CN109633758B - 一种多频复合探地雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频复合探地雷达系统，包括，N个雷达模块、数据转接器和控制处理模块；数据转接器将N个雷达模块分别与控制处理模块连接，用于建立每个雷达模块与控制处理模块之间的数据传输通路；控制处理模块，用于产生控制指令对每一个雷达模块进行配置和工作状态控制；接收、处理每一个雷达模块输出的回波数据，生成雷达数据文件；N个雷达模块，分别工作于不同频率点，用于对地发射雷达探测信号，接收、处理反射回波信号。本发明解决了探地雷达在工程实践中探测深度和分辨率之间的矛盾，实现作业过程中多频段探地雷达天线同时探测，覆盖面广，兼顾深部和浅部的地质信息，提高了探地雷达的探测质量和作业效率。

Description

一种多频复合探地雷达系统

技术领域

本发明涉及探地技术领域，尤其是一种多频复合探地雷达系统。

背景技术

随着我国对城市地下空间的快速的开发利用，对于城市地下空间地质勘查的需求日益增加，尤其满足城市地下空间探测和地铁、管廊建设等工程的地质勘查需求。

目前，探地雷达产品仅能搭载单一中心频率的天线或者仅支持单通道采集，单通道采集的探地雷达探测范围有限，如果需要对深层地下空间进行勘察，例如超过20米，则需要用多部工作在不同频率的雷达分别进行多次勘察才能实现，探测费时费力，效率较低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种多频复合探地雷达系统，解决对深层地下空间进行勘察时，使用现有探地雷达效率低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种多频复合探地雷达系统，包括，N个雷达模块、数据转接器和控制处理模块；

所述数据转接器将N个雷达模块分别与控制处理模块连接，用于建立每个雷达模块与控制处理模块之间的数据传输通路；

所述控制处理模块，用于产生控制指令对每一个雷达模块进行配置和工作状态控制；接收、处理每一个雷达模块输出的回波数据，生成雷达数据文件；

所述N个雷达模块，分别工作于不同频率点，用于对地发射雷达探测信号，接收、处理反射回波信号，输出回波数据。

进一步地，所述雷达模块的接收组件包括时序控制电路、信号处理电路、等效采样电路、增益受控放大电路、低噪声放大电路和通信接口电路；

所述时序控制电路，产生触发脉冲到雷达模块的发射组件，用于对发射信号进行时序控制；产生采样脉冲，用于对回波信号处理进行时序控制；

所述低噪声放大电路与雷达模块的接收天线连接，用于对天线接收的回波信号进行低噪声放大，将信号电平调整到设定范围后，输出到增益受控放大电路；

所述增益受控放大电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大，输出到等效采样电路；

所述等效采样电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对增益放大后的回波信号进行采样得到数字回波信号，输出到信号处理电路；

所述信号处理电路与通信接口电路连接，对所述数字回波信号进行数据打包处理，输出符合设定通信协议的数据包括到通信接口电路；

所述通信接口电路与所述数据转接器连接，将数据包通过所述数据转接器传输到所述控制处理模块进行处理。

进一步地，所述时序控制电路包括，触发脉冲产生电路和采样脉冲产生电路；

所述触发脉冲产生电路，在所述控制处理模块的指令控制下，产生脉冲周期固定的触发脉冲，用于触发雷达模块的发射组件产生雷达探测脉冲；

所述采样脉冲产生电路与所述触发脉冲产生电路连接，以触发脉冲为基准，产生相对于触发脉冲依次后延的步进时延采样脉冲序列。

进一步地，所述增益受控放大电路包括增益调整电路和可控增益放大电路；

所述增益调整电路，与所述采样脉冲产生电路连接，在所述步进时延采样脉冲的控制下，产生受控增益信号输出到可控增益放大电路；

所述可控增益放大电路，用于在受控增益信号的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大；

受控增益信号控制所述增益放大量随所述步进时延采样脉冲序列的顺序，周期性、阶梯型的增大。

进一步地，所述等效采样电路包括采保电路、模数转换延时电路和模数转换电路；

所述采保电路，用于在所述步进时延采样脉冲序列的触发下，对所述可控增益放大电路输出的信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换电路，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字化回波信号；

