CN113050086A

CN113050086A - 探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质

Info

Publication number: CN113050086A
Application number: CN202110606352.1A
Authority: CN
Inventors: 李靖翔; 赖皓; 张晓瑀; 程江洲; 尹海涛; 刘羽超; 袁海; 赵明; 胡辉祥; 雍育烨; 杨洋; 洪乐洲; 熊双成; 李双杰; 颜志敏; 雷庆山; 肖志超; 庞鹏; 李宏昌; 肖一鹏
Original assignee: Guangzhou Bureau of Extra High Voltage Power Transmission Co
Current assignee: Guangzhou Bureau of Extra High Voltage Power Transmission Co
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2021-06-29

Abstract

本申请涉及一种探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质，所述探地雷达系统包括：m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；发射组件及接收组件包括对跖维瓦尔第天线；m序列脉冲发生器，用于生成伪随机编码脉冲信号，并将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件；发射组件，用于通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；接收组件，用于通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；数据处理模块，用于对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。本申请实施例提供的技术方案可以提高探地雷达系统的探测性能。

Description

探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及探地雷达技术领域，特别是涉及一种探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

探地雷达系统是用电磁波来探测地表之下或确定不可视的物体结构的一种装置。探地雷达系统将高频电磁波通过发射天线进行定向发送，高频电磁波作用的介质会反射一部分电磁波形成反射信号，反射信号由地面接收天线接收后发送给雷达主机，雷达主机可以对接收到的反射信号进行处理后，即可探测得到地下介质或目标体的结构、埋藏深度等信息。探地雷达系统将探测到的信息可以发送给计算机设备，由计算机设备经过滤波等一系列数据处理后，最终形成雷达探测图像。

但是，现有的探地雷达系统都是基于单载频脉冲信号进行工作的，即将单载频脉冲信号作为发射信号来发射电磁波，由于单载频脉冲信号自身易受噪声影响的特点，导致探地雷达系统的抗干扰性差；并且，现有的探地雷达系统采用的发射天线阵和接收天线阵的抗干扰性较差，从而也降低了探地雷达系统的抗干扰性。因而，由于现有的探地雷达系统均存在抗干扰性差的问题，从而降低了探地雷达系统的探测性能。

发明内容

基于此，本申请实施例提供了一种探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质，可以提高探地雷达系统的探测性能。

第一方面，提供了一种探地雷达系统，该系统包括：m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；发射组件及接收组件包括对跖维瓦尔第天线；m序列脉冲发生器与发射组件连接；接收组件与数据处理模块连接；

m序列脉冲发生器，用于生成伪随机编码脉冲信号，并将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件；发射组件，用于通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；接收组件，用于通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；数据处理模块，用于对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。

在其中一个实施例中，上述对跖维瓦尔第天线的参数包括宽度、锥形长度、第一比率及第二比率。

第二方面，提供了一种探地雷达系统的控制方法，该方法包括：

控制m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号；将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件，并通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；控制接收组件中的对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析。

在其中一个实施例中，在通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射之前，该方法包括：

获取对跖维瓦尔第天线的初始参数；初始参数包括对跖维瓦尔第天线的宽度、锥形长度、第一比率及第二比率；根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整；基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。

在其中一个实施例中，根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整，包括：

根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗确定约束条件，并根据对跖维瓦尔第天线的增益确定成本函数；基于预设的优化算法，计算满足约束条件的最小成本函数；获取最小成本函数对应的对跖维瓦尔第天线的参数，并作为调整后的参数。

在其中一个实施例中，基于预设的优化算法，计算满足约束条件的最小成本函数，包括：

基于拉丁超立方采样方法，确定预设数量的参数集；参数集包括多组对跖维瓦尔第天线的参数；根据约束条件，筛选出满足约束条件的目标参数集，并根据目标参数集生成可行域；基于预设的优化算法，在可行域内计算满足约束条件的最小成本函数。

在其中一个实施例中，控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析，包括：

控制数据处理模块计算回波信号与伪随机编码脉冲信号的互相关函数；控制数据处理模块对互相关函数进行包络检测得到包络信号；控制数据处理模块根据包络信号对地下介质进行分析。

