CN211123309U

CN211123309U - 可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统

Info

Publication number: CN211123309U
Application number: CN201922133270.0U
Authority: CN
Inventors: 崔凡; 施豪; 方亮
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-12-03

Abstract

本实用新型涉及可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，包括主机、USB、FPGA控制模块、DA转换电路、发射机、发射天线、四个接收机、四个接收天线、时序循环开关电路、增益电路和AD采集电路。本实用新型可以实现多通道探地雷达采集，对地下某点进行多次观测，实现多次覆盖的效果，利用有效信号和随机干扰信号振幅变换规律的差异，通过多次观测并叠加实现多次覆盖提高信噪比的效果，在地质条件复杂区域，不同偏移距对相同深度下同一目标区域探测效果不同，根据对探测目标进行多偏移距探测以获得更详细地质信息，有效提高实际探测深度，同时不同的信号路径其能量衰减程度不同，多偏移距探测可以有效的提高实际探测深度。

Description

可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统

技术领域

本实用新型属于数据采集技术领域，具体来说，是一种一发四收式的探地雷达采集系统。

背景技术

探地雷达是一种快速、高效、无损探测的地球物理勘察设备，与其他地下探测方法相比，具有探测速度快、探测过程连续、操作方便灵活等优点，在工程勘察领域的应用日益广泛。国际上影响较大的商用雷达系统有美国GSSI(地球物理测量系统公司)的SIR系列、加拿大SSI(Sensor and Software公司)的pulseEKKO系列和瑞典Mala公司的RAMAC系列。其他公司的产品有GDE、Penetradar、Rockradar、ERA Technology、NTT、JRC、EMRAD，以及国内LT—1、CBS—9000系列探地雷达系统。

探地雷达作为一种非破坏性探测手段，正被广泛应用于空洞、管道、地雷等地下目标的探测，而在现有技术中的探地雷达都利用一根天线发射高频电磁波，另一根天线接收来自地下目标介质界面的反射波，然后对获取的数据进行分析处理，进而得到地下目标的分布状态，但在探测地下目标时，随机干扰较多，例如当施工环境复杂时，施工发出的机械声作为干扰源造成雷达波的振荡现象，或是在城市地区勘探时，路过的车辆对有效信号造成的干扰，这些都可能造成错误解释，同时在地质条件复杂区域，单一偏移距难以准确的探测出目标形态、位置、大小等地质信息，同时单一偏移距探测有时信号能量衰减较快，深部信号能量较弱，实际探测深度难以达到理想探测深度。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种一发四收的探地雷达采集系统，该系统包括主机、USB、FPGA控制模块、DA转换电路、发射机、发射天线、四个接收机(1、2、3、4)、四个接收天线(1、2、3、4)、时序循环开关电路、增益电路和AD采集电路，对探地雷达信号进行等效采样，采样间隔由收发脉冲对间的延迟决定，其中主机通过USB与FPGA控制模块相连，主机将配置参数传给FPGA控制模块，FPGA控制模块分别与DA转换电路、AD采集电路以及时序循环开关电路相连，时序循环开关电路与增益电路相连，增益电路与AD采集电路相连，FPGA控制模块根据配置参数通过DA转换电路生成步进延时信号，DA转换电路分别连接发射机与四个接收机(1、2、3、4)并通过收发脉冲对Tx、Rx将步进延时信号送至发射机与四个接收机(1、2、3、4)，以此触发发射机，发射机连接发射天线，经发射天线发射脉冲信号，同步触发四个接收机(1、2、3、4)，四个接收机(1、2、3、4)按照1～4的顺序分别连接四个接收天线(1、2、3、4)，经四个接收天线(1、2、3、4)接收反射回波脉冲信号(信号1、信号2、信号3、信号4)，同时FPGA控制模块根据配置参数控制时序循环开关电路，使时序循环开关电路内四个通道按照1～4的顺序分别连通四个接收机(1、2、3、4)，信号1、信号2、信号3、信号4按照1～4的顺序通过时序循环开关电路进入增益电路进行增益，再经AD采集电路进行模数转换，转换为数字信号后送到FPGA，在FPGA中进行存储，最后经USB传输至主机。

进一步的，所述的时序循环开关电路内部有四个通道，时序循环开关电路运行时先连接第一通道使信号1传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路进行信号采集和模数转换，完成模数转换后利用锁存器对数据进行锁存并存入乒乓存储器中，再连接第二通道使信号2传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储，接着连接第三通道使信号3传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储，最后连接第四通道使信号4传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储，根据1～4的顺序循环连接四个通道(每次只连接一个通道)，直至完成所有数据的采集、模数转换和存储。

