CN213023602U - 一种多阵列探地雷达控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多阵列探地雷达控制系统，包括多阵列雷达天线、发射组件和接收组件；多阵列雷达天线包括N个发射天线和N+1个接收天线；发射组件与N个发射天线连接，为N个发射天线提供探地雷达发射脉冲信号；N+1个接收天线，用于接收探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号；其中，第i个接收天线和第i+1个接收天线分别用于接收第i个发射天线发射的探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号，i取1～N；接收组件与N+1个接收天线连接；用于处理N+1个接收天线接收的地下目标反射回波信号得到N+1路的反射回波数据。本实用新型列有效的降低了剖面间隔，提高探测结果清晰度，并且配置灵活，可根据需要配置发射天线和接收天线个数。
Description
技术领域
本实用新型涉及探地雷达技术领域，尤其涉及一种多阵列探地雷达控制系统。
背景技术
探地雷达基于电磁波反射原理，在存在介电常数差异的地质构造处，通过天线发射及接收电磁波对目标体进行扫描，便可在相应界面形成良好的反射界面信息，继而探测地下目标体的构造和物态特征。
传统的单通道雷达每次探测仅能探测一条测线，形成测线下方的二维探测结果图，图像不直观，不能准确定位目标的位置。如果要进行精确的目标定位，需要对被测区域划分网格，进行多次测量，探测效率低。传统的阵列雷达硬件通道数量固定，系统可扩展的能力受限。
实用新型内容
鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种多阵列探地雷达控制系统，用以解决现有探地雷达探测效率低的问题，同时，在不同应用环境下，可随意配置天线数量，以最合适的体积和扫描间距完成探测任务。
本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种多阵列探地雷达控制系统，包括多阵列雷达天线、发射组件和接收组件；
所述多阵列雷达天线，包括N个发射天线和N+1个接收天线；
所述发射组件与N个发射天线连接，为N个发射天线提供探地雷达发射脉冲信号；
N+1个接收天线，用于接收探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号；其中，第i个接收天线和第i+1个接收天线分别用于接收第i个发射天线发射的探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号，i取1～N；
所述接收组件与N+1个接收天线连接；用于处理N+1个接收天线接收的地下目标反射回波信号得到N+1路的反射回波数据。
进一步地，所述N个发射天线的信号发射面与地面平行，依次排列成一字形的发射天线阵列；所述N+1个接收天线的信号接收面与地面平行，依次排列成一字形的接收天线阵列；发射天线阵列和接收天线阵列的排列方向平行，并与所述雷达控制系统探地时的移动方向成垂直关系。
进一步地，所述发射天线阵列和接收天线阵列之间的位置关系保证第i个发射天线与第i接收天线、第i+1接收天线的中心距离小于雷达的1/4波长距离。
进一步地，所述发射天线和接收天线都是尺寸相同的蝶形天线。
进一步地，所述每个发射天线和接收天线均包括天线、吸波材料和外壳；所述天线尺寸为400mm*220mm，外壳尺寸为500mm*400mm。
进一步地，所述接收组件包括开关组件和采样组件；
所述开关组件连接在接收天线与采样组件之间，用于在任一发射天线发射信号时，将该发射天线通信连接的两个接收天线与采样组件连接，将所述两个接收天线接收的反射回波信号送入采样组件进行信号的采样处理得到回波数据。
进一步地，所述开关组件包括两个单刀N掷开关，其中，第一单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为1到N的接收天线一一连接；
其中，第二单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为2到N+1的接收天线一一连接。
所述采样组件包括两个采样通道与单刀N掷开关对应连接；其中，第一采样通道与第一单刀N掷开关的不动端连接；第二采样通道与第二单刀N掷开关的不动端连接。
进一步地，所述两个单刀N掷开关联动，第一单刀N掷开关的不动端与编号为1的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为2的接收天线的不动端接通；依次类推，第一单刀N掷开关的不动端与编号为N的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为N+1的接收天线的不动端接通。
进一步地，所述采样组件的两个采样通道分别独立，每个采样通道均进行并行等效采样，对进入通道的接收信号进行采样和模数转换得到反射回波数据。
进一步地，每个采样通道均包括功分器、采样组件、AD组件、采样脉冲产生组件；