第三方面，提供了一种探地雷达系统的控制装置，该装置包括：

生成模块，用于控制m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号；

发射模块，用于将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件，并通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；

接收模块，用于控制接收组件中的对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；

分析模块，用于控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析。

第四方面，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面任一实施例中的方法步骤。

第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述第二方面任一实施例中的方法步骤。

上述探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质，该系统包括m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；发射组件及接收组件包括对跖维瓦尔第天线；m序列脉冲发生器生成伪随机编码脉冲信号，并将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件；发射组件通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；接收组件通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；数据处理模块对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。在本申请实施例提供的技术方案中，由于探地雷达系统中的脉冲发生器为m序列脉冲发生器，从而可以生成抗干扰性强的伪随机编码脉冲信号，并且，探地雷达系统中的发射组件和接收组件都包括抗干扰性强的对跖维瓦尔第天线，从这两方面共同提高了探地雷达系统的抗干扰性，从而提高探地雷达系统的探测性能。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的框图；

图2为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的整体框图；

图3为本申请实施例提供的一种探地雷达系统中的发射电路的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种探地雷达系统中的接收电路的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种对跖维瓦尔第天线的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种计算机设备的框图；

图7为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图；

图8为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图；

图9为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图；

图10为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图；

图11为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图；

图12为本申请实施例提供的一种探地雷达系统独立装置的框图；

图13为本申请实施例提供的一种对跖维瓦尔第天线阵的结构示意图；

图14为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制装置的框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

在一个实施例中，如图1所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的框图，该探地雷达系统包括：m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；发射组件及接收组件包括对跖维瓦尔第天线；m序列脉冲发生器与发射组件连接；接收组件与数据处理模块连接；m序列脉冲发生器，用于生成伪随机编码脉冲信号，并将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件；发射组件，用于通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；接收组件，用于通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；数据处理模块，用于对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。

其中，m序列脉冲发生器是产生m序列脉冲信号的器件，m序列脉冲信号也称作伪随机编码脉冲信号，m序列脉冲发生器还可以将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件。m序列脉冲发生器可以通过N元线性反馈移位寄存器生成m位伪随机编码脉冲信号，即伪随机编码脉冲信号是由N元线性反馈移位寄存器生成的周期为m的码序列，其中，m序列的位数m与m序列的级数N之间的转换关系如公式（1）所示。伪随机编码脉冲信号具有良好的自相关特性，且抗干扰能力强，通过脉冲压缩提高信噪比，获得压缩脉冲，从而实现高能量、高分辨率的要求，伪随机编码脉冲信号的自相关函数如公式（2）所示。

伪随机编码脉冲信号的位数可以任意设定，也可以根据探地雷达系统工作的实际场景与实际需求设定。其中，伪随机编码脉冲信号的位数可以通过探地雷达系统中的多重扫描控制器直接设定为某一数值，也可以通过多重扫描控制器对预设的扫描深度进行一定的处理后得到伪随机编码脉冲信号的位数，也可以是通过其他方式设定伪随机编码脉冲信号的位数。

在该探地雷达系统的实际应用中，根据伪随机编码脉冲信号的特性，当接收到的回波信号与发射的伪随机编码脉冲信号相关时，m位伪随机编码脉冲信号中的能量会被压缩为持续时间为

的单个位，此时，相当于伪随机编码脉冲信号的时宽-带宽积近似为m，距离分辨率

，其中V是介质中的群速度，B是伪随机编码脉冲信号带宽。由于随着伪随机编码脉冲信号位数的增加，使得伪随机编码脉冲信号持续时间增加，从而导致探地雷达系统的扫描深度增加，但是，长伪随机编码脉冲信号可能会导致强发射信号与经过介质的延迟后到达的弱回波信号对探地雷达系统的干扰。因此，为了保证探地雷达系统的可靠工作，预设的扫描深度可以为1-2米，可选地，伪随机编码脉冲信号的位数可以为63位，即m序列的级数可以为6。