进一步的，所述FPGA控制模块包括控制单元、数据单元，其中控制单元包括步进控制延时逻辑、USB控制逻辑、增益控制逻辑、AD采集控制逻辑和时序开关电路控制逻辑，数据单元包括锁存器、乒乓存储器和步进延迟生成器。

进一步的，所述步进控制延时逻辑通过步进延迟生成器生成并行数字量经DA转换后生成步进信号和延时信号，实现对收发脉冲对步进延时量的控制，所述USB控制逻辑实现对FPGA与主机之间的数据传输控制，所述增益控制逻辑完实现对AD转换前接收信号的增益控制，所述AD采集控制逻实现对接收信号的AD采集转换以及在转换完成后将数字量传送至存储器的控制，所述时序开关电路控制逻辑实现对时序循环开关电路内部通道切换的控制，所述锁存器用于数据的缓存，所述乒乓存储器用于AD转换后数据的存储。

进一步的，主机传输给FPGA控制模块的配置参数包括步进延时、增益控制、时窗、采样频率、采样点数。

本实用新型的采集系统中所述的四条接收天线可以同时进行四路信号的接收采集，按照一定的观测系统可以对地下某点进行多次观测，实现多次覆盖的效果，由于对同一区域每次探测时有效信号的振幅变换是相对固定的，而随机干扰信号的振幅变换是随机的，利用有效信号和随机干扰信号振幅变换规律的差异，通过叠加增强有效信号，降低随机干扰信号，提高信噪比，在地质条件复杂区域，不同偏移距对相同深度下同一目标区域探测效果不同，对于探测目标多偏移距探测可以获得更详细的形态、位置、大小等地质信息，同时不同的信号路径其能量衰减程度不同，多偏移距探测可以有效的提高实际探测深度。

附图说明

图1为一发四收的探地雷达采集系统的原理框图。

图2为FPGA内部实现原理框图。

图3为五次覆盖观测系统示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图进一步描述本实用新型的具体技术方案。

本实用新型如图1，图2所示，本实用新型公开了一种一发四收的探地雷达采集系统，该系统包括主机、USB、FPGA控制模块、DA转换电路、发射机、发射天线、四个接收机(1、2、3、4)、四个接收天线(1、2、3、4)、时序循环开关电路和AD采集电路，对探地雷达信号进行等效采样，采样间隔由收发脉冲对间的延迟决定。所述FPGA控制模块包括控制单元、数据单元，其中控制单元包括步进控制延时逻辑、USB控制逻辑、增益控制逻辑、AD采集控制逻辑和时序开关电路控制逻辑，数据单元包括锁存器、乒乓存储器和步进延迟生成器。

本实用新型的实施方式如下：

第一步：主机将设置好的参数经USB传输至FPGA。

第二步：FPGA根据所设置的参数，利用锁存器对步进延时、增益、时窗、采样频率、采样点数等参数进行缓存。

第三步：步进控制延时逻辑根据参数通过步进延迟生成器生成并行数字量。

第四步：将上一步所生成的并行数字量传入DA转换电路，经DA转换电路生成步进信号和延时信号。

第五步：通过收发脉冲Tx将步进信号传至发射机机，触发发射机，经发射天线发射脉冲信号，通过收发脉冲Rx将延时信号传至四个接收机((1、2、3、4)，触发接收机，经四个接收天线(1、2、3、4)同步接收反射回波脉冲信号(信号1、信号2、信号3、信号4)。

第六步：在接收信号进入AD采集电路前，按照设置的增益参数利用增益控制逻辑经增益电路对四个接收信号(信号1、信号2、信号3、信号4)进行相同的增益。

第七步：利用时序开关控制逻辑控制时序循环开关电路，时序循环开关电路内分为四个通道，先连接第一通道使信号1传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，利用AD采集控制逻辑控制信号采集和模数转换，完成模数转换后利用锁存器对数据进行锁存并存入乒乓存储器中，再连接第二通道使信号2传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储，接着连接第三通道使信号3传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储，最后连接第四通道使信号4传输至增益电路进行增益，再进入AD采集电路，完成信号的采集、模数转换和存储；根据1～4的顺序循环连接四个通道(每次只连接一个通道)，直至完成所有数据的采集、模数转换和存储。

