CN116990870A - 一种用于地下管线探测的发射接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于地下管线探测的发射接收系统，涉及通信传输技术领域，所述方法包括：所述GNSS接收机用于接收卫星信号进行定位，以得到GNSS定位结果；所述MEMS惯性测量单元用于在GNSS信号受阻时，通过惯性导航进行定位，以得到惯性导航结果；所述数据处理单元用于将GNSS定位结果和惯性导航结果进行融合，以输出融合结果；所述无线通信单元用于将所述融合结果实时传输至接收机；所述接收机接收到所述定位结果后，与检测到的管线埋深和管线路径相结合，以获得管线的空间位置。本发明可以更准确反映复杂地下环境对信号的影响，可以有效提高管线埋深计算的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及通信传输技术领域，特别是指一种用于地下管线探测的发射接收系统。
背景技术
随着城市化进程加速，地下管线数量激增，传统的地下管线探测设备已难以满足需求。
为提高探测精度,一些技术采用了多点探测的方式。例如，通过分析每个天线接收信号的差异来判断管线空间位置，由于地下环境复杂,不同位置的信号衰减和干扰不同,因此，直接根据信号强度确定管线位置可能会存在一些误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于地下管线探测的发射接收系统，可以更准确反映复杂地下环境对信号的影响，可以有效提高管线埋深计算的精确度。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种用于地下管线探测的发射接收系统，包括：
发射机，用于将直流电转换为差分方波信号，所述差分方波信号经地下管线传播，在地下管线周围形成用于检测的电磁场；
接收机，包括球型天线和环形天线，所述球型天线用于根据电磁场检测管线埋深，所述环形天线用于根据电磁场检测管线路径；所述球型天线设置有多个，并且多个球型天线安装在接收机不同位置，以接收电磁场信号；每个球型天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
通过比较不同球型天线接收的电磁场信号幅值，判断信号强度分布情况；对信号强度进行预处理，以得到预处理数据；
根据所述预处理数据，确定模型结构M=BP(L，S，λ)，其中，M是传播模型，BP表示BP神经网络，L是层数，S是节点数，λ是正则化系数；
根据构建训练数据集，其中，是训练数
据集，是训练样本，表示第个训练样本，N为训练样本的总数；根据训练数据集，通
过进行模型训练，其中，是优化
的参数，是正则项；根据获取测试
数据集，其中，是测试数据集；根据对模型评估，
以建立信号传播模型，其中，是测试集误差，表示训练样本的编号，表示第个测
试样本的特征；表示第个测试样本的目标输出；表示测试样本的总数；
根据球型天线布置位置、电磁场信号幅值以及信号传播模型，计算得到电磁场信
号与管线埋深之间的关系式，关系式为：，其中,是拟合得到的多项式函数，表示第个数据的信号幅值，表示第个数据对应的实
际埋深值,d表示收集的数据组数；
根据第个数据的信号幅值，收集的数据组数d以及拟合得到的多项式函数，计算得到管线埋深值；所述环形天线设置多个，环形天线平面垂直地面，每个环形
天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
根据建立天线检测信号模型，其
中，为管线信号，为噪声，为角频率，波数，为信号传播距离，为当前时刻；
根据确定天线方向角，其中，为第i个天线
在方向上的信号功率；根据确定管线位置矢量，其
中，为第个天线位置矢量，为映射函数；
根据对管线轨迹积分，其中,为管线速度矢量,为积分的
下限,表示初始时刻，表示当前时刻，为管线位置矢量；根据
构建管线振动物理模型，其中，为管线振动矢量；为固有频率，为阻尼系数，表
示管线在位置z和当前时刻t的振动矢量，表示偏导数；根据构建管线运
动学模型；根据管线振动物理模型以及管线运动学模型，融合形成耦合模型；根据所述耦合模型，计算得到管线时域
空间位置，其中，；
定位系统，包括GNSS接收机、MEMS惯性测量单元、数据处理单元以及无线通信单元，所述GNSS接收机用于接收卫星信号进行定位，以得到GNSS定位结果；所述MEMS惯性测量单元用于在GNSS信号受阻时，通过惯性导航进行定位，以得到惯性导航结果；所述数据处理单元用于将GNSS定位结果和惯性导航结果进行融合，以输出融合结果；所述无线通信单元用于将所述融合结果实时传输至接收机；所述接收机接收到所述定位结果后，与检测到的管线埋深和管线路径相结合，以获得管线的空间位置。
进一步的，所述发射机包括：
微控制器模块，用于判断是否到达预设的发射时间，若是，则进入发射状态，若否，则等待；在发射状态下，读取预设的发射参数，生成对应的控制信号；
