CN205507072U - 冰厚水深综合探测雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种冰厚水深综合探测雷达系统，涉及探测雷达领域。所述系统包括：探测雷达和安装冰厚水深综合探测雷达应用程序的终端主机，所述探测雷达包括雷达主控板和脉冲信号收发机；终端主机、雷达主控板和脉冲信号收发机顺次双向通信连接；脉冲信号收发机包括时序基准元器件、采样控制器、发射模块和接收模块。本实用新型快速、无损、连续探测，实时成像方式或/和语音播报方式提供冰层和水深结果，探测结果一目了然，分析、判读直观方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及探测雷达领域，尤其涉及一种冰厚水深综合探测雷达系统。
背景技术
在所有的自然灾害中，洪涝灾害发生最频繁、影响人口最多，既带来经济损失，又影响社会稳定。河流流域面临两类洪水的威胁，一类是暴雨洪水，一类是冰凌洪水。其中冰凌洪水是影响因素最多，成灾机理最复杂的一种自然灾害，突发性强、涨势猛、持续时间长，且天寒地冻、防守困难。目前国内冬季河流湖泊的水文观测采用人工定点钻孔的方式，探测冰厚和水深，在观察区域内采用固定距离或者根据经验确定采样点位后打孔测量，只能得到一些稀疏的采样点结果，既不能形成连续的测量结果，也耗费大量的人力物力。
随着人类对自然界认识的逐步深化，人们对江河湖泊在冬季结冰情况下冰厚和水深的精确探知变得越来越迫切。因此，亟需一种更方便、探测结果更准确的方式实现在冬季结冰情况下对冰厚和水深的探测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种冰厚水深综合探测雷达系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。探测雷达为了探测水体深度，通常采用低频天线，但是探测精度低，不能满足高精度冰层厚度探测的需求。探测雷达为了探测冰层厚度，通常采用高频天线，但是探测深度浅，不能满足隔冰探测水体深度的需求。为了能满足冰厚和水深同时探测的需求，本申请采用了双频双天线设计，高频天线用于探测冰厚，低频天线用于探测水深。采集后得到的两个不同频率的数据进行融合处理，得到精确冰层厚度和水深数据。
为了实现上述目的，本实用新型所述冰厚水深综合探测雷达系统，所述系统包括：探测雷达和安装冰厚水深综合探测雷达应用程序的终端主机，所述探测雷达包括雷达主控板和脉冲信号收发机；
所述终端主机、所述雷达主控板和所述脉冲信号收发机顺次双向通信连接；
所述脉冲信号收发机包括时序基准元器件、采样控制器、发射模块和接收模块；所述发射模块包括：顺次单向信号通信连接的发射控制器、脉冲产生电路和发射天线；所述接收模块包括：顺次单向信号通信连接的接收天线、低噪声带通滤波器和放大器；所述时序基准元器件分别与采样控制器和发射控制器连接，所述采样控制器还与放大器连接。
优选地，所述雷达主控板与所述脉冲信号收发机分体式设置。
优选地，所述终端主机为平板电脑。
优选地，所述系统还包括：电源，所述电源与所述雷达主控板连接。
更优选地，所述电源，包括高稳定DC-DC电源和电压变换电路，通过所述电压变换电路，所述高稳定DC-DC电源与所述雷达主控板供电连接。
优选地，所述系统还包括测距轮，所述测距轮与所述雷达主控板连接，所述测距轮为光电编码器。
优选地，所述系统还包括定位芯片，所述定位芯片分别于所述终端主机和所述雷达主控板连接。
更优选地，所述定位芯片为RTK-GPS定位芯片。
优选地，所述雷达主控板上设置有主控芯片和均与所述主控芯片连接的网口控制芯片、时序控制器、延迟线芯片、参数寄存器、ADC芯片和处理器；
通过网口电路，所述网口控制芯片与终端主机通信连接，所述处理器与所述终端主机单向通讯连接。
