CN112578362A - 一种三维探地雷达数据定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维探地雷达数据定位方法，包括：按固定频率同步获取卫星时间T_1j，得到N个通道的雷达数据；以固定频率采集获取GPS主天线、GPS从天线从雷达天线位置的观测数据和卫星时间T_2k，并获取三维探地雷达探测区域内的基准站数据，采用RTK算法获取卫星时间T_2k对应的GPS主天线所在的经纬度L_2k和三维探地雷达行进航向角θ_2k；对T_2k、L_2k、θ_2k、T_1j和n_j进行插值；求得卫星时间T_1j对应的经纬度L_1j[L_1jA,L_1jB]和达行进航向角θ_1j；求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和行进航向角θ_i；根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据。

Description

一种三维探地雷达数据定位方法

技术领域

本发明涉及雷达数据处理技术领域，尤其是一种三维探地雷达数据定位方法。

背景技术

三维探地雷达相比于单通道探地雷达具有数据密度高的优势，能对地下目标以三维电磁波点云方式成像，捕获目标形貌细节。因此，三维探地雷达日益成为公路、机场、市政道路地下病害体探测的主要仪器。然而，三维探地雷达受限于天线数量，单幅仅能采集一定宽度的数据，为了将多条测线的多幅数据整体拼接以呈现完整地下目标，三维探地雷达每次采样的各通道数据均需要准确定位。目前，现有技术中的探地雷达数据普遍采用里程计相对定位、GPS绝对定位或全站仪相对定位。其中，里程计相对定位存在显著累积误差。GPS绝对定位采用单GPS或RTK定位，仅在数据从底层FPGA采集系统上传至上位机后查询GPS接收机提供的位置信息，未考虑GPS移动站接受基准站数据后运算时间以及底层FPGA采集系统上传数据的传输时间，从而在快速移动情况下存在定位偏差大的弱点。另外，全站仪相对定位因距离短、现场布置麻烦而使用较少。因此，GPS绝对定位是三维探地雷达较优选的技术路线。

因此，急需要提出一种逻辑简单、准确可靠的三维探地雷达数据定位方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种三维探地雷达数据定位方法，本发明采用的技术方案如下：

一种三维探地雷达数据定位方法，采用板状结构的雷达天线板，一一对应设置在雷达天线板的两端部的GPS主天线和GPS从天线，连接在GPS主天线与GPS从天线之间的双GPS接收机，与双GPS接收机和雷达天线板连接、且内置卫星授时模块的FPGA板卡，与FPGA板卡连接的可读存储介质；所述雷达天线板上设置有等间距的数个雷达天线；

所述三维探地雷达数据定位方法包括以下步骤：

采集三维探地雷达信号并按10或25Hz固定频率同步获取卫星时间T_1j，得到N个通道的雷达数据[D_1i,D_2i,...,D_Ni]；所述i表示采样序号，其取值范围为大于等于0的整数；将采集三维探地雷达信号的当前的采样序号i_j一一对应配准卫星时间T_1j；

以10或25Hz固定频率采集获取GPS主天线、GPS从天线从雷达天线位置的观测数据和卫星时间T_2k，并获取三维探地雷达探测区域内的基准站数据，采用RTK算法获取卫星时间T_2k对应的GPS主天线所在的经纬度L_2k和三维探地雷达行进航向角θ_2k；

对卫星时间T_2k、经纬度L_2k、行进航向角θ_2k、卫星时间T_1j和采样序号n_j进行插值，在卫星时间T_2k的序列中搜索卫星时间T_1j所在的时间段节点T_2M和时间段节点T_2(M+1)，以及与时间段节点T_2M对应的经纬度L_2M[L_2MA,L_2MB]和时间段节点T_2(M+1)对应的经纬度L_2(M+1)[L_2(M+1)A,L_2(M+1)B]；

求得卫星时间T_1j对应的经纬度L_1j[L_1jA,L_1jB]和三维探地雷达行进航向角θ_1j，其表达式为：

求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i；

根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据。

进一步地，所述求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i，包括以下步骤：

从采样序号i＝0开始，依次判断采样序号i是否为已配准的具有定位信息的采样序号i_j

若是，则

L_iA＝L_1jA

L_iB＝L_1jB

θ_i＝L_1j

否则，搜索采样序号i最邻近、且具有定位信息的采样序号i_N和采样序号i_(N+1)；所述采样序号i置于采样序号i_N与采样序号i_(N+1)之间；

所述采样序号i_N对应的经纬度为L_1N[L_1NA,L_1NB]和行进航向角θ_1N，所述采样序号i_(N+1)对应的经纬度为L_1(N+1)[L_1(N+1)A,L_1(N+1)B]和行进航向角θ_1(N+1)，求得采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i，其表达式为：