差分编码模块，用于判断接收到的控制信号中的发射频率参数是否在允许范围内，若是，则继续执行编码，以得到编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回频率异常代码；用于对所述编码信号进行校验，以得到校验结果；以及用于判断所述校验结果是否正确，若是，则发送编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回编码异常代码；
发射驱动模块，用于判断接收到的编码信号强度是否达到发射要求，若是，则继续放大滤波生成驱动信号；若否，则向所述微控制器模块返回增益控制代码；用于判断所述驱动信号强度是否在正常范围内，若是则发送驱动信号，若否，则向所述微控制器模块返回滤波异常代码；
发射天线，用于判断驱动信号频率是否与天线设计频率匹配，若是，则发射电磁波，若否，则向所述微控制器模块返回频率不匹配代码。
进一步的，所述差分编码模块包括：
第一接口电路，用于接收微控制器模块发送的控制信号，对所述控制信号进行解析，以得到解析信号；
编码参数提取模块，用于接收所述解析信号，对所述解析信号进行参数提取，以输出编码参数；
差分编码器，用于接收所述编码参数，对所述编码参数进行编码以生成编码差分信号；
校验编码器，用于接收所述编码差分信号，对所述编码差分信号进行校验编码，以输出编码信号；
驱动放大器，用于接收所述编码信号，并对所述编码信号进行驱动放大，以输出驱动信号。
进一步的，所述发射驱动模块包括：
第一滤波电路，用于接收所述驱动信号，并对所述驱动信号进行滤波，以输出第一滤波信号；
驱动匹配电路，用于接收所述第一滤波信号，并进行阻抗匹配，以输出匹配信号；
稳压电路，用于接收所述匹配信号，并对所述匹配信号进行处理，以输出稳压信号。
进一步的，所述驱动放大器包括：
第二滤波电路，用于通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号；
第一差分放大器，用于接收所述编码输出信号，并对所述编码输出信号进行放大以得到第一放大信号；
第二差分放大器，用于对所述第一放大信号进行再次放大，以获得第二放大信号；
低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行低通滤波，以得到第二滤波信号；
驱动输出模块，用于根据所述第二滤波信号，输出驱动信号。
进一步的，所述驱动匹配电路包括：
变压器，用于对所述滤波信号进行阻抗匹配和电压转换，输出初级匹配驱动信号；
PI型匹配电路，由一个串联电感L和两个并联电容C1、C2组成，所述电容C1与电感L的串联分支，构成一个低通滤波器，用于滤除初级匹配驱动信号中的噪声；所述电容C2与电感L和电容C1的串联分支并联，用于调节初级匹配驱动信号的阻抗，以输出匹配信号。
进一步的，通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，包括：
根据编码信号的频率范围确定频谱分析仪的分析参数；
根据分析参数，利用频谱分析仪对编码信号进行频谱分析，得到原始的频谱分析结果；
对原始的频谱分析结果进行数字滤波处理，得到滤波结果;
从滤波结果中提取各频点的峰值数据，构成编码信号的静态频率响应;
对静态频率响应进行插值和平滑处理，获得编码信号频率响应曲线；
将编码信号频率响应曲线与预设的响应曲线进行对比，以得到对比结果；
根据对比结果，计算编码信号的衰减曲线。
进一步的，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号，包括：
根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器的类型；
根据编码信号的衰减曲线的具体数值，计算出补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数；
根据补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数，获取电子元件构建所需的补偿滤波器电路；
对补偿滤波器电路进行仿真，以得到优化参数；
将所述优化参数转换为数字滤波器芯片的寄存器参数;
通过编程接口将寄存器参数写入数字滤波器芯片中;
将编码信号输入补偿滤波器，获得经过补偿的编码输出信号。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明的上述方案，通过发射接收检测埋深和路径，结合GNSS接收机和惯性导航定位，可实现高精度定位，高精度定位可减少误判风险；本发明集成了探测和定位功能，现场操作简便高效，一次就可获取管线的完整三维信息，无需额外进行定位工作；发射接收系统可有效应对地下环境的复杂性，实现在土壤、水体等不同介质中的管线探测，通过BP 神经网络建立信号传播模型,可以更准确反映复杂地下环境对信号的影响；使用多项式函数拟合管线埋深与信号关系,建立约束条件计算埋深,可以有效提高管线埋深计算的精确度。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统示意图。