第八步：利用USB控制逻辑将所存储的数据经USB传输至主机。

下面以单边激发5次覆盖为例来说明多次覆盖观测系统：

如图3所示，图中左侧虚线框中为发射机摆放位置，共有1、2、3、4、5五个摆放位置，右侧四个一组为接收机摆放位置，共有(1)、(2)、(3)、(4)、(5)五组摆放位置，数字序号相同的发射机摆放位置与接收机组摆放位置相对应,实现对A、B、C、D四个共反射点五次覆盖观测。当发射机在1位置、接收机组在(1)位置时，实现对A、B、C、D四个共反射点第一次观测；当发射机在2位置、接收机组在(2)位置时，实现对A、B、C、D四个共反射点第二次观测；当发射机在3位置、接收机组在(3)位置时，实现对A、B、C、D四个共反射点第三次观测；当发射机在4位置、接收机组在(4)位置时，实现对A、B、C、D四个共反射点第四次观测；当发射机在5位置、接收机组在(5)位置时，实现对A、B、C、D四个共反射点第五次观测，一共实现对A、B、C、D四个共反射点五次覆盖观测。

上述观测系统覆盖次数可变，可通过向左侧添加发射机摆放位置、向右侧添加接收机组摆放位置的方法增加覆盖观测次数，可通过减少发射机和接收机组摆放位置的方法减少覆盖观测次数，使得覆盖观测次数可控。

Claims

1.一种可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，其特征在于，所述系统包括主机、USB、FPGA控制模块、DA转换电路、发射机、发射天线、四个接收机、四个接收天线、时序循环开关电路、增益电路和AD采集电路，对探地雷达信号进行等效采样，采样间隔由收发脉冲对间的延迟决定，其中主机通过USB与FPGA控制模块相连，主机将配置参数传给FPGA控制模块，FPGA控制模块分别与DA转换电路、AD采集电路以及时序循环开关电路相连，时序循环开关电路与增益电路相连，增益电路与AD采集电路相连，FPGA控制模块根据配置参数通过DA转换电路生成步进延时信号，DA转换电路分别连接发射机与四个接收机并通过收发脉冲对Tx、Rx将步进延时信号送至发射机与四个接收机，以此触发发射机，发射机连接发射天线，经发射天线发射脉冲信号，同步触发四个接收机，四个接收机按照1～4的顺序分别连接四个接收天线，经四个接收天线接收反射回波脉冲信号1～4，同时FPGA控制模块根据配置参数控制时序循环开关电路，使时序循环开关电路内四个通道按照1～4的顺序分别连通四个接收机，信号1、信号2、信号3、信号4按照1～4的顺序通过时序循环开关电路进入增益电路进行增益，再经AD采集电路进行模数转换，转换为数字信号后送到FPGA，在FPGA中进行存储，最后经USB传输至主机。

2.根据权利要求1所述的可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，其特征在于，所述FPGA控制模块包括控制单元、数据单元，其中控制单元包括步进控制延时逻辑、USB控制逻辑、增益控制逻辑、AD采集控制逻辑和时序开关电路控制逻辑，数据单元包括锁存器、乒乓存储器和步进延迟生成器。

3.根据权利要求1所述的可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，其特征在于，所述的时序循环开关电路内部有四个通道，均由FPGA控制模块根据主机传送的配置参数对其进行控制，实现信号的顺序增益，AD采集电路可进行信号采集和模数转换，完成四道探地雷达数据同时采集、增益、模数转换与存储。

4.根据权利要求2所述的可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，其特征在于，所述FPGA控制模块中的步进控制延时逻辑通过步进延迟生成器生成并行数字量经DA转换后生成步进信号和延时信号，实现对收发脉冲对步进延时量的控制，所述USB控制逻辑实现对FPGA与主机之间的数据传输控制，所述增益控制逻辑实现对AD转换前接收信号的增益控制，所述AD采集控制逻辑实现对接收信号的AD采集转换以及在转换完成后将数字量传送至存储器的控制，所述时序开关电路控制逻辑实现对时序循环开关电路内部通道按顺序循环切换的控制，所述锁存器用于数据的缓存，所述乒乓存储器用于AD转换后数据的存储。

5.根据权利要求1所述的可实现多次覆盖观测的一发四收的探地雷达采集系统，其特征在于，主机传输给FPGA控制模块的配置参数包括步进延时、增益控制、时窗、采样频率、采样点数。