CN111929646A - 波束扫描探地雷达系统及智能波束扫描探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种波束扫描探地雷达系统及智能波束扫描探测方法，所述波束扫描探地雷达系统包括：发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器；发射阵列分别与主机和波束控制器相连；接收阵列与主机相连；发射阵列用于发射可智能扫描的探测波束；接收阵列用于接收回波信号；主机用于控制发射阵列发射探测波束，以及控制接收阵列接收回波信号；波束控制器用于根据探测的环境变化进行自适应调节发射阵列的波束参数。本发明在探地雷达的发射系统中引入智能波束扫描技术，可以动态调节、具有异常体感知能力，利用可重用的软硬件资源，灵活地改变发射系统的辐射电磁波束，实现智能高增益波束扫描，兼顾探测深度、精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及探地雷达技术领域，尤其涉及一种波束扫描探地雷达系统及智能波束扫描探测方法。
背景技术
一般的探地雷达是单天线收发，通过探地雷达沿着测线方向前进，向其正下方辐射电磁波束并接收回波，实现二维成像结果。而多通道探地雷达则是将多个发射天线平行放置，每个天线分别向其正下方辐射电磁波束，通过组合多天线的形式来实现阵列探测，采用一个主记录装置来控制，并将各自的采集数据按照合适的方式排列。相比单天线探地雷达，这种多通道技术使得一次测量所覆盖的探测面积增加，在一定程度上提高了探地雷达的探测效率，但是要求阵列覆盖要广，以致于阵列尺寸较大，甚至达到数米宽。
本发明主要针对探地雷达使用过程中的探测效率低，阵列探地雷达的阵列体积大、天线功能单一、波束方向固定、无法智能调控，并且在探测过程中分辨率不可调。此外，由于探测环境的复杂性及探测目标的多样性，传统探地雷达需要根据不同探测环境更换天线，或者根据探测情况手动修改通道等参数设置，无法满足多样化的探测需求。
发明内容
本发明实施例提供一种波束扫描探地雷达系统及智能波束扫描探测方法，用于解决现有技术中的上述技术问题。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种波束扫描探地雷达系统，包括：
发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器；
发射阵列分别与主机和波束控制器相连；接收阵列与主机相连；
发射阵列用于发射可智能扫描的探测波束；
接收阵列用于接收回波信号；
主机用于控制发射阵列发射探测波束，以及控制接收阵列接收回波信号；
波束控制器用于根据探测的环境变化进行自适应调节发射阵列的波束参数。
进一步地，波束参数至少包括如下内容中的一种或其组合：波束方向、波束宽度和增益。
进一步地，发射阵列由阵列天线和可重构电磁透镜阵列组成；
波束控制器通过控制可重构电磁透镜阵列的组成单元的相位，使得发射阵列的波束参数发生改变。
进一步地，发射阵列由移相器、阵列天线和固定结构的电磁透镜组成；
波束控制器通过控制每一个馈入信号的相位，使得发射阵列的波束参数发生改变。
进一步地，发射阵列由选择网络、阵列天线和固定结构的电磁透镜组成；
波束控制器通过在某一时刻选择性导通阵列天线中的一个或多个天线，使得发射阵列的波束参数发生改变。
进一步地，波束控制器中存储有包含回波信号和波束参数的码本；
不同地面环境对应不同的回波信号；
波束控制器通过回波信号与探测波束的幅值比获取探测环境的特征阻抗，并遍历码本获取不同探测环境下的波束参数。
进一步地，发射阵列的工作频段包括MHz频段、GHz频段和THz频段。
第二方面，本发明实施例提供一种智能波束扫描探测方法，包括：
根据探测环境预设宽波束进行扫描；
对回波信号进行预处理与初步成像；
若存在异常回波信号，则在异常体方向上使用高增益、窄波束进行精细化扫描；
提示用户沿测线前进，继续宽波束探测。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述第二方面提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第二方面提供的方法的步骤。
本发明在探地雷达的发射系统中引入智能波束扫描技术，可以动态调节、具有异常体感知能力，利用可重用的软硬件资源，根据感知到的不同探测环境，或者根据用户的探测深度、精度等需求，灵活地改变发射系统的辐射电磁波束，以便为不同的探测环境及异常目标提供与之相匹配的软硬件结构及探测方案，实现智能高增益波束扫描，兼顾探测深度、精度和效率。
附图说明
图1为探地雷达的波束扫描机制与传统多通道探地雷达的对比示意图；
图2为本发明实施例提供的波束扫描探地雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式1示意图；