更进一步地，所述根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据，包括以下步骤：

所述GPS主天线与雷达天线板上的雷达天线的通道横向距离依次为P、P+ΔP、P+2×ΔP、…、P+(n-1)×ΔP；所述P表示与雷达天线板上的第一个通道横向间距；所述ΔP表示相邻通道的间距；n表示通道；

求得任一通道上采样序号i时刻位置的经纬度，其表达式为：

C_niA＝L_iA+(P+(n-1)×ΔP)×cosθ_i

C_niB＝L_iB+(P+(n-1)×ΔP)×sinθ_i

将任一通道的任一采样序号时刻位置与数据配准，并获得三维探地雷达数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地通过数据的卫星时间标注，再利用卫星时间查询位置数据，从而通过统一的卫星时间获得探地雷达数据与定位数据的配准关系，减少了数据采集或传输的延迟导致的定位误差，获得更准确定位，并适用于高速采样的探地雷达应用场景；

(2)本发明对采样序号与存在已配准的具有定位信息的采样序号进行匹配，以准确获取非匹配采样序号的准确经纬度和行进航向角，保证数据定位可靠；

(3)本发明采用采样序号、卫星时间、定位数据在数据采集的底层仅完成原始记录，其对探地雷达底层的硬件计算能力要求低，其设备投入成本低廉，逻辑简单；

综上所述，本发明具有逻辑简单、数据定位准确等优点，在雷达数据处理技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，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相关的附图。

图1为本发明的结构示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1、雷达天线板；2、GPS主天线；3、GPS从天线；4、FPGA板卡；5、双GPS接收机；6、可读存储介质。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种三维探地雷达数据定位方法，其采用板状结构的雷达天线板1，一一对应设置在雷达天线板的两端部的GPS主天线2和GPS从天线3，连接在GPS主天线2与GPS从天线3之间的双GPS接收机5，与双GPS接收机5和雷达天线板1连接、且内置卫星授时模块的FPGA板卡4，与FPGA板卡4连接的可读存储介质6(即计算机)；所述雷达天线板1上设置有等间距的数个雷达天线；

在本实施例中，三维探地雷达数据定位方法包括以下步骤：

第一步，采集三维探地雷达信号并按固定频率10Hz同步获取卫星时间T_1j，得到N个通道的雷达数据[D_1i,D_2i,...,D_Ni]；所述i表示采样序号，其中i为采样序号1、2、…S，S为终止采集时最大采样序号；将当前的采样序号i_j一一对应配准卫星时间T_1j；

第二步，以固定频率10Hz采集获取GPS主天线、GPS从天线从雷达天线位置的观测数据和卫星时间T_2k，并获取三维探地雷达探测区域内的基准站数据，采用RTK算法获取卫星时间T_2k对应的GPS主天线所在的经纬度L_2k和三维探地雷达行进航向角θ_2k；其中，经纬度L_2k包括经度L_2kA和维度L_2kB，探地雷达行进航向角指探地雷达行进方向与正北方向夹角。双GPS接收机将[T_2k，L_2k，θ_2k]通过串口线发送给FPGA板卡。

第三步，对卫星时间T_2k、经纬度L_2k、行进航向角θ_2k、卫星时间T_1j和采样序号n_j进行插值，在卫星时间T_2k的序列中搜索卫星时间T_1j所在的时间段节点T_2M和时间段节点T_2(M+1)，以及与时间段节点T_2M对应的经纬度L_2M[L_2MA,L_2MB]和时间段节点T_2(M+1)对应的经纬度L_2(M+1)[L_2(M+1)A,L_2(M+1)B]。

第四步，求得卫星时间T_1j对应的经纬度L_1j[L_1jA,L_1jB]和三维探地雷达行进航向角θ_1j，其表达式为：

第五步，求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i；

(1)从采样序号i＝0开始，依次判断采样序号i是否为已配准的具有定位信息的采样序号i_j；

(2)若是，则

L_iA＝L_1jA

L_iB＝L_1jB

θ_i＝L_1j

(3)否则，搜索采样序号i最邻近、且具有定位信息的采样序号i_N和采样序号i_(N+1)；所述采样序号i置于采样序号i_N与采样序号i_(N+1)之间；

(4)所述采样序号i_N对应的经纬度为L_1N[L_1NA,L_1NB]和行进航向角θ_1N，所述采样序号i_(N+1)对应的经纬度为L_1(N+1)[L_1(N+1)A,L_1(N+1)B]和行进航向角θ_1(N+1)，求得采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i，其表达式为：