图2是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统的发射机示意图。
图3是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统的差分编码模块示意图。
图4是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统的发射驱动模块示意图。
图5是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统的驱动放大器示意图。
图6是本发明的实施例提供的用于地下管线探测的发射接收系统的驱动匹配电路示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明的实施例提出一种用于地下管线探测的发射接收系统，包括：
发射机10，用于将直流电转换为差分方波信号，所述差分方波信号经地下管线传播，在地下管线周围形成用于检测的电磁场；
接收机20，包括球型天线和环形天线，所述球型天线用于根据电磁场检测管线埋深，所述环形天线用于根据电磁场检测管线路径；
定位系统30，包括GNSS接收机、MEMS惯性测量单元、数据处理单元以及无线通信单元，所述GNSS接收机用于接收卫星信号进行定位，以得到GNSS定位结果；所述MEMS惯性测量单元用于在GNSS信号受阻时，通过惯性导航进行定位，以得到惯性导航结果；所述数据处理单元用于将GNSS定位结果和惯性导航结果进行融合，以输出融合结果；所述无线通信单元用于将所述融合结果实时传输至接收机；所述接收机接收到所述定位结果后，与检测到的管线埋深和管线路径相结合，以获得管线的空间位置。
在本发明实施例中，所述发射机10将直流电转换为差分方波信号，可有效激发管线产生可检测的电磁场分布，差分方波信号可降低对周围环境的电磁干扰。所述接收机20球型天线检测埋深，可判断管线的深度信息，环形天线检测路径，可快速判断管线走向，两种天线协同工作，可全面获取管线空间信息。所述GNSS接收机进行卫星定位，可获得水平坐标信息。惯性测量单元进行辅助导航，可在GNSS失效时提供定位数据。数据处理单元进行数据融合，提高定位精度和可靠性。无线通信单元实现定位数据传输，系统操作灵活方便。发射接收与定位系统集成，可快速精确获得管线三维信息，操作简单，避免大范围人工挖掘，提高探测效率，减少管线损坏风险，提高施工安全性。
如图2所示，所述发射机10包括：
微控制器模块101，用于判断是否到达预设的发射时间，若是，则进入发射状态，若否，则等待；在发射状态下，读取预设的发射参数，生成对应的控制信号；
差分编码模块102，用于判断接收到的控制信号中的发射频率参数是否在允许范围内，若是，则继续执行编码，以得到编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回频率异常代码；用于对所述编码信号进行校验，以得到校验结果；以及用于判断所述校验结果是否正确，若是，则发送编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回编码异常代码；
发射驱动模块103，用于判断接收到的编码信号强度是否达到发射要求，若是，则继续放大滤波生成驱动信号；若否，则向所述微控制器模块返回增益控制代码；用于判断所述驱动信号强度是否在正常范围内，若是则发送驱动信号，若否，则向所述微控制器模块返回滤波异常代码；
发射天线104，用于判断驱动信号频率是否与天线设计频率匹配，若是，则发射电磁波，若否，则向所述微控制器模块返回频率不匹配代码。
在本发明实施例中，定时判断是否到发射时间，可实现预设的发射控制，读取发射参数，生成控制信号，实现对发射的精确控制；判断发射频率是否在允许范围内，确保发射信号合规，对编码信号校验，提高发射信号的可靠性，判断编码信号强度并控制增益，输出稳定的驱动信号，检测驱动信号强度是否正常，保证发射稳定；检查驱动信号频率是否匹配，保证发射的正确性，当频率匹配时，发射稳定的电磁波信号。本发明多级检测控制，确保发射的精准可靠，提高发射性能，为后续探测定位提供稳定源。
如图3所示，所述差分编码模块102包括：
第一接口电路1021，用于接收微控制器模块发送的控制信号，对所述控制信号进行解析，以得到解析信号；
编码参数提取模块1022，用于接收所述解析信号，对所述解析信号进行参数提取，以输出编码参数；
差分编码器1023，用于接收所述编码参数，对所述编码参数进行编码以生成编码差分信号；
校验编码器1024，用于接收所述编码差分信号，对所述编码差分信号进行校验编码，以输出编码信号；