图4为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式2示意图；
图5为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式3示意图；
图6为本发明实施例提供的波束扫描探地雷达实现智能波束扫描探测的流程图；
图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明针对目前多通道探地雷达的天线相互独立、波束方向固定导致的探测效率低、分辨率固定的问题，引入波束扫描技术，通过实时感知复杂变化的地下探测环境，实现具有异常体感知能力的智能波束扫描探测。本发明提出的波束扫描探地雷达可以根据用户的探测深度、精度等需求，以及异常体情况动态调整扫描波束的指向、辐射强度，实现智能高增益波束扫描，兼顾探测深度、精度和效率，在探地雷达等领域具有广阔的应用前景，其设计思路与工作方式可以扩展到更高频率的微波和毫米波成像系统。
一般的探地雷达天线是单天线收发，通过探地雷达沿着测线方向前进，向其正下方辐射电磁波束并接收回波，实现二维成像结果。而多通道探地雷达则是将多个发射天线平行放置，每个天线分别向其正下方辐射电磁波束，通过组合多天线的形式来实现阵列探测，采用一个主记录装置来控制，并将各自的采集数据按照合适的方式排列。这种多通道技术使得一次测量所覆盖的探测面积增加，在一定程度上提高了探地雷达的探测效率，但是要求阵列覆盖要广，以致于阵列尺寸较大，甚至达到数米宽。
本发明提出的波束扫描探地雷达所特有的波束赋形和扫描功能，不仅能最大化地汇聚电磁能量，利用不同指向的窄波束实现空间上的隔离、降低干扰，而且能够以扇形方式扫描探测，可以不受发射阵列尺寸的限制而保持较大的探测范围，此外，能够实现快速地半空间波束扫描，在不移动探地雷达的情况下实现面状区域的扫描探测，探测效率更高。
该探地雷达系统包括发射阵列、接收阵列、波束控制器及主机四部分。其中，波束扫描功能由发射阵列实现，接收阵列可以采用全向天线。
现有技术如下：
1、关于探地雷达的阵列天线。目前已有阵列天线探地雷达，其天线功能单一、相互独立。阵列中每一个天线各自向地下辐射电磁波束后，由各自对应的接收天线进行接收、并送至各自的射频通路进行处理，应用场景有限。本发明涉及的是波束扫描探地雷达虽然用到了阵列天线，但是此处的阵列天线需要进行控制后实现波束扫描功能，向地下辐射的电磁波束更加灵活、波束宽度可调节、增益更高，探测范围更广、深度更深。
2、关于波束扫描功能。目前阵列天线的波束扫描功能主要通过阵列天线馈入不同相位来实现，也有通过不同天线的选通来实现，或者通过在阵列前段加上人为控制的电磁透镜。但是目前这些波束扫描的技术主要用在移动通信、探空雷达等领域，暂无用到探地雷达的案例。
本发明要解决的技术问题是，针对探地雷达使用过程中的探测效率低，阵列探地雷达的阵列体积大、天线功能单一、波束方向固定、无法智能调控，并且在探测过程中分辨率不可调。此外，由于探测环境的复杂性及探测目标的多样性，传统探地雷达需要根据不同探测环境更换天线，或者根据探测情况手动修改通道等参数设置，无法满足多样化的探测需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明在探地雷达的发射系统中引入智能波束扫描技术，设计一种探测波束可以动态调节、具有异常体感知能力的探地雷达系统，包括发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器四部分。波束扫描探地雷达利用可重用的软硬件资源，根据感知到的不同探测环境，或者根据用户的探测深度、精度等需求，灵活地改变发射系统的辐射电磁波束，以便为不同的探测环境及异常目标提供与之相匹配的软硬件结构及探测方案，实现智能高增益波束扫描，兼顾探测深度、精度和效率。
面向不同探测场景和环境，本发明给出新型探地雷达实现智能波束扫描探测的流程，形成应用于探地雷达的、包含软硬件的完整系统。
本发明通过波束扫描功能来提高探地雷达的探测效率和探测深度，相比传统的多通道探地雷达，虽然都使用了阵列天线，并不会带来功耗和成本增加的问题，具有潜在应用价值。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为探地雷达的波束扫描机制与传统多通道探地雷达的对比。
实施例1：
为了提高探地雷达的探测效率、探测范围和探测深度。本发明面向复杂多变的探测环境和个性化的用户需求，提出一种具有智能波束扫描功能的探地雷达系统。
本发明的探地雷达系统包括发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器四部分。图2为本发明实施例提供的波束扫描探地雷达的结构示意图，结构示意图如图2所示。
在本发明的优选实施方式中，智能波束扫描方式可以由以下方式实现，但不限于这些方式：