第六步，根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据。

其中，所述GPS主天线与雷达天线板上的雷达天线的通道横向距离依次为P、P+ΔP、P+2×ΔP、…、P+(n-1)×ΔP；所述P表示与雷达天线板上的第一个通道横向间距；所述ΔP表示相邻通道的间距；n表示通道；

求得任一通道上采样序号i时刻位置的经纬度，其表达式为：

C_niA＝L_iA+(P+(n-1)×ΔP)×cosθ_i

C_niB＝L_iB+(P+(n-1)×ΔP)×sinθ_i

将任一通道的任一采样序号时刻位置与数据配准，获得配准关系[D_1i,D_2i,...,D_Ni]和[C_1i,C_2i,...,C_Ni]，即为带有准确定位信息的三维探地雷达数据。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三维探地雷达数据定位方法，其特征在于，采用板状结构的雷达天线板(1)，一一对应设置在雷达天线板的两端部的GPS主天线(2)和GPS从天线(3)，连接在GPS主天线(2)与GPS从天线(3)之间的双GPS接收机(5)，与双GPS接收机(5)和雷达天线板(1)连接、且内置卫星授时模块的FPGA板卡(4)，与FPGA板卡(4)连接的可读存储介质(6)；所述雷达天线板(1)上设置有等间距的数个雷达天线；

所述三维探地雷达数据定位方法包括以下步骤：

采集三维探地雷达信号并按固定频率同步获取卫星时间T_1j，得到N个通道的雷达数据[D_1i,D_2i,...,D_Ni]；所述i表示采样序号，其取值范围为大于等于0的整数；将采集三维探地雷达信号的当前的采样序号i_j一一对应配准卫星时间T_1j；

以固定频率采集获取GPS主天线、GPS从天线从雷达天线位置的观测数据和卫星时间T_2k，并获取三维探地雷达探测区域内的基准站数据，采用RTK算法获取卫星时间T_2k对应的GPS主天线所在的经纬度L_2k和三维探地雷达行进航向角θ_2k；

对卫星时间T_2k、经纬度L_2k、行进航向角θ_2k、卫星时间T_1j和采样序号n_j进行插值，在卫星时间T_2k的序列中搜索卫星时间T_1j所在的时间段节点T_2M和时间段节点T_2(M+1)，以及与时间段节点T_2M对应的经纬度L_2M[L_2MA,L_2MB]和时间段节点T_2(M+1)对应的经纬度L_2(M+1)[L_2(M+1)A,L_2(M+1)B]；

求得卫星时间T_1j对应的经纬度L_1j[L_1jA,L_1jB]和三维探地雷达行进航向角θ_1j，其表达式为：

求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i；

根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据。

2.根据权利要求1所述的一种三维探地雷达数据定位方法，其特征在于，所述求得任一采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i，包括以下步骤：

从采样序号i＝0开始，依次判断采样序号i是否为已配准的具有定位信息的采样序号i_j

若是，则

L_iA＝L_1jA

L_iB＝L_1jB

θ_i＝L_1j

否则，搜索采样序号i最邻近、且具有定位信息的采样序号i_N和采样序号i_(N+1)；所述采样序号i置于采样序号i_N与采样序号i_(N+1)之间；

所述采样序号i_N对应的经纬度为L_1N[L_1NA,L_1NB]和行进航向角θ_1N，所述采样序号i_(N+1)对应的经纬度为L_1(N+1)[L_1(N+1)A,L_1(N+1)B]和行进航向角θ_1(N+1)，求得采样序号i对应的GPS主天线所在的L_i[L_iA,L_iB]和三维探地雷达行进航向角θ_i，其表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种三维探地雷达数据定位方法，其特征在于，所述根据GPS主天线与雷达天线的通道横向距离求得任一通道采样序号i时刻位置的经纬度，并获得三维探地雷达数据，包括以下步骤：

所述GPS主天线与雷达天线板上的雷达天线的通道横向距离依次为P、P+ΔP、P+2×ΔP、…、P+(n-1)×ΔP；所述P表示与雷达天线板上的第一个通道横向间距；所述ΔP表示相邻通道的间距；n表示通道；

求得任一通道上采样序号i时刻位置的经纬度，其表达式为：

C_niA＝L_iA+(P+(n-1)×ΔP)×cosθ_i

C_niB＝L_iB+(P+(n-1)×ΔP)×sinθ_i

将任一通道的任一采样序号时刻位置与数据配准，并获得三维探地雷达数据。

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