所述模数转换延时电路，用于对所述步进时延采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换电路，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

进一步地，所述控制处理模块包括雷达配置模块、雷达工序控制模块和雷达回波数据接收显示模块；

所述雷达配置模块，用于形成每一个雷达模块的配置数据，通过数据转接器发送到对应雷达模块对雷达的工作参数进行配置；

所述雷达工序控制模块，用于设定N个雷达模块的工作时序，通过数据转接器发送到N个雷达模块控制每个雷达模块探测、通信和待机的工作时序；

所述雷达回波数据接收显示模块，用于接收所述数据转接器转发的雷达模块输出的回波信号数字包，转换为雷达数据文件进行存储和显示。

进一步地，所述配置数据包括触发脉冲控制字、采样间隔控制字、采样周期控制字和增益控制字；

所述设定的工作时序为分时工作，即每个雷达模块分时进行探测、通信和待机，在一个时序内只有一个雷达模块进行探测，另一个雷达模块与控制处理模块通信，其他雷达模块待机。

进一步地，所述数据转接器为路由器，通过路由器将所述控制处理模块和N个雷达模块进行组网。

进一步地，所述N＝3，即包括3个雷达模块；其中，第一雷达模块产生75MHz的雷达探测脉冲；第二雷达模块产生250MHz的雷达探测脉冲；第三雷达模块产生400MHz的雷达探测脉冲。

进一步地，所述三个雷达模块的收、发天线采用相同的非阻抗加载是蝶形微带宽带天线，采用双层屏蔽腔结构，并封装于同一外壳中。

本发明有益效果如下：

本发明解决了探地雷达在工程实践中探测深度和分辨率之间的矛盾，实现作业过程中多频段探地雷达天线同时探测，覆盖面广，兼顾深部和浅部的地质信息，提高了探地雷达的探测质量和作业效率。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的多频复合探地雷达系统组成连接图；

图2为本发明实施例中的雷达工作时序示意图；

图3为本发明实施例中的雷达模块组成连接示意图；

图4为本发明实施例中的三频复合天线结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种多频复合探地雷达系统，如图1所示，包括，三个雷达模块、数据转接器和控制处理模块；

所述数据转接器将三个雷达模块分别与控制处理模块连接，用于建立每个雷达模块与控制处理模块之间的数据传输通路；

优选的，所述数据转接器为路由器，每个雷达模块和控制处理模块与路由器连接，通过路由器组网实现控制处理模块与每个雷达的数据传输通路，进行以太网通信数据的交互，通过100Mbps以太网实现实时数据高速传输。

所述控制处理模块，用于产生控制指令对三个雷达模块进行配置和工作状态控制；接收、处理三个雷达模块输出的回波数据，生成雷达数据文件，并显示回波数据结果。

所述三个雷达模块各工作在不同的频率点，用于对不同深度的地层发射雷达探测信号，接收对应地层内目标的反射回波信号。

其中，第一雷达模块产生75MHz的雷达探测脉冲；第二雷达模块产生250MHz的雷达探测脉冲；第三雷达模块产生400MHz的雷达探测脉冲。

具体的，控制处理模块内部包括雷达配置模块、雷达工序控制模块和雷达回波数据接收显示模块；

所述雷达配置模块，用于形成每一个雷达模块的配置数据，通过数据转接器发送到对应雷达模块对雷达的工作参数进行配置；

所述雷达工序控制模块，用于设定三个雷达模块的工作时序，通过数据转接器发送到三个雷达模块控制每个雷达模块探测、通信和待机的工作时序；

所述雷达回波数据处理显示模块，用于接收处理所述数据转接器转发的雷达模块输出的回波信号数字包，转换为与雷达模块对应的雷达数据文件进行存储和显示。

其中，雷达配置模块发送的配置数据包括：

触发脉冲控制字——用于设置雷达模块的触发脉冲间隔，即设置雷达的发射重频；

采样间隔控制字——用于设置雷达模块等效采样的采样间隔；本实施例为时延依次后延的步进时延控制字；

采样周期控制字——用于设置采样脉冲具相应触发脉冲的最大时间间隔，即确定回波信号的最大时间延迟，也对应雷达的最大探测深度；

增益控制字——用于控制受控增益信号的增益控制率；

触发脉冲控制字、采样间隔控制字和采样周期控制字发送到时序控制电路；增益控制字发送到增益受控放大电路。

可选的，雷达工序控制模块的工作时序控制为分时控制，即每个雷达模块分时进行探测、通信和待机，在一个时序内只有一个雷达模块进行探测，另一个雷达模块与控制处理模块通信，其他雷达模块待机。使多个雷达模块的探测和数据通信互不重叠冲突。