①图3为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式1示意图，如图3，可以是采用可重构电磁透镜阵列，即通过PIN二极管、变容二极管、微机电系统等来控制透镜的每一个组成单元。馈源天线可以使用单天线或者天线阵列，但是天线阵列不需要进行相位控制的波束扫描。只需要控制透镜组成单元的相位，使得发射波束的方向和增益发生改变，进而实现波束扫描功能。
②图4为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式2示意图，如图4，也可以采用相控阵天线加上固定结构的透镜。天线阵列通过每一个馈入信号相位的不同来实现波束扫描，不同指向的波束通过固定结构的透镜后，仍沿着原来的方向继续向外辐射，但是透镜可以将天线波束汇聚，进而实现波束形状为笔状的高增益、窄波束。
③图5为本发明实施例提供的波束扫描的实现方式3示意图，如图5，可以使用选择性导通的阵列天线加上固定结构的透镜。天线阵列此时不是相控阵天线，通过在某一时刻选择性的导通某一个或者几个天线，从而形成朝指定方向辐射的波束，然后经过固定结构透镜汇聚后。其中，实线连接的是导通、工作的天线，虚线连接的是不工作的天线。
在本发明的优选实施方式中，为了提高探测深度，发射阵列采用具有波束扫描功能的定向波束；而为了避免漏检，接收阵列采用不具备波束扫描功能的宽波束。收发分置，发射阵列和接收阵列可以同时工作，根据系统内部控制时钟，即可方便地获知某一发射波束时刻和对应的接收波时刻。
在本发明的优选实施方式中，在制作工艺上，可重构电磁透镜或者固定结构的电磁透镜可以通过印制电路板技术实现，在绝缘介质基底材料上刻蚀特殊结构的金属。常见的介质基底材料有FR4、Rogers、F4B等，金属一般为铜。因此，电磁透镜的造价与常见的电路板价格持平，性价比高，研制成功后适合大规模的生产应用。
在本发明的优选实施方式中，由于可重构电磁透镜是二维平面结构，比传统电磁透镜的尺寸小，结构轻薄。控制器件可以采用PIN二极管、微机电系统、变容二极管等。波束控制器可以使用现场可编程门阵列(FPGA)或其他类型的微处理器。
在本发明的优选实施方式中，为了避免传统阵列天线系统的体积大、重量沉的缺点，选用宽带、平面结构、具有定向辐射能力的Vivaldi天线、渐变槽天线等。在保证单个天线性能的情况下，根据系统的带宽、增益和体积要求对天线进行组阵。
实施例2：
在本发明提出的波束扫描探地雷达中，通过波束控制器对发射阵列进行控制，即可实现符合特定要求的可控波束，进而实现不同指向、不同宽度的智能扫描波束。一般情况下，宽波束的增益较低，探测深度较浅；窄波束的增益较高，探测深度较深。
下面以预设宽波束扫描为例，波束扫描探地雷达实现智能波束扫描探测的流程图如图6所示。在探测开始前，用户可以根据探测环境预先设置扫描波束的宽窄，以实现扫描精度和效率的折中。在探测过程中，波束扫描探地雷达的主机根据回波信号进行预处理和初步成像，并判断是否有异常回波信号。如果有异常信号，则根据系统内置时钟和对应的波束扫描方向来判断异常体所在方位，进而在该方向上使用更高增益的窄波束进行精细化扫描。如果回波信号无异常，则可以提示用户沿测线前进，继续宽波束探测。
在本发明的优选实施方式中，可以在波束控制器的码表中预存以下信息，方便快速切换和控制：波束的宽度、辐射方向、增益这些性质，以及波束扫描的实现方式1中可重构电磁透镜的对应的控制电路参数(比如，变容二极管反向电压、超材料单元结构的幅频特性和相频特性等)、方式2中移相器的相位或者方式3中选择网络的配置等信息。
若码表中有此时对某一波束需求的控制信息，可通过遍历码表的形式获取系统所需的控制参数，进而控制扫描波束。如果码表中没有波束及相应的控制电路信息，可在保证辐射最大化的前提下，优化发射阵列的控制参数。在优化获得满足需求的波束及控制信息后，波束控制器将得到的控制参数及对应波束参数存入码表，随后开始探测。
实施本发明的波束扫描探地雷达，具有以下有益效果：①在不增加天线数目的情况下，大幅度提高波束聚焦能力和阵列增益。波束扫描产生的横向有效探测范围将会远大于阵列的实际物理尺寸。相比无波束扫描功能的多通道探地雷达，波束扫描探地雷达具有更大的探测深度、探测精度和横向探测范围。②扫描波束指向灵活，可以无惯性快速扫描，能够根据回波异常及特殊探测需求进行宽窄波束的快速动态调节，提高探测效率。③方式1的可重构电磁透镜为平面结构，集成了辐射和移相功能，结构简单、容易加工，不需要传统相控阵雷达中复杂笨重的射频前端组件，满足轻便性的需求，更有应用前景。④波束扫描探地雷达可以根据用户的探测深度、精度等需求，以及异常体情况动态调整扫描波束的指向、辐射强度，实现智能高增益波束扫描，兼顾探测深度、精度和效率。⑤本发明所构造的探地雷达系统，具有动态可调特性及低成本等优势，在探地雷达等领域具有广阔的应用前景，其工作原理与实现方式可以扩展到更高频率的微波和毫米波成像系统。
本发明的保护点如下：