优选地，所述雷达主控板上的主控芯片为FPGA芯片。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型解决了冬季河流冰层厚度和水深探测中不能隔冰层准确测量水深、不能连续同步综合测量冰厚水深、测量冰厚水深耗费大量人力物力等问题，所述冰厚水深综合探测雷达系统，向冰面下方发射脉冲形式的双频宽带电磁波，电磁波在传播过程中遇到水面和河床时发生反射，反射信号到达冰层上表面后由接收天线接收，并经过超宽带接收机的转换、放大、量化后形成雷达回波。根据回波极性、幅度、走时等参数，通过智能识别算法可自动计算出冰层厚度和水深，实现冰厚水深连续同步综合测量。本实用新型所述系统的优点为快速、无损、连续探测，并以实时成像方式显示冰层和水深结构剖面，冰厚和水深数据直观在屏幕上以数字方式显示，同时提供探测结果的实时语音播报功能，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。具体体现为：
1、利用本申请所述系统探测冰层厚度和冰下水深，不但可以替代钻冰眼后下探深杆或测深锤获取冰厚水深数据的原有方法，而且采用本申请具有快速、高效、连续、准确、选择测线灵活等特点，节约了大量人力物力，解决了冬季水文测量一直面临的问题。
2、本申请所述系统采用双频双天线雷达系统，智能协调两对天线的收发，避免双天线互相干扰，两个天线采集回来的数据采用融合算法，显示在一张雷达图上，可以对冰层厚度和冰层下水深进行同步综合探测，同时探测出冰厚和水深，解决了冰厚和水深需要分开测量以及隔冰层难以准确测量水深的难题。
3、本申请所述系统对冬季河流冰厚和水深进行探测，实时得到冰厚和水深的精确数据，在显示设备上直观标注出当前设备下冰层厚度和水深数据，也可以实时语音播报当前探测结果，解决了雷达图像数据判读困难，需要专业人员经长期培训后才能操作设备的问题，为水文观测和防凌减灾提供了有效的技术手段。
附图说明
图1是冰厚水深综合探测雷达系统的结构框图；
图2是图1中所述雷达主控板的结构示意图；
图3是图1脉冲信号收发机的结构示意图；
图4是冰厚水深综合探测雷达系统的工作流程示意图；
图5是使用本申请所述系统在黑龙江省漠河北极村段上游河岸至中弘断面测量的结果与人工测量结果的对比示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型所述冰厚水深综合探测雷达系统(IGPR-10ICE GroundPenetrating Radar)是利用电磁波实现对河流冰层和水体深度的探测，电磁波在冰层和水体内部传播时，其路径、电磁场强度与波形随介质的介电常数及几何形态而变化。根据回波的时间、幅度与波形信息，可以计算出冰层厚度和水深，进而在防凌破冰和水文观测中发挥重要的作用。
实施例
本实施例所述冰厚水深综合探测雷达系统，所述系统包括：探测雷达和安装冰厚水深综合探测雷达应用程序的终端主机，所述探测雷达包括雷达主控板和脉冲信号收发机；
所述终端主机、所述雷达主控板和所述脉冲信号收发机顺次双向通信连接；
所述脉冲信号收发机包括时序基准元器件、采样控制器、发射模块和接收模块；所述发射模块包括：顺次单向信号通信连接的发射控制器、脉冲产生电路和发射天线；所述接收模块包括：顺次单向信号通信连接接收天线、低噪声带通滤波器和放大器；所述时序基准元器件分别与采样控制器和发射控制器连接，所述采样控制器还与放大器连接；
所述安装冰厚水深综合探测雷达应用程序的终端主机，负责设置探测采集参数并形成相应控制指令，并将控制指令发送给雷达主控板，同时，接收所述雷达主控板发送的雷达采样数据，将雷达采样数据中的所述探测雷达的路线坐标点与每个坐标点上的雷达数据进行关联存储后，计算得到目标测量区的冰厚和水深，实时显示冰厚和水深；
所述雷达主控板，用于接收终端主机发送的控制指令，分析并获得所述控制指令中的探测采集参数，形成命令后发送给脉冲信号收发机，同时，还用于将从脉冲信号收发机采集到的雷达数据发送给所述主机；
所述脉冲信号收发机中的发射模块，在接收到命令后，辐射双频电磁波；
所述脉冲信号收发机中的接收模块，用于将接收到的从水面和河床反射回来的电磁波信号转化为射频电流信号，然后传给低噪声带通滤波器进行滤波，再经过放大器对射频电流信号的放大处理，把处理结果发送给雷达主控板。