（1）

（2）

其中，

为自相关函数；

为位移。

发射组件是用于将接收到的伪随机编码脉冲信号进行发射的组件，发射组件可以包括对跖维瓦尔第天线，发射组件可以通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射。对跖维瓦尔第天线是一种新型的天线，且对跖维瓦尔第天线是平面的、超宽带的、低成本、并且易于在电路板上制造的天线。在对跖维瓦尔第天线上，信号可以通过微带线-槽线馈电，底部金属作为接地层，信号穿过顶层和接地层的锥形金属化层，以不同的频率从不同的位置共振和辐射，从而产生超宽带行为。

对跖维瓦尔第天线可以是宽带对跖维瓦尔第天线，也可以是延迟线对跖维瓦尔第天线，还可以是其他类型的对跖维瓦尔第天线。如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种探地雷达系统的整体框图，发射组件还可以包括多重扫描控制器、3Gbps串行器、FMCA通道模块、发射电路等装置，其中，多重扫描控制器是用于设定伪随机编码脉冲信号位数的装置，3Gbps串行器是用于将生成的伪随机编码脉冲信号以3Gbps的速率进行传输的装置，FMCA通道模块为连接器，伪随机编码脉冲信号可以通过FMCA通道模块发送到发射电路中，发射电路用于对伪随机编码脉冲信号进行信号处理，再将处理后的伪随机编码脉冲信号通过对跖维瓦尔第发射天线阵发射出去。发射电路如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种探地雷达系统中的发射电路的示意图，其中，可变增益放大器(VGA)，用于在通过八个发射天线之一发射伪随机编码脉冲信号之前，可以调整脉冲幅度，提供恒定的信号功率；平衡-不平衡转换器（Balum）可以将不平衡放大器的输出信号转换成平衡信号。

接收组件是用于接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块的组件，接收组件可以包括对跖维瓦尔第天线，接收组件可以通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号。请继续参考图2，接收组件还可以包括接收电路、FMCB通道模块、接收器，其中，接收电路可以对对跖维瓦尔第天线接收到的回波信号进行信号处理，再将处理后的信号通过连接器FMCB通道模块，发送至接收器中。接收电路如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种探地雷达系统中的接收电路的示意图，其中，低噪音放大器（LNA）可以减小噪声，以提高输出的信噪比，接收电路还可以包括旁路电路（未示出），旁路电路作为是主路的备用，当主路故障时可以转旁路供电，增加可靠性。A为放大器，可以再次放大有效信号，使其满足模数转换器ADC的工作要求。

数据处理模块是用于对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析的模块。在对回波信号进行处理的过程中，可以进行多种类型的处理，因而，可选地，请继续参考图2，数据处理模块还可以包括扫描缓冲区、流水线串行器、原始数据平均缓冲区、互相关和包络检测模块、跟踪堆栈缓冲区、A-扫描输出缓冲器、系统控制器等模块。其中，扫描缓冲区是用于对回波信号进行缓存的模块，流水线串行器是用于对回波信号和伪随机编码脉冲信号串行传输至原始数据平均缓冲区的模块，原始数据平均缓冲区是用于对伪随机编码脉冲信号进行缓存的模块，互相关和包络检测模块是用于计算回波信号和伪随机编码脉冲信号的互相关函数，以及对互相关函数进行包络检测的模块，跟踪堆栈缓冲区是用于对进行包络检测后得到的包络信号进行暂存的模块，A-扫描输出缓冲器是用于对暂存到一定量的包络信号进行点扫描后并得到包络信号波形的模块，系统控制器是用于对产生“数据就绪”信号的模块，在产生“数据就绪”信号后，就可以对包络信号波形进行分析。

本实施例中，上述探地雷达系统及控制方法、装置、设备及存储介质，该系统包括m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；发射组件及接收组件包括对跖维瓦尔第天线；m序列脉冲发生器生成伪随机编码脉冲信号，并将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件；发射组件通过对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；接收组件通过对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；数据处理模块对回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。由于探地雷达系统中的脉冲发生器为m序列脉冲发生器，从而可以生成抗干扰性强的伪随机编码脉冲信号，并且，探地雷达系统中的发射组件和接收组件都包括抗干扰性强的对跖维瓦尔第天线，从这两方面共同提高了探地雷达系统的抗干扰性，从而提高探地雷达系统的探测性能。