如图2所示，工作时序控制中，首先在系统初始化后的第一个时序，雷达工序控制模块向第一雷达模块(75MHz雷达)发送探测指令，第一雷达模块进行地层目标数据的采集工作；向第二雷达模块(250MHz雷达)和第三雷达模块(400MHz雷达)发送待机指令，两部雷达进入待机状态；

第二个时序，第一雷达模块完成信号采集后，雷达工序控制模块向第二雷达模块发送探测指令，第二雷达模块进行地层目标数据的采集工作；向第一雷达模块发送数据请求指令，第一雷达模块返回采集回波数据；向第三雷达模块发送待机指令，第三雷达模块待机；

第三个时序，第二雷达模块完成信号采集后；雷达工序控制模块向第三雷达模块发送探测指令，第三雷达模块进行地层目标数据的采集工作；向第二雷达模块发送数据请求指令，第二雷达模块返回采集回波数据；向7第一雷达模块发送待机指令，第一雷达模块雷达待机。

后续往复，完成测线一个测点的探测。

所述控制处理模块可以采用计算机，控制处理模块所包含的子模块的功能可以通过计算机软件的方法实现。

具体的，三个雷达模块的内部组成和连接关系相同，且采样带宽为50MHz～10GHz，动态范围120dB，每个雷达模块工作于一个设定的频率点，用于对对应的地层进行探测；

如图3所示，本实施例的雷达模块包括发射组件和接收组件；

所述发射组件包括发射脉冲驱动器、发射脉冲产生器和高压电源；

所述发射脉冲驱动器在触发脉冲序列的触发下，产生驱动发射脉冲产生器工作的脉冲驱动信号；

所述发射脉冲产生器在脉冲驱动信号的驱动下产生发射脉冲，驱动发射天线，向空间辐射冲击脉冲信号；

所述高压电源与发射脉冲产生器连接，为发射脉冲产生器提供偏置电压。

所述接收组件包括时序控制电路、信号处理电路、等效采样电路、增益受控放大电路、低噪声放大电路和通信接口电路；

所述时序控制电路，用于产生触发脉冲序列到发射组件的发射脉冲驱动器，对雷达发射信号进行时序控制；产生采样脉冲序列对雷达接收信号的处理进行时序控制；

具体的，所述时序控制电路包括，触发脉冲产生电路和采样脉冲产生电路；

所述触发脉冲产生电路，在所述触发脉冲控制字的控制下，产生脉冲周期固定的触发脉冲序列，到发射组件的发射脉冲驱动器，对雷达发射信号进行时序控制；

所述采样脉冲产生电路与所述触发脉冲产生电路连接，以触发脉冲为基准，在采样间隔控制字和采样周期控制字的控制下，产生相对于触发脉冲依次后延的、周期性的步进时延采样脉冲序列，采样间隔控制字控制采样脉冲步进时延的间隔量；采样周期控制字控制后延变化的周期。

所述低噪声放大电路与雷达接收天线连接，用于对天线接收的回波信号进行低噪声放大，是接收分机的第一级放大电路，将微弱的高频雷达回波信号进行放大调整到设定范围后，输出到增益受控放大电路；

所述增益受控放大电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大，输出到等效采样电路；

具体的，所述增益受控放大电路包括增益调整电路和可控增益放大电路；

所述增益调整电路，与所述采样脉冲产生电路连接，在所述步进时延采样脉冲的控制下，产生受控增益信号输出到可控增益放大电路；

所述可控增益放大电路，用于在受控增益信号的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大；

受控增益信号控制所述增益放大量随所述步进时延采样脉冲序列的顺序，周期性、阶梯型的增大，增益控制率受所述雷达配置模块输出的增益控制字的控制。

所述增益受控放大电路对不同时延的回波信号的增益不同，可以压缩雷达回波信号的动态范围，从而使放大的回波信号在采样保持电路的输入量程范围以内，进而提高探地雷达的分辨率。

