CN113075738A - 一种基于无人机的探地雷达测量系统 - Google Patents

一种基于无人机的探地雷达测量系统 Download PDF

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杨阳
熊彬
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彭三曦
陆裕国
孙汉武
刘颉
张天宇
黄杨
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Abstract

本发明提供一种基于无人机的探地雷达测量系统，包括：地面控制单元，发射无人机与接收无人机；所述地面控制单元设置为与发射无人机与接收无人机通信；所述发射无人机安装有发射主机，所述发射主机设置有第一导航模块、发射模块、第一通信模块、第一电源模块，所述发射主机上还安装有第一传感器，发射装置；所述接收无人机安装有接收主机，所述接收主机设置有第二导航模块、接收模块、第二通信模块、第二电源模块，所述接收主机上还安装有接收装置，所述接收装置的前端安装有磁补偿器、带阻滤波器。本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统降低了施工成本，提高了工作效率，且可以减少噪声干扰，使用方便适合于大面积地质调查工作。

Description

一种基于无人机的探地雷达测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于无人机的探地雷达测量系统。
背景技术
探地雷达(Ground Penetrating Radar.GPR)是利用发射、接收系统，来发射、接收高频电磁波，探测介质内部物质特性和分布规律，从而解决地质问题的一种有效方法。由于探地雷达探测的高精度、高效率以及无损的特点，目前在考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等众多领域，得到了广泛的应用。
其主要应用包括：①在工程基础勘察中确定基岩顶面的埋深，了解风化层或覆盖层的内部结构特征；探测基岩中的洞穴及断层、裂隙结构；调查与研究第四系活动断层；②检测工程基桩桩体内部的缺陷位置、缺陷程度等；②探测公铁路路基、机场跑道下方的空洞位置、规模，铁路轨道板板下病害等；③探测公、铁路隧道施工中的衬砌缺陷、衬砌空洞等；④探测岩溶、土洞等地下空洞；⑤探测土石坝、矿渣坝等坝体空洞等。
现有的探地雷达探测系统采用地面发射-地面接收的方式，易受到勘探区地形、地表植被、地表电性条件的影响，需要大量的人力物力，效率非常低下，另外在数据采集的过程中易受到勘探区内高压线、变电站等电磁干扰的影响，勘探数据信噪比较低，数据采集噪声干扰多。
发明内容
本发明提供一种基于无人机的探地雷达测量系统以解决现有技术中探地雷达探测系统采用地面发射-地面接收的方式，易受到勘探区地形、地表植被、地表电性条件的影响，需要大量的人力物力，效率非常低下，且在数据采集的过程中易受到勘探区内高压线、变电站等电磁干扰的影响，勘探数据信噪比较低，数据采集噪声干扰多。
一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，包括：地面控制单元，发射无人机与接收无人机；
所述地面控制单元设置为与发射无人机与接收无人机通信；
所述发射无人机安装有发射主机，所述发射主机设置有第一导航模块、发射模块、第一通信模块、第一电源模块，所述发射主机上还安装有第一传感器，发射装置；
所述接收无人机安装有接收主机，所述接收主机设置有第二导航模块、接收模块、第二通信模块、第二电源模块，所述接收主机上还安装有接收装置，所述接收装置的前端安装有磁补偿器、带阻滤波器；
所述第一导航模块、第二导航模块均包括定位子模块、飞行控制子模块，所述定位子模块中装有GPS定位器、高度计，所述飞行控制子模块中预装有导航程序；
所述第一传感器、第二传感器设置有速度感应器、微型水准仪；
所述第一传感器与第一导航模块中的飞行控制子模块相连；
所述第二传感器与第二导航模块中的飞行控制子模块相连；
所述发射模块与第一通信模块、发射装置相连；
所述发射装置设置为发射高频电磁波(频率为106～109Hz)；
所述第一通信模块中装有无线通信装置，其与所述地面控制单元通信，并与所述第一导航模块、发射模块相连接；
所述接收模块与第二通信模块、接收装置相连；
所述第二通信模块中装有无线通信装置，其与所述地面控制电脑通信，并与所述第二导航模块、接收模块相连接；
所述第一电源模块与所述第一导航模块、发射模块、第一通信模块电连接；
所述第二电源模块与所述第二导航模块、接收模块、第二通信模块电连接。
优选为，所述接收装置内设置有存储器。
优选为，所述存储器设置为SD卡。
优选为，所述发射主机、接收主机外壁均设置为碳纤维加固层。
优选为，所述无人机设置为无人直升机。
优选为，所述地面控制单元包括控制电脑、通信装置、遥控器。
本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统降低了施工成本，提高了工作效率，且可以减少噪声干扰，使用方便适合于大面积地质调查工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
图1为本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统结构示意图；
图2-3为本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统使用示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将连接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部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
如图1所示，本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统包括：地面控制单元(图中未示出)，发射无人机7与接收无人机9。
其中，地面控制单元设置为与发射无人机7与接收无人机9通信，其主要实现航迹规划、无人机通信、飞行姿态实时监控、探测数据的实时监控等。本发明的一个实施例中地面控制单元包括控制电脑(安装有相应的处理模块)及其所附属的通信装置、遥控器(遥控器与地面控制电脑通过蓝牙或USB连接)，还可以包括地面控制计算机及其处理模块，用于控制无人机起降、突发情况下的人工干预。