更详细的解释说明为：
(一)所述雷达主控板与所述脉冲信号收发机分体式设置。避免了回波模拟信号对雷达主控板的干扰，同时由于回波信号强度和探测目标距离天线的远近有很直接的关系，离天线近的目标回波强，距离天线远的目标产生的回波信号很弱，在雷达接收机中加入时变增益放大器，根据回波信号返回时间动态调整回波信号的增益，使进入取样电路的回波信号强度变得相对平稳。
(二)所述终端主机为平板电脑，用于运行冰厚水深综合探测雷达软件和显示探测结果；所述雷达主控板上的主控芯片为FPGA芯片；
所述需探测采集的参数包括采样频率、采样点数、介电常数、探测方式和道间距。
(三)所述系统还包括：电源、测距轮和定位芯片，所述电源、所述测距轮和所述定位芯片分别与所述雷达主控板连接，所述定位芯片还与所述终端主机连接；
所述电源，包括高稳定DC-DC电源和电压变换电路，通过所述电压变换电路，所述高稳定DC-DC电源与所述雷达主控板供电连接；高稳定DC电源模块具有宽电压输入范围，并提供过流和短路、过压、过热等保护功能，是冰厚水深综合探测雷达系统开展外场工作的有效保障；由于系统中各模块工作电压不同，电压变换电路是为主控板中所有源器件提供所需的电压。
所述测距轮，用于计算所述系统的位移数据，并将所述位移数据发送给雷达主控板；本申请中所述测距轮采用高精度光电编码器，以计量光栅的方式计算位移，是一种精度高、响应快性能稳定可靠的测量位移方法，满足本申请的需求。
所述定位芯片，用于测量所述系统走过的路线坐标数据，并将所述路线坐标数据发送给雷达主控板。所述定位芯片为RTK-GPS定位芯片。RTK-GPS定位芯片中使用的RTK定位技术就是一种基于载波相位观测的实时动态定位技术，它能够实时地提供系统在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
(四)所述雷达主控板上设置有主控芯片和均与所述主控芯片连接的网口控制芯片、时序控制器、延迟线芯片、参数寄存器、ADC芯片和处理器；
所述网口控制芯片，通过网口电路与所述终端主机连接，终端主机的控制指令通过网口控制芯片发送到所述雷达主控板，所述雷达主控板将接收到的雷达采样数据上传到所述终端主机；
所述参数寄存器，存储终端主机下传的控制指令中包含的探测采集参数；
所述时序控制器：由雷达主控板上高精度温补晶振提供时钟源，在雷达主控板内部经锁相环输出，给其他模块提供所需的时钟频率，驱动其他模块正常运行，同时，根据参数寄存器传输过来的参数，确定发射脉冲发生器产生脉冲的时间；时序控制器还负责控制雷达主控板采集上传的雷达数据和主机下发的控制指令的时序；
所述延迟线芯片，根据所述时序控制器发出的设置参数配置延迟线芯片的参数，所述延迟线芯片的参数与等效采样过程中脉冲的递进延时发射参数一一对应；
所述ADC芯片：上电后配置ADC芯片采用16位数据采样模式，根据时序控制器传递过来的时序控制数据，确定读取ADC芯片的输出数据时刻，并通过时钟正负沿采集的方式将ADC芯片输出的8位数据拼接为16位数据，然后将数据结果传送给数据处理模块；
所述处理器：ADC控制模块发送的数据结果经缓存、拼接和整理、数据预处理后，实时同步发送给网口控制芯片；
所述同步发送模块，将数据处理模块处理后的结果实时同步发送到网口控制模块。
本系统的脉冲信号收发机采用了双频双天线设计，通过主控板控制两个脉冲信号收发机分时工作，采集后得到的两路数据进行融合处理，得到精确冰层厚度和水深数据，很好的解决了探深和探测精度相矛盾的问题。
实施例2
本实施例是基于实施例1所述所述冰厚水深综合探测雷达系统的探测方法，所述方法包括：
S1，对冰厚水深综合探测雷达系统进行初始化设置；
所述初始化设置包括：建立所述终端主机上的冰厚水深综合探测雷达应用程序与探测雷达的通信连接，将脉冲信号收发机的发射模块和接收模块设置为等效采样状态；将雷达主控板上的ADC芯片配置成16位数据采样模式。还包括配置网口通信的IP地址和端口；雷达主控板上FPGA芯片自动从Flash中加载程序，并对外围接口进行配置，网口配置成TCP/IP协议模式，