所述等效采样电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对增益放大后的回波信号进行等效采样得到数字回波信号，输出到信号处理电路；

具体的，所述等效采样电路包括采保电路、模数转换延时电路和模数转换电路；

所述采保电路，用于在所述步进时延采样脉冲序列的触发下，对所述可控增益放大电路输出的信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换电路，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字回波信号；

所述模数转换延时电路，用于对所述步进时延采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换电路，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

所述信号处理电路与通信接口电路连接，对所述数字回波信号进行数据打包处理，输出符合以太网通信协议的数据包到通信接口电路。

所述通信接口电路为以太网通信接口电路，与路由器连接，一方面，接收所述控制处理模块发送的雷达配置数据和工作状态控制数据，另一方面，将数据包通过路由器传输到所述控制处理模块进行处理。

为实现雷达模块的小型化，通用化，在满足对地探测深度为20米的多频复合探地雷达工作频点要求下，本实施例的第一雷达模块(75MHz雷达)、第二雷达模块(250MHz雷达)、第三雷达模块(400MHz雷达)的收、发天线采用相同的非阻抗加载是蝶形微带宽带天线，采用双层屏蔽腔结构。本实施例的三频复合天线结构，如图4中所示，体积最大的两只天线分别为75MHz收发天线；其次的为250MHz收发天线，体积最小的为400MHz收发天线；该蝶形微带宽带天线采用双层屏蔽腔结构，具有低剖面、小型化、宽波束、时域波形拖尾小等优点，同时其屏蔽性和抗干扰性能良好，可应用在城市等复杂电磁环境中。同时，通过优化布局，使不同频率天线不产生相互影响，将三频复合天线集成在同一结构外壳内使用。

其中，75MHz收、发天线位于三频复合天线的两侧；75MHz收、发天线主要作为深距离目标探测使用，通常探测目标尺寸较大，收发天线布局较远的两侧可有效提升测角域的覆盖范围，75MHz收、发天线相距较远可有效减弱天线间多次反射的信号强度，提升直达波波形质量，提高雷达探测精度。

250MHz收、发天线和400MHz收、发天线作为近距离目标探测应用，位于75MHz收、发天线之间；由于，250MHz收、发天线和400MHz收、发天线的工作频域相对于75MHz收、发天线的工作波长较短；因此，250MHz收、发天线和400MHz收、发天线之间可取的距离相对于75MHz收、发天线之间的距离要近；通过分别布置在75MHz天线间，可最大化利用空间。在天线布局上，利用电磁仿真软件进行仿真优化，确定75MHz、250MHz和400MHz三个频率的收、发天线的位置关系，使其互不影响，在一个复合天线上实现对75MHz、250MHz和400MHz三个频率信号的发射和接收。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多频复合探地雷达系统，其特征在于，包括，N个雷达模块、数据转接器和控制处理模块；