在一个实施例中，上述对跖维瓦尔第天线的参数包括宽度、锥形长度、第一比率及第二比率。

其中，对跖维瓦尔第天线可以包括宽度、锥形长度、第一比率及第二比率等参数，还可以包括其他类型的参数，这些参数用于确定对跖维瓦尔第天线的结构。对跖维瓦尔第天线的参数可以直接采用出厂设定的参数，也可以根据实际需求对天线的参数进行调整后，形成新的对跖维瓦尔第天线。如图5所示，图5为本申请实施例提供的一种对跖维瓦尔第天线的示意图，其中，对跖维瓦尔第天线的几何形状主要由具有半径

和

的两个椭圆的轮廓构成，

为微带线的宽度，

为对跖维瓦尔第天线的宽度，

为对跖维瓦尔第天线锥形长度，

为

与

的比率，

为

与

的比率。接地带状线宽度可以为

，可以最小化该区域的场泄漏和辐射。

本申请提供的探地雷达系统的控制方法可以应用于计算机设备中，计算机设备可以是服务器，也可以是终端，其中，服务器可以为一台服务器也可以为由多台服务器组成的服务器集群，本申请实施例对此不作具体限定，终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。

以计算机设备是服务器为例，图6示出了一种服务器的框图，如图6所示，服务器可以包括通过系统总线连接的处理器和存储器。其中，该服务器的处理器用于提供计算和控制能力。该服务器的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序以及数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机程序被处理器执行时以实现一种探地雷达系统的控制方法。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的服务器的限定，可选地服务器可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

需要说明的是，本申请实施例的执行主体可以是计算机设备，也可以是探地雷达系统的控制装置，下述方法实施例中就以计算机设备为执行主体进行说明。

在一个实施例中，如图7所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图，该方法可以包括以下步骤：

步骤720、控制m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号。

步骤740、将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件，并通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射。

步骤760、控制接收组件中的对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块。

步骤780、控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析。

其中，m序列脉冲发生器可以通过接收多重扫描控制器发送的m序列的级数，并根据级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号，将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件，并通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射，再控制接收组件中的对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块，最后控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析。

本实施例提供的探地雷达系统的控制方法的实现原理和有益效果，可以参见上文中对于探地雷达系统的控制系统各实施例的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图8所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图，具体涉及的是设置对跖维瓦尔第天线参数的一种可能的过程，该方法可以包括以下步骤：

步骤820、获取对跖维瓦尔第天线的初始参数；初始参数包括对跖维瓦尔第天线的宽度、锥形长度、第一比率及第二比率。

步骤840、根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整。

步骤860、基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。

其中，回波损耗用于表征反射回来的回波产生的损耗，增益用于表征对跖维瓦尔第天线输入功率集中辐射的程度，回波损耗和增益可以通过天线仿真软件得到，例如，Sonnet仿真软件。对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益是对探地雷达系统的性能有显著影响的参数，因而，可以根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整，并基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。初始参数可以从对跖维瓦尔第天线的规格书中获取，在对初始参数进行调整的过程中，由于初始参数本身具有一定的取值范围，如表1所示，因而，在调整初始参数时，需满足初始参数的取值范围要求。

表1

本实施例中，通过获取对跖维瓦尔第天线的初始参数；根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整；基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。通过对对跖维瓦尔第天线的初始参数进行调整优化，提高了对跖维瓦尔第天线的抗干扰性，从而提高了探地雷达系统的探测性能。

在一个实施例中，如图9所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图，具体涉及的是调整对跖维瓦尔第天线初始参数的一种可能的过程，该方法可以包括以下步骤：

步骤920、根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗确定约束条件，并根据对跖维瓦尔第天线的增益确定成本函数。