驱动放大器1025，用于接收所述编码信号，并对所述编码信号进行驱动放大，以输出驱动信号。
在本发明实施例中，所述第一接口电路1021接收控制信号，并进行解析，提取控制指令，为编码模块提供输入；编码参数提取模块1022从解析后的控制信号中提取编码所需的参数，输出编码参数；差分编码器1023根据提取的编码参数，执行差分编码，生成稳定的编码差分信号。校验编码器1024对编码差分信号进行校验，提高信号可靠性。驱动放大器1025放大编码信号幅值，输出强度合适的驱动信号。
如图4所示，所述发射驱动模块103包括：
第一滤波电路1031，用于接收所述驱动信号，并对所述驱动信号进行滤波，以输出第一滤波信号；
驱动匹配电路1032，用于接收所述第一滤波信号，并进行阻抗匹配，以输出匹配信号；
稳压电路1033，用于接收所述匹配信号，并对所述匹配信号进行处理，以输出稳压信号。
在本发明实施例中，第一滤波电路1031对驱动信号进行滤波，去除噪声，输出稳定的第一滤波信号；驱动匹配电路1032进行阻抗匹配，优化信号传输，输出匹配信号。稳压电路1033进一步处理匹配信号，输出平稳的稳压信号。
在本发明另一优选的实施例中，所述第一滤波电路1031采用三级π型LC低通滤波器，使用高精度电感和电容，截止频率100KHz，能有效滤除高频噪声。
所述驱动匹配电路1032在工作时，具体包括以下步骤：在初始化阶段，MCU首先对数字电位器、采样电路和滤波电路进行设定，预设目标阻抗值，在首次采样阶段，MCU发送控制字节，驱动采样电路对输入阻抗进行采样并放大，获得输入阻抗对应的电压值，在计算偏差阶段，MCU读取采样得到的输入阻抗电压值，并计算与目标阻抗的偏差百分比，在驱动调节阶段，根据计算得到的偏差百分比，MCU发送控制字节驱动数字电位器，以调节输出阻抗值，在收敛判断阶段，MCU判断偏差百分比是否在预设收敛范围内，如果在范围内，则进入微调优化阶段，如果不在范围内，则返回第二阶段进行再次采样，在微调优化阶段，MCU在收敛范围内，通过小步调节数字电位器，进一步优化匹配精度；在匹配保持阶段，匹配完成后，MCU持续监控输入阻抗变化，进行实时微调以保持匹配；当输入阻抗发生大变化时，MCU判断需要重新匹配，于是退出当前匹配，返回初始化阶段重新开始匹配流程。
所述稳压电路1033在工作时，具体包括以下步骤：为了输出高精度低噪声稳压信号，首先需要选择噪声指标优异的运算放大器，在选择低噪声运算放大器的基础上，采用两级放大的负反馈结构，可以进一步抑制噪声放大，两级放大电路确保了放大稳定性，接下来加入稳压二极管进行准确稳压，完成基本稳压功能，为进一步提高稳压精度，在电源端加入滤波器，减少源端噪声对电路的影响，通过全面屏蔽，可以大幅减少环境导致的干扰噪声，最后加入温度传感和补偿电路，自动补偿温度变化导致的稳压漂移。
如图5所示，在本发明另一优选的实施例中，所述驱动放大器1025包括：
第二滤波电路10251，用于通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号；
第一差分放大器10252，用于接收所述编码输出信号，并对所述编码输出信号进行放大以得到第一放大信号；
第二差分放大器10253，用于对所述第一放大信号进行再次放大，以获得第二放大信号；
低通滤波器10254，用于对所述第二放大信号进行低通滤波，以得到第二滤波信号；
驱动输出模块10255，用于根据所述第二滤波信号，输出驱动信号。
在本发明实施例中，通过频谱分析实现自适应补偿滤波，提高编码信号质量；初步放大编码信号，获得第一放大信号；第二差分放大器10253再次放大编码信号，获取大幅度第二放大信号，低通滤波器10254滤除高频噪声，输出平滑的第二滤波信号，驱动输出模块10255根据滤波放大后的信号，输出稳定的驱动信号，自适应滤波提高信号质量，多级放大获得充分信号幅度，滤波减少噪声，驱动输出稳定的驱动信号。
在本发明另一优选的实施例中，所述球型天线设置有多个，并且多个球型天线安装在接收机不同位置，以接收电磁场信号；每个球型天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
通过比较不同球型天线接收的电磁场信号幅值，判断信号强度分布情况；对信号强度进行预处理，以得到预处理数据；
根据所述预处理数据，建立信号传播模型；
根据球型天线布置位置、电磁场信号幅值以及信号传播模型，计算得到电磁场信号与管线埋深之间的关系式；
根据管线参数、多个球型天线的电磁场信号强度、电磁场信号与管线埋深之间的关系式，建立约束条件；
根据约束条件，计算得到管线埋深值。
在本发明实施例中，多个球型天线布置能够全面检测电磁场分布，提高检测精度。不同位置信号强度比较可以判断埋深方位。检波电路提取电磁场信号幅值，作为信号处理的基础数据。对信号数据进行预处理，有利于建立精确的传播模型。建立传播模型，找出信号强度与埋深的定量关系。通过约束条件计算得到埋深值，实现对管线埋深的精确定位。
在本发明另一优选的实施例中，根据