S2，通过冰厚水深综合探测雷达应用程序进行需探测采集参数设置，并形成相应控制指令，发送给雷达主控板，雷达主控板根据接收到控制指令后，形成相对应的命令；所述需探测采集的参数包括采样频率、采样点数、介电常数、探测方式和道间距；
S3，发射雷达脉冲信号
根据雷达主控板发送的命令，在探测雷达处于行进过程状态的条件下，发射模块向目标测试区的冰层和水下发射两种不同频率的电磁波，且保证雷达信号在短时间内重复发射；
其中，光电编码器固定在探测雷达外面的轮子上，作为测距轮，输出的脉冲信号经电压变化后由FPGA芯片采集，得到设备前进速度和方向；
所述雷达信号脉冲发射的脉冲源采用雪崩三极管，利用三极管的雪崩效应产生一个极窄的脉冲信号，在时域中是零阶的高斯脉冲，即脉冲源是一个能量压缩的过程，能量存储到瞬间释放的一个过程，时域脉冲的带宽是有脉冲源的带宽决定的，本系统采用双频双天线，发射两个频率脉冲到冰层和水下。
S4，接收回波信号
接收从水面和河床反射回来的电磁波并转化为射频电流信号，然后传给低噪声带通滤波器进行滤波，再经过放大器对射频电流信号的放大处理，把处理结果发送给雷达主控板；
S5，等效数据采样
雷达主控板对步骤S4中的处理结果进行等效采样，在每个接收到回波信号脉冲周期内只采样一个点，采样时间基准经过程控延迟线芯片，根据预先设定的延迟时间产生采样信号，多次采样得到一组信号，拼接后形成一个完整的回波信号，复现原信号在时域中展宽的波形；等效采样后的信号被ADC控制模块16位量化，将获取的模拟回波信号转化成16位数字信号；
S6，将数字信号发送给终端主机；
根据主机上应用程序的预先配置，可以选择TCP或UDP协议，把数据通过网口传送给主机进行后期显示和处理；在FPGA芯片中采集ADC送来的数据是利用ADC芯片给出的同步时钟，所以在上一步数据拼接时采用的是双端口RAM，数据采集后从一个端口写入RAM，在RAM另一个端口读出拼接后数据送给网口模块进行传输，网口模块采用16位数据总线，速率可达到50Mbps，可以根据通信数据吞吐量动态调整内部存储器的分配。
接收由雷达主控板通过网口送上来的雷达采集数据，根据工程命名规则进行存储，通过串口接收RTK-GPS芯片传送过来的实时地理坐标信息，地理坐标与雷达数据关联起来进行存储，为后续的分析提供技术支撑；
S7，终端主机对接收到的数据进行分析处理；记数据A表示终端主机接收到的数字信号；
S71，对接收到数据A进行数据编辑处理；
对数据A进行归一化处理，得到数据B；
S72，对数据B进行滤波处理和增益处理，得到处理后的雷达回波信号数据；将雷达采样数据中的所述探测雷达的路线坐标点与处理后的雷达回波信号数据进行关联存储后；
S73，通过所述处理后的雷达回波信号数据计算每个坐标点上冰厚和水深，在电子地图显示探测雷达行走的路线坐标点和每个坐标点冰厚和水深；还可以将每个坐标点冰厚和水深转化成语音信号，通过语音播放器播放。
关于S71的说明：原始数据中由于冰层杂质、地形和人为误操作等原因，导致数据不能真实反映实际冰水情况，需要对数据进行重新组织和修正，进行归一化处理。
关于S72的说明：数据滤波，去除雷达数据中背景噪声产生的失真和干扰，背景噪声是由空间中其他电磁波、冰下不纯净介质等因素引起的干扰，它的出现可能会掩盖回波中的重要信息，在软件中采用背景去除功能，可以去除背景噪声；
增益处理，由于电磁波在传播过程中的损耗，穿透深度越大，衰减越大，雷达回波信号越小，这就会导致对深层目标探测的判读产生困难，在软件中可以通过设置对回波信号进行增益处理，对深层返回的微弱回波信号进行增强，更好的判读出冰厚和水深信息。
关于S73的说明：图像显示输出，可以向操作者直观提供探测处理结果，由于本申请针对冰层厚度和水深探测开发，通过双频双天线采集回的数据进行融合处理，在软件中进行处理直接得到冰厚和水深的雷达图像，可以通过软件进行图像色阶调整，利于在不同情况下观察图像数据；
数据显示和语音播报，为了操作人员能直接看到当前探测点的冰层厚度和水深数据，雷达软件实时处理雷达数据，得到冰层厚度和水深，在显示界面上以数字形式实时显示当前探测点的数据，同时也可以用语音的方式实时播报当前探测点数据，使操作员不用看屏幕就能知道当前探测点的冰层厚度和水深。