发射无人机7的中间位置下方处安装有发射主机，发射主机外壁为碳纤维加固层，发射主机内部设置有第一导航模块1、发射模块2、第一通信模块3、第一电源模块4，发射主机右侧安装有第一传感器5，主机下侧安装有发射装置6。
第一导航模块1包括定位子模块、飞行控制子模块，定位子模块中装有GPS定位器、高度计，用于对无人机实时定位；飞行控制子模块中预装有导航程序，用于对无人机的航迹进行导航，第一传感器5设置有速度感应器、微型水准仪，速度感应器用于测量无人机的实时速度，微型水准仪用于测量无人机的飞行姿态(包括无人机的倾角等)。
第一传感器5与第一导航模块1中的飞行控制子模块相连，如测量得到的飞行姿态与预设姿态的差别超过容许值，可报警并将报警信号通过第一通信模块传3回传至地面控制单元。
发射模块2与第一通信模块3、发射装置6相连接，由地面控制单元给出开始发射、停止发射的信号，通过第一通信模块3接收地面控制单元发来的信号，将信号传入发射模块2，再传入发射装置6。
发射装置6设置为发射高频电磁波(频率为106～109Hz)。
第一通信模块3中装有无线通信装置，可与地面控制单元进行实时通信，并与第一导航模块1、发射模块2相连接。
第一电源模块4由大容量可充电电池组集成,有电量估计功能,各路电源分别与无人机驱动电机及机载设备相连，同时第一电源模块4将电源状态信息传给第一通信模块3，第一通信模块3将电源信息发回地面控制单元，如电量低于某一阈值，将发出报警功能，如低于最低安全电量，将发送自动返航信号，保证无人机能安全返航。
第一电源模块4分别给第一导航模块1、发射模块2、第一通信模块3、无人机驱动电机进行供电。采用多路电源模块统一供电，避免发射部分由于某一模块电量耗尽而造成的无效飞行。
本实施例中接收无人机9的大部分结构与发射无人机7相同，不同之处在于接收无人机的接收主机安装有接收装置16，接收装置16的前端安装有磁补偿器17、带阻滤波器18。
具体地，接收无人机9的中间位置下方处安装有接收主机，接收主机外壁为碳纤维加固层，接收主机内部设置有第二导航模块11、接收模块12、第二通信模块13、第二电源模块14，接收主机右侧安装有第二传感器15，接收主机下侧安装有接收装置16，接收装置16的前端安装有磁补偿器17、带阻滤波器18。
第二导航模块11与第一导航模块11结构雷同，其包括定位子模块、飞行控制子模块，定位子模块中装有GPS定位器、高度计，用于对无人机实时定位；飞行控制子模块中装有导航程序，用于对无人机的航迹进行导航。第二传感器15同理，其装有速度感应器、微型水准仪，速度感应器用于测量无人机的实时速度，微型水准仪用于测量无人机的飞行姿态(包括无人机的倾角等)。
第二传感器15与第二导航模块11的飞行控制子模块相连，如测量得到的飞行姿态与预设姿态的差别超过容许值，可报警并将报警信号通过通信模块传回地面控制电脑。
接收模块12与第二通信模块13、接收装置16相连接，由地面控制电脑给出开始接收、停止接收的信号，通过第二通信模块13接收地面控制电脑发来的信号，将信号传入接收模块12，再传入接收装置16。接收信号时，信号首先进入磁补偿器17，通过磁补偿器17将来自无人机自身的电磁噪声进行补偿，再进入带阻滤波器18，通过带阻滤波器8将来自高压线等电磁干扰的噪声(频率为50Hz)进行去噪，最后将接收信号传入接收装置16。接收装置16内设置有存储器，例如SD卡，可通过USB将接收到的信号拷出。
第二通信模块13中装有无线通信装置，可与地面控制电脑进行实时通信，并与第二导航模块11、接收模块12相连接。
第二电源模块14由大容量可充电电池组集成,有电量估计功能,各路电源分别与无人机驱动电机及机载设备相连，同时第二电源模块14将电源状态信息传给第二通信模块13，第二通信模块13将电源信息发回地面控制电脑，如电量低于某一阈值，将发出报警功能，如低于最低安全电量，将发送自动返航信号，保证无人机能安全返航。第二电源模块14分别给第二导航模块11、接收模块12、第二通信模块13、无人机驱动电机进行供电。采用多路电源模块统一供电，避免发射部分由于某一模块电量耗尽而造成的无效飞行。
如图2-3所示，本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统使用时可以采取剖面测量或测深测量两种不同探测方式。
具体地，图2为剖面测量方式，即发射无人机和接收无人机以固定间距，沿测量剖面依次向前移动并采集数据，从而得到整个剖面上的观测记录。剖面法的优点是剖面成果不需要或只需进行简单的处理就可用于解释，能直观得到测量成果，适合于目标体在平面空间内横向分布的情况，如探测某一矿体的分布范围。
具体地，图3为测深测量方式，即发射无人机和接收无人机以探测目标为中点，以相同的速度相背而行并采集数据，从而得到不同深度范围的观测记录，测深法适合于目标体在同一位置的不同深度内纵向分布的情况，如探测某一地区地下溶洞的纵向分布范围。
在使用时根据实际需求灵活运用两种方式，使用便利。
本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统具有以下优点：
1.针对现有的探地雷达探测系统采用地面发射-地面接收的问题，提出了一种空中发射-空中接收的探测系统，能降低施工成本，极大地提高了工作效率，适合于大面积地质调查工作。
2.针对现有探地雷达探测系统的接收天线易受到电磁干扰的问题，在搭载接收系统的无人机上设置了传感器，用于监控无人机的实时飞行姿态；在搭载接收系统的无人机上，设置了磁补偿仪，抵消来自无人机的噪声；在搭载接收系统的无人机上，设置了带阻滤波器，降低来自高压线等电磁干扰的影响，另外本发明实施例中无人机设置为无人直升飞机，其在雷达测量系统中相对于其他类型的无人机收到的干扰更少。
综上所述，本发明一种基于无人机的探地雷达测量系统降低了施工成本，提高了工作效率，且可以减少噪声干扰，使用方便适合于大面积地质调查工作。
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：说明书中的其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行，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 (6)