判断信号强度分布情况，其中，为检波滤波器频率响应，为第
个天线在当前时刻的接收信号频谱，代表频率；根据
对信号强度进行预处理，以得到预处理数据，其中，为原始信号，为傅立叶变换，为傅立叶逆变换，为参数化曲线拟合函数，为参数，Ymin为信号最小值，Ymax为
信号最大值，为滤波后的信号，为拟合后的信号，为归一化后的信号，为时间上限；
根据确定模型结构M=BP(L，S，λ)，其中，M是传播模型，BP表示BP神经网络，L
是层数，S是节点数，λ是正则化系数；
根据构建训练数据集，其中，是训练数
据集，是训练样本，表示第个训练样本，N为训练样本的总数；根据训练数据集，通
过进行模型训练，其中，是优化
的参数，是损失函数，是正则项；根据获取测试数据
集，其中，是测试数据集；根据对模型评估，以建
立信号传播模型，其中，是测试集误差，表示训练样本的编号，表示第个测试样
本的特征；表示第个测试样本的目标输出；表示测试样本的总数。
当在计算电磁场信号与管线埋深之间的关系式时，具体包括：设信号幅值为b，预
测的埋深值为，则其具体的关系式为:
，其中,是拟合得到的多项式函数，表示第个数据的信号幅值，表示第个数据对应的实际埋深值,d表示收集的数据组数，
其中，第个数据的信号幅值，收集的数据组数d以及拟合得到的多项式函数为关
系式的约束条件。
在本发明实施例中，利用检波滤波器的频率响应特性,可以更准确地分析各天线接收信号的频谱分布,判断信号强度分布情况，对原始信号进行处理,可以去除噪声,获得更清晰的信号特征，使用BP神经网络建立信号传播模型,可以拟合复杂的非线性关系,获得更准确的模型，通过训练数据集训练模型,并在测试数据集上评估,可以得到泛化性强的传播模型，使用多项式函数拟合信号幅值和埋深之间的关系,可以获得简单和可解释的关系式，利用多组实测数据进行拟合,可以使关系式更加准确和可靠。本发明可以有效提取信号特征,建立精确的信号-埋深关系,从而准确计算出管线埋深信息，提高了对信号特征的分析利用,建立了更好的计算模型,增强了方法的适用性和鲁棒性,提高了埋深计算的精度。
在本发明实施例中，所述环形天线设置多个，环形天线平面垂直地面，每个环形天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
根据电磁场信号幅值以及环形天线各方向信号强度分布情况，计算管线的路径；根据所述管线埋深值和管线的路径，计算出管线的空间位置。
在本发明实施例中，通过设置多个环形天线,可以从不同位置获取管线电磁信号,更全面地检测管线路径；环形天线垂直地面,可以实现对水平方向电磁信号的高灵敏检测，每个环形天线连接检波电路,可以准确获取电磁信号幅值，根据每个环形天线不同方向的信号强度分布情况,可以判断信号传播方向,推断管线方向，综合多个环形天线的检测信号,可以跟踪管线路径,准确获取管线在水平面上的位置坐标变化，将确定的埋深值和管线路径进行组合,可以求解出管线空间位置的三维坐标，这种方法充分利用环形天线的定向检测优势,通过信号强度分布判定管线方向,并与埋深数据相结合,可以有效获取管线的完整三维空间位置；整体来说,这种方法提高了对管线路径的检测精度,增强了获取管线空间位置信息的能力。
在本发明另一优选的实施例中，根据电磁场信号幅值以及环形天线各方向信号强度分布情况，计算管线的路径；根据所述管线埋深值和管线的路径，计算出管线的空间位置，具体包括以下步骤：
根据建立天线检测信号模型，其
中，为管线信号，为噪声，为角频率，波数，为信号传播距离，为当前时刻；
根据确定天线方向角，其中，为第i个天线
在方向上的信号功率；根据确定管线位置矢量，其
中，为第个天线位置矢量，为映射函数；
根据对管线轨迹积分，其中,为管线速度矢量,为积分
的下限,表示初始时刻，表示当前时刻，为管线位置矢量；根据
构建管线振动物理模型，其中，为管线振动矢量；为固有频率，为阻尼系数，表
示管线在位置z和当前时刻t的振动矢量，表示偏导数；根据构建管线运
动学模型；根据管线振动物理模型以及管线运动学模型，融合形成耦合模型；根据所述耦合模型，计算得到管线时域
空间位置，其中，。
在本发明实施例中，增加了方向确定的可靠性，构建管线振动物理模型,使结果更符合实际情况，最终获得了包含振动效应的管线时域空间位置结果。
如图6所示，在本发明一优选的实施例中，所述驱动匹配电路1032包括：
变压器10321，用于对所述滤波信号进行阻抗匹配和电压转换，输出初级匹配驱动信号；
PI型匹配电路10322，由一个串联电感L和两个并联电容C1、C2组成，所述电容C1与电感L的串联分支，构成一个低通滤波器，用于滤除初级匹配驱动信号中的噪声；所述电容C2与电感L和电容C1的串联分支并联，用于调节初级匹配驱动信号的阻抗，以输出匹配信号。