步骤940、基于预设的优化算法，计算满足约束条件的最小成本函数。

步骤960、获取最小成本函数对应的对跖维瓦尔第天线的参数，并作为调整后的参数。

其中，回波损耗和增益可以根据实际需求预先设定，约束条件为预设的对跖维瓦尔第天线的回波损耗满足的条件，如公式（3）所示。成本函数为通过最大化对跖维瓦尔第天线的增益确定的，如公式（4）所示。

（3）

（4）

其中，

为对跖维瓦尔第天线的回波损耗；

为对跖维瓦尔第天线的增益；

表示对跖维瓦尔第天线的工作频率。其中，对跖维瓦尔第天线的工作频率可以在0.75-2.25GHz范围内，步长为0.1GHz，也可以在其他频段内。

预设的优化算法是用于求解满足约束条件的最小成本函数的算法，预设的优化算法可以采用遗传算法，例如，萤火虫算法、蚁群算法等。计算得到满足约束条件的最小成本函数后，可以从天线仿真软件中获取最小成本函数对应的对跖维瓦尔第天线的参数，并作为调整后的参数。

本实施例中，通过根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗确定约束条件，并根据对跖维瓦尔第天线的增益确定成本函数；基于预设的优化算法，计算满足约束条件的最小成本函数；获取最小成本函数对应的对跖维瓦尔第天线的参数，并作为调整后的参数。通过预设的优化算法求解满足约束条件的最小成本函数，从而对对跖维瓦尔第天线的初始参数进行调整优化，提高了优化后的天线参数的准确性，并且调整优化的效率高。

在一个实施例中，如图10所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图，具体涉及的是计算最小成本函数的一种可能的过程，该方法可以包括以下步骤：

步骤1020、基于拉丁超立方采样方法，确定预设数量的参数集；参数集包括多组对跖维瓦尔第天线的参数。

步骤1040、根据约束条件，筛选出满足约束条件的目标参数集，并根据目标参数集生成可行域。

步骤1060、基于预设的优化算法，在可行域内计算满足约束条件的最小成本函数。

其中，拉丁超立方采样方法(Latin Hypercube Sampling，LHS)是一种从多元参数分布中近似随机抽样的方法，属于分层抽样技术。通过拉丁超立方采样方法，可以从对跖维瓦尔第天线参数的取值范围中确定预设数量的参数集，参数集可以几乎均匀的分布在样本空间中，预设数量可以根据需求人为设定，这样参数集中就会包括多组对跖维瓦尔第天线的参数。再根据约束条件，筛选出满足约束条件的目标参数集，即对可行域进行了轮廓化，并根据目标参数集生成可行域，可行域就是由目标参数形成的区域。最后，基于预设的优化算法，在可行域内计算满足约束条件的最小成本函数。

本实施例中，基于拉丁超立方采样方法，确定预设数量的参数集；根据约束条件，筛选出满足约束条件的目标参数集，并根据目标参数集生成可行域；基于预设的优化算法，在可行域内计算满足约束条件的最小成本函数。由于通过拉丁超立方采样方法将优化算法的搜索空间减小，便于优化算法快速达到收敛，提高了对初始参数进行调整优化的效率。

在一个实施例中，如图11所示，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制方法的流程图，具体涉及的是对回波信号进行处理的一种可能的过程，该方法可以包括以下步骤：

步骤1120、控制数据处理模块计算回波信号与伪随机编码脉冲信号的互相关函数。

步骤1140、控制数据处理模块对互相关函数进行包络检测得到包络信号。

步骤1160、控制数据处理模块根据包络信号对地下介质进行分析。

其中，数据处理模块可以通过滑动相乘的方法计算得到回波信号与伪随机编码脉冲信号的互相关函数，互相关函数用于表征回波信号与伪随机编码脉冲信号之间的相关程度。再控制数据处理模块对互相关函数进行包络检测得到包络信号，数据处理模块可以将互相关函数的峰值点连线，得到上方(正的)一条线和下方(负的)一条线，即为包络信号。最后可以根据包络信号对地下介质进行分析，可以通过分析包络信号的变化特性，对地下介质进行分析。

