信号进行频率和相位控制，从中得到低频的雷达信号，并通过FSK调制解调模块的输出脚输出初始的雷达信号。

另外，由于调制解调目前都是成熟的集成方案，一块芯片即可实现输入和输出，因此一般只需要给调制解调芯片信号，该芯片即可完成调制解调全过程，并由外围电路将信号传输或者接收即可。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下物体探测装置，其特征在于，包括足式机器人、雷达主机、发射天线机构、接收天线机构和无线信号传输系统，足式机器人与外部遥控器连接，发射天线机构、接收天线机构设置在足式机器人上，雷达主机通过无线信号传输系统发射雷达信号到发射天线机构，接收天线机构通过无线信号传输系统将接收的探测目标返回的雷达信号发送到雷达主机。

2.根据权利要求1所述的地下物体探测装置，其特征在于，

所述发射天线机构包括发射装置和发射天线，发射装置将雷达信号转换为高频电磁波；

所述接收天线机构包括接收装置和接收天线，接收装置将探测目标返回的高频电磁波转换为雷达信号。

3.根据权利要求1所述的地下物体探测装置，其特征在于，

所述无线信号传输系统包括无线信号传输系统主端、中继装置和无线信号传输系统从端，三者之间通过无线方式信号连接；无线信号传输系统主端位于雷达主机旁，与雷达主机信号连接；无线信号传输系统从端布置在足式机器人上，与发射天线机构和接收天线机构之间采用电缆连接，中继装置设置在无线信号传输系统主端和无线信号传输系统从端之间。

4.根据权利要求3所述的地下物体探测装置，其特征在于，所述无线信号传输系统主端和无线信号传输系统从端均包括第一核心处理器模块、第一电源模块、FSK调制解调模块和第一无线传输天线，所述FSK调制解调模块、无线传输天线分别与第一核心处理器模块相连，第一电源模块为上述各个部件供电，无线信号传输系统主端中的第一核心处理器模块与雷达主机相连，无线信号传输系统从端中的第一核心处理器模块与发射天线机构、接收天线机构相连；

所述中继装置包括第二核心处理器模块、第二电源模块、第二无线传输天线，所述第二核心处理器模块与无线信号传输系统主端、无线信号传输系统从端通过第二无线传输天线信号连接，第二电源模块为上述第二核心处理器模块和第二无线传输天线供电。

5.根据权利要求4所述的地下物体探测装置，其特征在于，

所述第一核心处理器模块以STM32F103VET6及其外围电路构成，所述第一电源模块以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成，所述FSK调制解调模块以RXB3调制解调芯片及其外围电路构成；

所述第二核心处理器模块以STM32F103VET6及其外围电路构成，所述第二电源模块以AMS1117-3.3稳压芯片及其外围电路构成；

所述第二无线传输天线通信频率为315MHz～2.4GHz。

6.根据权利要求1所述的地下物体探测装置，其特征在于，所述雷达主机上设有用于显示地质雷达图像的显示装置。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述地下物体探测装置的探测方法，其特征在于，包括步骤：

根据探测路线预先规划足式机器人的行走路线，根据探测任务预设频率参数；足式机器人按照预设路线移动，在移动过程中进行地下物体探测：

雷达主机按照设定值发出雷达信号，经无线信号传输系统传送到发射天线机构，发射天线机构将雷达信号转化为高频电磁波并发射到地下，接收天线机构将接收的载有地质信息的高频电磁波转化为反馈雷达信号，经无线信号传输系统发送到雷达主机，雷达主机对信号进行处理，得到地质雷达图像，根据地质雷达图像获取探测区域的地质信息。

8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，在无线信号传输系统中，无线传输系统主端对雷达信号进行调制，将雷达信号加载到相应的高频载波上以实现雷达信号的无线传输，经过调制的无线信号经过中继装置中转后发送到无线传输系统从端，无线传输系统从端对接收到的高频信号进行解调得到初始的雷达信号，并经电缆由发射天线机构中的发射天线将雷达信号转化成高频电磁波并发射到地下；

接收到的载有地质信息的反馈雷达信号经过无线传输系统从端调制后经中继装置回传给无线传输系统主端，由无线传输系统主端对该信号解调然后发送到雷达主机。

9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述调制过程为：首先对高频载波信号进行变频处理，产生两个不同频率的载波信号，再利用晶体振荡器对雷达主机的雷达信号进行变频处理，利用模拟开关对变频信号进行控制，得到FSK调制信号，然后以电磁波的形式发送出去；

所述解调过程为：对接收到的已调制信号进行频率和相位控制，从中得到低频的雷达信号，输出初始的雷达信号。

10.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述雷达主机采用连续采集模式进行雷达数据采集。