在本发明实施例中，所述电容C1与电感L的串联分支构成低通滤波器,可以滤除高频噪声,提高信号质量；所述电容C2与电感L和电容C1的串联分支并联，使驱动信号阻抗与负载阻抗匹配，该驱动匹配电路通过滤波和阻抗匹配优化了驱动信号的质量，匹配电路的工作保证了驱动器输出端的低噪声和稳定的驱动能力,提高了系统的可靠性，实现了驱动信号匹配的多功能化。因此，该驱动匹配电路提高了驱动稳定性,扩大了驱动功率范围,增强了系统性能。
在本发明一优选的实施例中，通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，包括：
根据编码信号的频率范围确定频谱分析仪的分析参数；
根据分析参数，利用频谱分析仪对编码信号进行频谱分析，得到原始的频谱分析结果；
对原始的频谱分析结果进行数字滤波处理，得到滤波结果;
从滤波结果中提取各频点的峰值数据，构成编码信号的静态频率响应;
对静态频率响应进行插值和平滑处理，获得编码信号频率响应曲线；
将编码信号频率响应曲线与预设的响应曲线进行对比，以得到对比结果；
根据对比结果，计算编码信号的衰减曲线。
在本发明实施例中，根据编码信号参数设定频谱分析的参数,保证了分析的准确性，利用频谱分析仪获取原始频谱，数字滤波处理去除噪声,提高结果可靠性，提取峰值构成静态响应,能代表编码信号的频率特征，插值和平滑处理使频率响应曲线更连续光滑，与预设的响应曲线对比,能直观反映编码信号的频率变化，计算衰减曲线,定量获得编码信号的频率信息，该过程融合信号处理和测试分析技术,使编码信号频率特征分析更准确完整，衰减曲线信息可用于编码器优化,提高系统性能。
在本发明另一优选的实施例中，在计算编码信号的衰减曲线时，具体还可以包括：确定编码信号的频率范围为[fmin,fmax]，设置频谱分析仪的采样频率Fs≥2×fmax，其中，fmin为频率最小值，fmax为频率最大值；设置频谱分析仪的频率分辨率Δf=0.01×fmax,时间窗口T1=1/fmin，以获得充分的频率细节；利用频谱分析仪获取编码信号在时间窗口T1内的FFT频谱,作为原始频谱结果；对原始频谱进行低通滤波,截止频率为fmax，以滤除高频噪声；在滤波后的频谱中,提取每个频率f的最大幅值A(f),形成静态频率响应{f,A(f)}；对静态频率响应{f,A(f)}进行三次样条插值,并用移动平均法平滑处理,获得编码信号的平滑频率响应曲线A(f)；将频率响应曲线A(f)与预设响应曲线B(f)作图对比,得到误差曲线E(f)=A(f)-B(f)；根据误差曲线E(f),计算编码信号相对于预设响应的衰减曲线C(f)。
在本发明一优选的实施例中，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号，包括：
根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器的类型；
根据编码信号的衰减曲线的具体数值，计算出补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数；
根据补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数，获取电子元件构建所需的补偿滤波器电路；
对补偿滤波器电路进行仿真，以得到优化参数；
将所述优化参数转换为数字滤波器芯片的寄存器参数;
通过编程接口将寄存器参数写入数字滤波器芯片中;
将编码信号输入补偿滤波器，获得经过补偿的编码输出信号。
在本发明实施例中，根据衰减曲线确定补偿滤波器类型,保证补偿效果，计算截止频率和通带增益参数,定量设计滤波器，获取构建所需的电路,进行硬件实现，仿真优化参数,使滤波器性能更佳，寄存器参数实现数字滤波器的可编程化，编程实现滤波器配置的自动化，经补偿滤波获得期望的编码输出信号，该过程将编码信号特性、滤波器设计和数字实现相结合，补偿滤波器的应用提高了编码输出信号质量。
在本发明另一优选的实施例中，在输出补偿的编码输出信号，具体还可以包括：比较编码信号衰减曲线斜率,确定使用带通滤波器(正斜率)或高通滤波器(负斜率)；对衰减曲线进行多项式拟合,获取n阶系数以描述衰减趋势，在关键频点提取实际衰减值；根据增益需求和滤波器类型,确定滤波器传递函数形式；设计无源RLC滤波器时,选择电阻精度1%,电容精度5%,电感精度10%的标准型号电子元件；仿真时,设置交流稳态分析和频域扫描分析,扫描范围覆盖衰减曲线频带；编写寄存器配置代码时,采用移位、屏蔽、设置等位操作设定滤波器参数；采用SPI通信协议,设置时钟频率10MHz,数据长度16位,先发送寄存器地址,后发送配置数据；对输出信号采用4096点FFT（快速傅立叶变换），频谱分析范围覆盖编码信号频带,验证补偿效果，量化补偿前后频谱分析结果,进行对比,给出补偿效果的量化指标，其中，4096点FFT具体表示为：对输出信号进行4096点的采样,获取4096个采样点，对这4096个采样点进行FFT运算,将其从时域转换到频域，在频域中可以得到2048个频谱线的幅值和相位信息，每个频谱线对应的频率为：ψ/4096×采样频率，ψ=0,1,...,2047，进行4096点FFT,可以得到高频分辨率的频谱,方便对信号进行精确的频域分析，FFT算法通过对DFT的优化,大大减少了所需的计算量，因此,4096点FFT表示对输出信号进行4096点采样后,应用FFT算法进行频谱分析,可以高效地获得信号的详细频域信息,以用于分析和验证补偿滤波器的效果。