本实施例中，控制数据处理模块计算回波信号与伪随机编码脉冲信号的互相关函数；对互相关函数进行包络检测得到包络信号；根据包络信号对地下介质进行分析。通过控制数据处理模块得到包络信号对地下介质进行分析，由于包络信号能够清晰的反映信号的变化特性，从而易于对地下介质进行分析，提高了地下介质进行分析的效率。

在一个实施例中，如图12所示，还提供了一种探地雷达系统独立装置的框图。探地雷达系统可以安装在一个51×41×28厘米的玻璃纤维增强聚酯外壳内，玻璃钢的选择为室外使用提供了足够的保护，同时也允许传输的脉冲和回波通过，而没有太大的反射损失。外壳被接地屏蔽分成两个隔间(顶部和底部)。顶部包含电子设备(片上系统、嵌入式处理器、发射器/接收器、模数转换器和电源管理)，底部隔间包含8×2天线阵列和四个6V、12Ah的密封铅酸电池，堆叠后可产生12V电压。其中，如图13所示，发射—接收天线配置为8×2矩阵，8个发射天线和8个接收天线平行排列并指向下方，顶板(由铝制成)提供整体机械支撑，并充当接地屏蔽，然后天线被夹在两块塑料(聚氯乙烯)板之间；底部的是一个可见的蓝色板，而顶部板被拧入接地屏蔽。每个板都有机械加工的狭缝，以将对跖维瓦尔第天线保持在适当的位置，并最大限度地减少扫描期间的振动。这些板还通过塑料(尼龙)杆连接在一起，以进一步减少振动，接地屏蔽中的孔允许同轴电缆将阵列连接到安装在其顶部的发射器和接收器板，整体提升了天线的性能。

总体硬件设计可分为三个主要子系统：（1）通用记录器，包括收发板和片上系统、（2）电源管理和（3）数据记录。电源管理，包括电压调节器和电池监控器，并与数据记录子系统组装在单独的板上，监控器测量电池电压和负载电流，并在电压降至用户定义的阈值以下时关闭探地雷达系统，以防止因断电事件造成的硬件损坏。数据记录器包含两个主要的计算资源：一个Teensy3.6微控制器板和一个Raspberry Pi 3B（一种卡片式电脑）。Teensy3.6微控制器从额外的传感器获取数据，即来自全球定位系统模块的位置数据、来自九轴惯性测量装置的振动和运动数据，以及外壳温度，并将这些数据发送到卡片式电脑，每个数据帧都使用循环冗余校验进行验证，验证后的数据被写入文件。卡片式电脑等待特定的无线网络连接，通常在一天结束后车辆返回车库时可用，然后通过其内置的无线网络模块将获取的数据文件上传到驱动器。电池在主动记录模式(探地雷达子系统“开启”)时运行时间为6小时，待机模式(探地雷达子系统“关闭”)下运行时间大于50小时。

该探地雷达系统可以构建在英特尔Arria 10片上系统上，片上系统的现场可编程门阵列（FPGA）结构用于实时探地雷达操作，在现场可编程门阵列结构中，多扫描控制器逻辑块使用由高速模数转换器(ADC)板产生的低抖动参考时钟来控制和同步发送-接收操作，ADC板可以为德州仪器(ti)的ADC12DJ3200EVM。并且，硬核处理器系统由运行Linux的双核ARM Cortex-A9处理器组成，用于对采集的数据进行片上处理，以生成雷达图。该探地雷达系统是8×8多稳态，它以时分复用方式选择发送-接收对，降低硬件复杂性，且时分复用操作对雷达图质量的影响很小。m序列脉冲发生器能产生m位长的m序列，该序列被发送到高速串行器/解串行器，该串行器/解串行器以3Gbps的时钟速率输出，从而使发射脉冲的中心频率为1.5 GHz；发射脉冲通过两个高速FPGA夹层卡(FMC)连接器之一发送到定制的发射电路，发射电路上使用了一个由现场可编程门阵列控制的可变增益放大器(VGA)，在通过八个发射天线之一发射脉冲之前，可以调整脉冲幅度。