冰厚水深综合探测雷达应用程序具有报表分析功能，对每条测线工程的采集数据进行分析处理，生成基于时间、位置和冰厚水深的综合测试图，为水文信息探测和上报提供技术支撑，减少了人工绘制图表的工作量。
将本实用新型所述系统于2016年1月28日在黑龙江漠河北极村上游河段进行了测试，采用本系统在黑龙江省漠河北极村段上游河岸至中弘断面测量的结果，其中灰色实线和黑色实线是采用本系统测量绘制出的冰厚水深曲线，在测量过程中对一些测量点采用人工打孔方式进行了验证测量，从图中可以看出，人工测量结果和本设备测量结果吻合。
通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本实用新型可以有效应用于冬季河流湖泊等冰厚和水深探测中，采用双频双天线设计，快速并连续的测量出测线下方冰层厚度和水深，测量高效，可以替代原人工测量方法，不但测量效率大大提高，并能实时得到所测点的测量值，获得连续的测量结果，以数值和语音的方式提供给测量者，得到更好的测量结果和测量体验，解决了水文观测中需要人工打孔、采样点少等困扰冬季水文观测的难题。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种冰厚水深综合探测雷达系统，其特征在于，所述系统包括：探测雷达和安装冰厚水深综合探测雷达应用程序的终端主机，所述探测雷达包括雷达主控板和脉冲信号收发机；
所述终端主机、所述雷达主控板和所述脉冲信号收发机顺次双向通信连接；
所述脉冲信号收发机包括时序基准元器件、采样控制器、发射模块和接收模块；所述发射模块包括：顺次单向信号通信连接的发射控制器、脉冲产生电路和发射天线；所述接收模块包括：顺次单向信号通信连接的接收天线、低噪声带通滤波器和放大器；所述时序基准元器件分别与采样控制器和发射控制器连接，所述采样控制器还与放大器连接。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述雷达主控板与所述脉冲信号收发机分体式设置。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述终端主机为平板电脑。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：电源，所述电源与所述雷达主控板连接。
5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述电源，包括高稳定DC-DC电源和电压变换电路，通过所述电压变换电路，所述高稳定DC-DC电源与所述雷达主控板供电连接。
6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括测距轮，所述测距轮与所述雷达主控板连接，所述测距轮为光电编码器。
7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括定位芯片，所述定位芯片分别于所述终端主机和所述雷达主控板连接。
8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述定位芯片为RTK-GPS定位芯片。
9.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述雷达主控板上设置有主控芯片和均与所述主控芯片连接的网口控制芯片、时序控制器、延迟线芯片、参数寄存器、ADC芯片和处理器；
通过网口电路，所述网口控制芯片与终端主机通信连接，所述处理器与所述终端主机单向通讯连接。
10.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述雷达主控板上的主控芯片为FPGA芯片。
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