在本发明实施例中，根据增益需求确定滤波器传递函数类型,可设计出符合要求的滤波器，选择标准的电子元件参数,有利于实际电路实现，仿真设置合理的分析方法和范围,可以全面评估滤波器性能，使用位操作设定寄存器,可简化编程复杂度，采用SPI等标准协议配置寄存器,提高可靠性，FFT频谱分析可以清晰反映补偿效果，量化对比结果可以获得直观的补偿效果指标。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，包括：
发射机，用于将直流电转换为差分方波信号，所述差分方波信号经地下管线传播，在地下管线周围形成用于检测的电磁场；
接收机，包括球型天线和环形天线，所述球型天线用于根据电磁场检测管线埋深，所述环形天线用于根据电磁场检测管线路径；所述球型天线设置有多个，并且多个球型天线安装在接收机不同位置，以接收电磁场信号；每个球型天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
通过比较不同球型天线接收的电磁场信号幅值，判断信号强度分布情况；对信号强度进行预处理，以得到预处理数据；
根据所述预处理数据，确定模型结构M=BP(L，S，λ)，其中，M是传播模型，BP表示BP神经网络，L是层数，S是节点数，λ是正则化系数；
根据构建训练数据集，其中，/>是训练数据集，是训练样本，/>表示第/>个训练样本，N为训练样本的总数；根据训练数据集，通过进行模型训练，其中，/>是优化的参数，/>是正则项；根据/>获取测试数据集，其中，/>是测试数据集；根据/>对模型评估，以建立信号传播模型，其中，/>是测试集误差，/>表示训练样本的编号，/>表示第/>个测试样本的特征；/>表示第/>个测试样本的目标输出；/>表示测试样本的总数；
根据球型天线布置位置、电磁场信号幅值以及信号传播模型，计算得到电磁场信号与管线埋深之间的关系式，关系式为：，其中,/>是拟合得到的多项式函数，/>表示第/>个数据的信号幅值，/>表示第/>个数据对应的实际埋深值,d表示收集的数据组数；
根据第个数据的信号幅值/>，收集的数据组数d以及拟合得到的多项式函数/>，计算得到管线埋深值；所述环形天线设置多个，环形天线平面垂直地面，每个环形天线连接检波电路，用于检测管线的电磁场信号幅值；
根据建立天线检测信号模型，其中，为管线信号，/>为噪声，/>为角频率，/>波数，/>为信号传播距离，/>为当前时刻；
根据确定天线方向角，其中，/>为第i个天线在方向上的信号功率；根据/>确定管线位置矢量，其中，/>为第/>个天线位置矢量，/>为映射函数；
根据对管线轨迹积分，其中,/>为管线速度矢量,/>为积分的下限,表示初始时刻，/>表示当前时刻，/>为管线位置矢量；根据/>构建管线振动物理模型，其中，/>为管线振动矢量；/>为固有频率，/>为阻尼系数，/>表示管线在位置z和当前时刻t的振动矢量，/>表示偏导数；根据/>构建管线运动学模型；根据管线振动物理模型以及管线运动学模型，融合形成耦合模型；根据所述耦合模型，计算得到管线时域空间位置/>，其中，/>；
定位系统，包括GNSS接收机、MEMS惯性测量单元、数据处理单元以及无线通信单元，所述GNSS接收机用于接收卫星信号进行定位，以得到GNSS定位结果；所述MEMS惯性测量单元用于在GNSS信号受阻时，通过惯性导航进行定位，以得到惯性导航结果；所述数据处理单元用于将GNSS定位结果和惯性导航结果进行融合，以输出融合结果；所述无线通信单元用于将所述融合结果实时传输至接收机；所述接收机接收到所述定位结果后，与检测到的管线埋深和管线路径相结合，以获得管线的空间位置。
2.根据权利要求1所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，所述发射机包括：
微控制器模块，用于判断是否到达预设的发射时间，若是，则进入发射状态，若否，则等待；在发射状态下，读取预设的发射参数，生成对应的控制信号；
差分编码模块，用于判断接收到的控制信号中的发射频率参数是否在允许范围内，若是，则继续执行编码，以得到编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回频率异常代码；用于对所述编码信号进行校验，以得到校验结果；以及用于判断所述校验结果是否正确，若是，则发送编码信号，若否，则向所述微控制器模块返回编码异常代码；
发射驱动模块，用于判断接收到的编码信号强度是否达到发射要求，若是，则继续放大滤波生成驱动信号；若否，则向所述微控制器模块返回增益控制代码；用于判断所述驱动信号强度是否在正常范围内，若是则发送驱动信号，若否，则向所述微控制器模块返回滤波异常代码；