所述功分器连接在与采样通道对应的单刀N掷开关的不动端与采样组件之间；所述采样组件包括m个采样头；所述功分器为1分m功分器，将探地雷达接收天线与m各采样头的输入端连接；
所述AD组件包括m个AD单元，所述m个采样头的输出端与m个AD单元的输入端连接；
所述采样脉冲产生组件引出m路控制线与采样组件的m个采样头的控制端连接。
本实用新型有益效果如下：
本实用新型天线阵列采用一发双收模式，有效的降低了剖面间隔，提高探测结果清晰度；天线阵列可以按照探测要求任意排列，提高了应用的适应性；采用并行等效采样，解决了探地雷达尤其是阵列式探地雷达探测速度受传统的等效采样工作模式限制的弊端，有效提高雷达的采样速度，并且具有成本较低，拓展灵活的优点；
系统扩展性好，系统组成最低可以为1个发射天线，1个接收天线，最高可以为15个发射天线，16个接收天线。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本实用新型实施例中的多阵列探地雷达控制系统组成原理示意图；
图2为本实用新型实施例中的接收组件组成原理示意图；
图3为本实用新型实施例中的采样通道组成原理示意图；
图4为本实用新型实施例中的采样脉冲产生组件组成原理示意图；
图5为本实用新型实施例中的采样控制脉冲产生原理波形图；
图6为本实用新型实施例中的采样通道工作过程时序图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。
本实用新型的一个具体实施例，公开了一种多阵列探地雷达控制系统，如图1所示，包括多阵列雷达天线、发射组件和接收组件；
所述多阵列雷达天线，包括N个发射天线和N+1个接收天线；
所述发射组件与N个发射天线连接，为N个发射天线提供探地雷达发射脉冲信号；
N+1个接收天线，用于接收探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号；其中，第i个接收天线和第i+1个接收天线分别用于接收第i个发射天线发射的探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号，i取1～N；
所述接收组件与N+1个接收天线连接；用于处理N+1个接收天线接收的地下目标反射回波信号得到N+1路的反射回波数据。
具体的，在多阵列雷达天线的布置上，N个发射天线的信号发射面与地面平行，依次排列成一字形的发射天线阵列；N+1个接收天线的信号接收面与地面平行，依次排列成一字形的接收天线阵列；发射天线阵列和接收天线阵列的排列方向平行，并与所述雷达控制系统探地时的探测移动方向成垂直关系。
并且，所述发射天线阵列和接收天线阵列之间的位置关系保证第i个发射天线与第i接收天线、第i+1接收天线的中心距离小于雷达的1/4波长距离。
通过上述天线布阵方法在采集时雷达的剖面间距小于天线中心波长的1/4，避免了由于采样不足失掉地下信息。即使被测目标体在某一个方向尺寸足够大(如管线)的条件下，如果剖面间距超过该条件，数据解释时数据质量也会严重下降。
本实施例中，本实施例选择雷达中心频率为200MHz，波长为1.5米，中心波长的1/4为0.375米，即雷达布阵形成的剖面间隔应小于0.375米。天线波束角度一定时，剖面间隔越小，对目标的采样点越多，数据解释的质量会更高。
本实施例的探地雷达采用1发2收的探测模式，具体的，N个发射天线的编号为1,2,…,N；N+1个接收天线的编号为1,2,…,N+1；每个发射天线对应两个接收天线，一个发射天线与其编号相同的接收天线对应，还与其编号加1的接收天线对应；即1发1收，1发2收；2发2收，2发3收；……，N-1发N收，N发N收，N发N+1收。
此种模式的天线阵列系统较单发单收模式复杂，阵列中的每个发射、接收天线的性能指标要求具有严格的一致性。
相比于单发单收模式，在相同接收天线数量的情况下，此种模式接收通道的实际数量由N增加为2N-2；
并将天线阵列间距减小了一半，在同样探测幅宽的情况下，方位向距离分辨率是单发单收阵列模式的两倍，提高了方位向距离分辨率。
本实施例的发射天线和接收天线都为200MHz蝶形天线，每个天线的尺寸400mm*220mm，包含外壳和吸波材料后的尺寸为500mm*400mm。
若用单发单收简单的天线组排列方式，通道间隔大于400mm，不能满足上述天线布阵要求，在采用按图1模式的1发2收模式进行天线布阵，形成的等效剖面间隔最小为0.25米，满足使用要求。若将天线旋转90度，形成的等效剖面间隔最小为0.2米，亦满足使用要求，并能够在有限的空间内增加剖面数，有利于数据分析。
本实施例的接收组件包括开关组件和采样组件，如图2所示；
其中，开关组件连接在接收天线与采样组件之间，用于在某个发射天线发射信号时，将与发射天线对应两个接收天线与采样组件连接，将所述两个接收天线接收的反射回波信号送入采样组件进行信号的采样处理得到回波数据。
具体的，所述开关组件包括两个单刀N掷开关，其中，第一单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为1到N的接收天线连接；