对跖维瓦尔第天线是通过宽带8:1单极单掷(SPST)模拟开关从现场可编程门阵列中软件选择的，同时，在接收电路，八个接收天线中的一个是通过宽带8:1单极单掷(SPST)模拟开关从现场可编程门阵列中软件选择的，以接收来自地面的回波信号。接收器在探地雷达系统工作期间保持活动状态，同时调整模数转换器采样窗口的时序，以确保所有回波(包括直接耦合和物体反射的回波)都被完全捕获，以便后续处理。模拟数字转换器（ADC）所需的低抖动采样时钟由一个片上射频频率合成器(LMX2582，TI)产生，而探地雷达系统参考时钟由另一个频率合成器(LMK04828，TI)产生，这两个合成器被频率锁定到一个由晶体振荡器(XO)产生的公共10MHz输入，从而确保ADC采样与FPGA时钟同步。进一步地，模拟数字转换器择了一种模数转换器(ADC12DJ3200，TI)，它通过使用JESD204B协议在将数据从模数转换器传输到现场可编程门阵列时，可以在数据传输期间提供确定性延迟。

现场可编程门阵列对帧进行解包和解码存储在先进先出存储器中，从该存储器中检索样本并进行预处理(通过脉冲压缩和希尔伯特变换进行预处理)，以通过A-扫描输出缓冲器从接收的样本中提取原始的一维时域响应。扫描缓冲区可以累积K次，以提高信噪比，并减少通过内存映射高级可扩展接口总线向基于ARM处理器的程序发送数据所需的带宽。系统控制器产生“数据就绪”信号后，一个用C语言编写的程序从缓冲区中读取样本，并将其存储在缓存中，以供进一步处理。探地雷达被设计安装在移动的车辆上，在不同车辆位置采集的二维数据被叠加，创建二维图像(B模式扫描)，在给定位置从多个发射-接收天线对获取的A模式扫描可以被处理，会提高B模式图像质量，或者提供横向方向(横向于B模式平面)的空间分辨率，从而生成三维数据。

应该理解的是，虽然图2-11的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-11中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

请参考图14，其示出了本申请实施例提供的一种探地雷达系统的控制装置1400的框图。如图14所示，该探地雷达系统的控制装置1400可以包括：第一生成模块1402、发射模块1404、接收模块1406和分析模块1408，其中：

第一生成模块1402，用于控制m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号；

发射模块1404，用于将伪随机编码脉冲信号发送给发射组件，并通过发射组件中的对跖维瓦尔第天线将伪随机编码脉冲信号进行发射；

接收模块1406，用于控制接收组件中的对跖维瓦尔第天线接收伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将回波信号发送给数据处理模块；

分析模块1408，用于控制数据处理模块根据回波信号对地下介质进行分析。

在一个实施例中，上述探地雷达系统的控制装置1400还可以包括获取模块1410、调整模块1412和第二生成模块1414，其中：

获取模块1410，用于获取对跖维瓦尔第天线的初始参数；初始参数包括对跖维瓦尔第天线的宽度、锥形长度、第一比率及第二比率；

调整模块1412，用于根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对初始参数进行调整；

第二生成模块1414，用于基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。

在一个实施例中，上述调整模块1412包括确定单元、计算单元和获取单元，其中，确定单元用于根据对跖维瓦尔第天线的回波损耗确定约束条件，并根据对跖维瓦尔第天线的增益确定成本函数；计算单元用于基于预设的优化算法，计算满足约束条件的最小成本函数；获取单元用于获取最小成本函数对应的对跖维瓦尔第天线的参数，并作为调整后的参数。

在一个实施例中，上述计算单元具体用于基于拉丁超立方采样方法，确定预设数量的参数集；参数集包括多组对跖维瓦尔第天线的参数；根据约束条件，筛选出满足约束条件的目标参数集，并根据目标参数集生成可行域；基于预设的优化算法，在可行域内计算满足约束条件的最小成本函数。

在一个实施例中，上述分析模块1408包括计算单元、包络检测单元和分析单元，其中，计算单元用于控制数据处理模块计算回波信号与伪随机编码脉冲信号的互相关函数；包络检测单元用于控制数据处理模块对互相关函数进行包络检测得到包络信号；分析单元用于控制数据处理模块根据包络信号对地下介质进行分析。