1.一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，包括：地面控制单元，发射无人机与接收无人机；
所述地面控制单元设置为与发射无人机与接收无人机通信；
所述发射无人机安装有发射主机，所述发射主机设置有第一导航模块、发射模块、第一通信模块、第一电源模块，所述发射主机上还安装有第一传感器，发射装置；
所述接收无人机安装有接收主机，所述接收主机设置有第二导航模块、接收模块、第二通信模块、第二电源模块，所述接收主机上还安装有接收装置，所述接收装置的前端安装有磁补偿器、带阻滤波器；
所述第一导航模块、第二导航模块均包括定位子模块、飞行控制子模块，所述定位子模块中装有GPS定位器、高度计，所述飞行控制子模块中预装有导航程序；
所述第一传感器、第二传感器设置有速度感应器、微型水准仪；
所述第一传感器与第一导航模块中的飞行控制子模块相连；
所述第二传感器与第二导航模块中的飞行控制子模块相连；
所述发射模块与第一通信模块、发射装置相连；
所述发射装置设置为发射高频电磁波（频率为106～109Hz）；
所述第一通信模块中装有无线通信装置，其与所述地面控制单元通信，并与所述第一导航模块、发射模块相连接；
所述接收模块与第二通信模块、接收装置相连；
所述第二通信模块中装有无线通信装置，其与所述地面控制电脑通信，并与所述第二导航模块、接收模块相连接；
所述第一电源模块与所述第一导航模块、发射模块、第一通信模块电连接；
所述第二电源模块与所述第二导航模块、接收模块、第二通信模块电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，所述接收装置内设置有存储器。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，所述存储器设置为SD卡。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，所述发射主机、接收主机外壁均设置为碳纤维加固层。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，所述无人机设置为无人直升机。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于无人机的探地雷达测量系统，其特征在于，所述地面控制单元包括控制电脑、通信装置、遥控器。
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