所述数据转接器将N个雷达模块分别与控制处理模块连接，用于建立每个雷达模块与控制处理模块之间的数据传输通路；

所述控制处理模块，用于产生控制指令对每一个雷达模块进行配置和工作状态控制；接收、处理每一个雷达模块输出的回波数据，生成雷达数据文件；

所述N个雷达模块，分别工作于不同频率点，用于对地发射雷达探测信号，接收、处理反射回波信号，输出回波数据；

所述控制处理模块包括雷达配置模块、雷达工序控制模块和雷达回波数据接收显示模块；

所述雷达配置模块，用于形成每一个雷达模块的配置数据，通过数据转接器发送到对应雷达模块对雷达的工作参数进行配置；

所述配置数据包括触发脉冲控制字、采样间隔控制字、采样周期控制字和增益控制字；

触发脉冲控制字、采样间隔控制字和采样周期控制字通过数据转接器发送到对应雷达模块的时序控制电路；

触发脉冲控制字，用于设置雷达模块的触发脉冲间隔；

采样间隔控制字，用于设置雷达模块等效采样的采样间隔；

采样周期控制字，用于设置采样脉冲距相应触发脉冲的最大时间间隔；

增益控制字通过数据转接器发送到对应雷达模块的增益受控放大电路，用于控制受控增益信号的增益控制率；

所述雷达工序控制模块，用于设定N个雷达模块的工作时序，通过数据转接器发送到N个雷达模块控制每个雷达模块探测、通信和待机的工作时序；

所述设定的工作时序为分时工作，即每个雷达模块分时进行探测、通信和待机，在一个时序内只有一个雷达模块进行探测，另一个雷达模块与控制处理模块通信，用于返回采集回波数据；其他雷达模块待机；

所述雷达回波数据接收显示模块，用于接收所述数据转接器转发的雷达模块输出的回波信号数字包，转换为雷达数据文件进行存储和显示。

2.根据权利要求1所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述雷达模块的接收组件包括时序控制电路、信号处理电路、等效采样电路、增益受控放大电路、低噪声放大电路和通信接口电路；

所述时序控制电路，产生触发脉冲到雷达模块的发射组件，用于对发射信号进行时序控制；产生采样脉冲，用于对回波信号处理进行时序控制；

所述低噪声放大电路与雷达模块的接收天线连接，用于对天线接收的回波信号进行低噪声放大，将信号电平调整到设定范围后，输出到增益受控放大电路；

所述增益受控放大电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大，输出到等效采样电路；

所述等效采样电路与所述时序控制电路连接，在所述采样脉冲的控制下，对增益放大后的回波信号进行采样得到数字回波信号，输出到信号处理电路；

所述信号处理电路与通信接口电路连接，对所述数字回波信号进行数据打包处理，输出符合设定通信协议的数据包括到通信接口电路；

所述通信接口电路与所述数据转接器连接，将数据包通过所述数据转接器传输到所述控制处理模块进行处理。

3.根据权利要求2所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述时序控制电路包括，触发脉冲产生电路和采样脉冲产生电路；

所述触发脉冲产生电路，在所述控制处理模块的指令控制下，产生脉冲周期固定的触发脉冲，用于触发雷达模块的发射组件产生雷达探测脉冲；

所述采样脉冲产生电路与所述触发脉冲产生电路连接，以触发脉冲为基准，产生相对于触发脉冲依次后延的步进时延采样脉冲序列。

4.根据权利要求3所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述增益受控放大电路包括增益调整电路和可控增益放大电路；

所述增益调整电路，与所述采样脉冲产生电路连接，在所述步进时延采样脉冲的控制下，产生受控增益信号输出到可控增益放大电路；

所述可控增益放大电路，用于在受控增益信号的控制下，对所述低噪声放大后的回波信号进行受控增益放大；

受控增益信号控制所述增益放大量随所述步进时延采样脉冲序列的顺序，周期性、阶梯型的增大。

5.根据权利要求4所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述等效采样电路包括采保电路、模数转换延时电路和模数转换电路；

所述采保电路，用于在所述步进时延采样脉冲序列的触发下，对所述可控增益放大电路输出的信号进行采样保持，输出采样后的模拟回波信号；

所述模数转换电路，用于对采样后的模拟回波信号进行模数转换，输出数字化回波信号；

所述模数转换延时电路，用于对所述步进时延采样脉冲序列进行设定的延迟后输出到模数转换电路，使模数转换过程与采样后的模拟回波信号同步。

6.根据权利要求1-5任一项所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述数据转接器为路由器，通过路由器将所述控制处理模块和N个雷达模块进行组网。

7.根据权利要求6所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，所述N＝3，即包括3个雷达模块；其中，第一雷达模块产生75MHz的雷达探测脉冲；第二雷达模块产生250MHz的雷达探测脉冲；第三雷达模块产生400MHz的雷达探测脉冲。

8.根据权利要求7所述的多频复合探地雷达系统，其特征在于，三个雷达模块的收、发天线采用相同的非阻抗加载式蝶形微带宽带天线，采用双层屏蔽腔结构，并封装于同一外壳中。

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