发射天线，用于判断驱动信号频率是否与天线设计频率匹配，若是，则发射电磁波，若否，则向所述微控制器模块返回频率不匹配代码。
3.根据权利要求2所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，所述差分编码模块包括：
第一接口电路，用于接收微控制器模块发送的控制信号，对所述控制信号进行解析，以得到解析信号；
编码参数提取模块，用于接收所述解析信号，对所述解析信号进行参数提取，以输出编码参数；
差分编码器，用于接收所述编码参数，对所述编码参数进行编码以生成编码差分信号；
校验编码器，用于接收所述编码差分信号，对所述编码差分信号进行校验编码，以输出编码信号；
驱动放大器，用于接收所述编码信号，并对所述编码信号进行驱动放大，以输出驱动信号。
4.根据权利要求3所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，所述发射驱动模块包括：
第一滤波电路，用于接收所述驱动信号，并对所述驱动信号进行滤波，以输出第一滤波信号；
驱动匹配电路，用于接收所述第一滤波信号，并进行阻抗匹配，以输出匹配信号；
稳压电路，用于接收所述匹配信号，并对所述匹配信号进行处理，以输出稳压信号。
5.根据权利要求4所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，所述驱动放大器包括：
第二滤波电路，用于通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号；
第一差分放大器，用于接收所述编码输出信号，并对所述编码输出信号进行放大以得到第一放大信号；
第二差分放大器，用于对所述第一放大信号进行再次放大，以获得第二放大信号；
低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行低通滤波，以得到第二滤波信号；
驱动输出模块，用于根据所述第二滤波信号，输出驱动信号。
6.根据权利要求5所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，所述驱动匹配电路包括：
变压器，用于对所述滤波信号进行阻抗匹配和电压转换，输出初级匹配驱动信号；
PI型匹配电路，由一个串联电感L和两个并联电容C1、C2组成，所述电容C1与电感L的串联分支，构成一个低通滤波器，用于滤除初级匹配驱动信号中的噪声；所述电容C2与电感L和电容C1的串联分支并联，用于调节初级匹配驱动信号的阻抗，以输出匹配信号。
7.根据权利要求6所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，通过频谱分析获得编码信号的频率响应，根据编码信号的频率响应与预设的响应曲线进行对比，计算编码信号的衰减曲线，包括：
根据编码信号的频率范围确定频谱分析仪的分析参数；
根据分析参数，利用频谱分析仪对编码信号进行频谱分析，得到原始的频谱分析结果；
对原始的频谱分析结果进行数字滤波处理，得到滤波结果;
从滤波结果中提取各频点的峰值数据，构成编码信号的静态频率响应;
对静态频率响应进行插值和平滑处理，获得编码信号频率响应曲线；
将编码信号频率响应曲线与预设的响应曲线进行对比，以得到对比结果；
根据对比结果，计算编码信号的衰减曲线。
8.根据权利要求7所述的用于地下管线探测的发射接收系统，其特征在于，根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器参数，将所述补偿滤波器参数写入控制寄存器对滤波器进行配置，以输出补偿的编码输出信号，包括：
根据编码信号的衰减曲线，确定补偿滤波器的类型；
根据编码信号的衰减曲线的具体数值，计算出补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数；
根据补偿滤波器的截止频率和各频点的通带增益参数，获取电子元件构建所需的补偿滤波器电路；
对补偿滤波器电路进行仿真，以得到优化参数；
将所述优化参数转换为数字滤波器芯片的寄存器参数;
通过编程接口将寄存器参数写入数字滤波器芯片中;
将编码信号输入补偿滤波器，获得经过补偿的编码输出信号。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117411570A (zh) * | 2023-12-15 | 2024-01-16 | 深圳捷扬微电子有限公司 | 一种天线射频通路状态的检测方法及装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116990870B (zh) | 2023-12-08 |
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