关于探地雷达系统的控制装置的具体限定可以参见上文中对于探地雷达系统的控制方法的限定，在此不再赘述。上述探地雷达系统的控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块的操作。

在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：

本申请实施例提供的计算机设备，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

本实施例提供的计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种探地雷达系统，其特征在于，所述系统包括：m序列脉冲发生器、发射组件、接收组件、数据处理模块；所述发射组件及所述接收组件包括对跖维瓦尔第天线；所述m序列脉冲发生器与所述发射组件连接；所述接收组件与所述数据处理模块连接；

所述m序列脉冲发生器，用于生成伪随机编码脉冲信号，并将所述伪随机编码脉冲信号发送给所述发射组件；

所述发射组件，用于通过所述对跖维瓦尔第天线将所述伪随机编码脉冲信号进行发射；

所述接收组件，用于通过所述对跖维瓦尔第天线接收所述伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将所述回波信号发送给所述数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对所述回波信号进行处理，并根据处理结果对地下介质进行分析。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对跖维瓦尔第天线的参数包括宽度、锥形长度、第一比率及第二比率。

3.一种权利要求1所述的探地雷达系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

控制所述m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据所述级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号；

将所述伪随机编码脉冲信号发送给所述发射组件，并通过所述发射组件中的所述对跖维瓦尔第天线将所述伪随机编码脉冲信号进行发射；

控制所述接收组件中的所述对跖维瓦尔第天线接收所述伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将所述回波信号发送给所述数据处理模块；

控制所述数据处理模块根据所述回波信号对地下介质进行分析。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述通过所述发射组件中的所述对跖维瓦尔第天线将所述伪随机编码脉冲信号进行发射之前，所述方法包括：

获取所述对跖维瓦尔第天线的初始参数；所述初始参数包括所述对跖维瓦尔第天线的宽度、锥形长度、第一比率及第二比率；

根据所述对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对所述初始参数进行调整；

基于调整后的参数生成目标对跖维瓦尔第天线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述对跖维瓦尔第天线的回波损耗和增益，对所述初始参数进行调整，包括：

根据所述对跖维瓦尔第天线的回波损耗确定约束条件，并根据所述对跖维瓦尔第天线的增益确定成本函数；

基于预设的优化算法，计算满足所述约束条件的最小成本函数；

获取所述最小成本函数对应的所述对跖维瓦尔第天线的参数，并作为所述调整后的参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于预设的优化算法，计算满足所述约束条件的最小成本函数，包括：

基于拉丁超立方采样方法，确定预设数量的参数集；所述参数集包括多组所述对跖维瓦尔第天线的参数；

根据所述约束条件，筛选出满足所述约束条件的目标参数集，并根据所述目标参数集生成可行域；

基于所述预设的优化算法，在所述可行域内计算满足所述约束条件的最小成本函数。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制所述数据处理模块根据所述回波信号对地下介质进行分析，包括：

控制所述数据处理模块计算所述回波信号与所述伪随机编码脉冲信号的互相关函数；

控制所述数据处理模块对所述互相关函数进行包络检测得到包络信号；

控制所述数据处理模块根据所述包络信号对所述地下介质进行分析。

8.一种权利要求1所述的探地雷达系统的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

第一生成模块，用于控制所述m序列脉冲发生器获取m序列的级数，并根据所述级数生成目标长度的伪随机编码脉冲信号；

发射模块，用于将所述伪随机编码脉冲信号发送给所述发射组件，并通过所述发射组件中的所述对跖维瓦尔第天线将所述伪随机编码脉冲信号进行发射；

接收模块，用于控制所述接收组件中的所述对跖维瓦尔第天线接收所述伪随机编码脉冲信号对应的回波信号，并将所述回波信号发送给所述数据处理模块；

分析模块，用于控制所述数据处理模块根据所述回波信号对地下介质进行分析。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求3至7任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求3至7任一项所述的方法的步骤。