1、本发明的波束扫描探地雷达，包括发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器四部分。其特征在于其探测波束并非固定不变，而是其波束方向、宽度、增益等性质可以根据探测的环境变化进行自适应调节的，自适应调节部分由波束控制器操控完成。
2、其波束扫描的三种实现方式，虽然在探空雷达或者移动通信系统中出现过，但是探空雷达、移动通信等领域面对的空气或者自由空间，实现相对简单。但是本发明提到的三种实现方式，在设计时，需要考虑地下环境的复杂多变特性，即使是具体到某一方向、宽度、增益的波束需求，水泥地和沙地等不同探测环境对发射阵列的影响，会使得波束控制的参数不同。
3、波束的自适应调节流程。系统将环境信息、控制参数等存于码本中，无码本信息的则通过迭代最小化进行优化、获取参数。可以通过反射波束与测试波束的幅值比获取探测环境的特征阻抗，并遍历码本获取不同探测环境下的波束控制电路信息，进而开始探测。
4、波束扫描探地雷达不仅可以用于工作在几百MHz频段的探地雷达，也可以用于工作在GHz波段的微波成像系统和THz波段的毫米波成像系统。
图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储在存储器703上并可在处理器701上运行的计算机程序，以执行下述步骤：
根据探测环境预设宽波束进行扫描；
对回波信号进行预处理与初步成像；
若存在异常回波信号，则在异常体方向上使用高增益、窄波束进行精细化扫描；
提示用户沿测线前进，继续宽波束探测。
此外，上述的存储器703中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
进一步地，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述各方法实施例中的步骤，例如包括：
根据探测环境预设宽波束进行扫描；
对回波信号进行预处理与初步成像；
若存在异常回波信号，则在异常体方向上使用高增益、窄波束进行精细化扫描；
提示用户沿测线前进，继续宽波束探测。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种波束扫描探地雷达系统，其特征在于，包括：
发射阵列、接收阵列、主机以及波束控制器；
发射阵列分别与主机和波束控制器相连；接收阵列与主机相连；
发射阵列用于发射可智能扫描的探测波束；
接收阵列用于接收回波信号；
主机用于控制发射阵列发射探测波束，以及控制接收阵列接收回波信号；
波束控制器用于根据探测的环境变化进行自适应调节发射阵列的波束参数。
2.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，波束参数至少包括如下内容中的一种或其组合：波束方向、波束宽度和增益。
3.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，发射阵列由阵列天线和可重构电磁透镜阵列组成；
波束控制器通过控制可重构电磁透镜阵列的组成单元的相位，使得发射阵列的波束参数发生改变。
4.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，发射阵列由移相器、阵列天线和固定结构的电磁透镜组成；
波束控制器通过控制每一个馈入信号的相位，使得发射阵列的波束参数发生改变。
5.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，发射阵列由选择网络、阵列天线和固定结构的电磁透镜组成；
波束控制器通过在某一时刻选择性导通阵列天线中的一个或多个天线，使得发射阵列的波束参数发生改变。
6.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，波束控制器中存储有包含回波信号和波束参数的码本；
不同地面环境对应不同的回波信号；
波束控制器通过回波信号与探测波束的幅值比获取探测环境的特征阻抗，并遍历码本获取不同探测环境下的波束参数。
7.根据权利要求1所述的波束扫描探地雷达系统，其特征在于，发射阵列的工作频段包括MHz频段、GHz频段和THz频段。
8.一种智能波束扫描探测方法，其特征在于，包括：
根据探测环境预设宽波束进行扫描；
对回波信号进行预处理与初步成像；
若存在异常回波信号，则在异常体方向上使用高增益、窄波束进行精细化扫描；
提示用户沿测线前进，继续宽波束探测。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求8所述智能波束扫描探测方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求8所述智能波束扫描探测方法的步骤。
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