其中，第二单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为2到N+1的接收天线连接。
所述采样组件包括两个采样通道；其中，第一采样通道与第一单刀N掷开关的不动端连接；第二采样通道与第二单刀N掷开关的不动端连接。
所述两个单刀N掷开关联动，第一单刀N掷开关的不动端与编号为1的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为2的接收天线的不动端接通；依次类推，第一单刀N掷开关的不动端与编号为N的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为N+1的接收天线的不动端接通。
所述两个单刀N掷开关联动的控制信号可由雷达的发射组件控制，即当发射组件将产生的发射信号由编号为1的发射天线发射时，输出控制信号，到所述开关组件，使第一单刀N掷开关的不动端与编号为1的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为2的接收天线的不动端接通；用于使编号为1的天线发射信号的反射回波信号被编号为1和编号为2的接收天线接收后，通过两个单刀N掷开关分别输出到两个采样通道进行采样和模数转换得到反射回波数据。
利用单刀多掷开关，将阵列雷达多路接收通道的信号切换至采样组件，减小了系统硬件数量。
具体的，所述采样组件的两个采样通道分别独立，每个采样通道均进行并行等效采样，对进入通道的接收信号进行采样和模数转换得到反射回波数据。
更进一步地，如图3所示，每个采样通道均包括功分器、采样组件、AD组件、采样脉冲产生组件；
所述功分器连接在单刀N掷开关的不动端与采样组件之间；所述采样组件包括m个采样头；所述功分器为1分m功分器，将探地雷达接收天线与m各采样头的输入端连接；
所述AD组件包括m个AD单元，所述m个采样头的输出端与m个AD单元的输入端连接；为了满足，探地雷达数据采集的精度，AD单元采用16位以上的AD芯片进行模数转换；
所述采样脉冲产生组件引出m路控制线与采样组件的m个采样头的控制端连接，用于输出采样脉冲控制采样头进行采样；
每个采样通道还包括数据重组电路，所述数据重组电路与m个AD单元的输出端连接，将m个AD单元输出的数据拼接成一路数据；
在所述功分器与单刀N掷开关之间还连接有低噪放组件。
图3中给出的是m＝4的一个具体实施例，m＝4，选择4路AD，那么相比于常规技术采样速度提高4倍。m的数量可根据需要提高的采样速率进行选择，对于探地雷达，m一般可选范围为3-6。
具体的，采样脉冲产生组件输出采样脉冲控制采样头进行采样需要一个触发时机；因此，所述采样脉冲产生组件还与探地雷达的发射组件连接，通过一路控制线将发射组件的发射信号对应的同步信号引入采样脉冲产生组件；所述采样脉冲产生组件在同步信号的触发下产生m个采样控制脉冲，通过m路控制线输出到m个采样头，控制每个采样头进行采样。
所述m个采样控制脉冲的脉宽分别为t0，t0+Δt，t0+2Δt……t0+mΔt；t0为第一采样控制脉冲的脉宽；Δt为相邻采样控制脉冲的脉宽增加量。
具体的，如图4所示，所述采样脉冲产生组件包括快锯齿波产生电路、慢锯齿波产生电路和电压比较电路；
所述快锯齿波产生电路，在发射同步信号的触发下，按时间顺序产生m个快锯齿电压波形，输出到电压比较器的一个输入端；
所述慢锯齿波产生电路，在发射同步信号的触发下，产生1个慢锯齿电压波形，输出到电压比较器的另一个输入端；
本实施例一般情况，可使每个快锯齿电压波形的幅值相等、延时间隔相等、锯齿下降沿的斜率相同。快锯齿电压波形采用直线型锯齿波，通过通用的锯齿波发生器均可产生，例如通过运放集成运放组成的积分器，对电容进行充放电产生，通过555芯片的锯齿波产生电路产生，或采用其他可编程芯片通过现有的程序语言实现。
慢锯齿电压波形的周期应该大于探地雷达的有效探测范围目标回波相对于发射脉冲的延迟时间；并且慢锯齿电压波形可为直线型或者阶梯型。通过通用的直线型或阶梯型锯齿波产生电路可产生。慢锯齿电压波形的最大电压幅值小于快锯齿电压波形的最大电压幅值，以方便快、慢锯齿电压波形电压比较。
所述电压比较电路比较两个输入端输入的快、慢锯齿电压波形电压的大小，产生m个采样控制脉冲通过m路控制线输出到m个采样头。具体的，当输入所述电压比较电路的快锯齿电压大于慢锯齿电压时，输出采样控制脉冲。
具体产生的快、慢锯齿电压波形以及比较器比较输出结果如图5所示。
在图5中的波形形式，相邻采样控制脉冲的脉宽增加量的计算公式为：
Δt＝V/K2
式中：K2是快锯齿电压波形的斜率，V为慢锯齿电压波形的阶梯幅度。通过调节K2和V可改变采样控制脉冲的宽度，调节每个采样头的采样时间。
图6给出了本实施例的一个采样通道的工作过程时序图，从图中可以看到，通过并行等效采样对回波待采样信号进行了数据采用，并行处理探地雷达回波信号，有效提高雷达的采样速度，解决了探地雷达探测速度受传统的等效采样工作模式限制的弊端，具有成本较低，拓展灵活的优点。
综上所述，新型天线阵列采用1发2收模式，有效的降低了剖面间隔，提高探测结果清晰度；天线阵列可以按照探测要求任意排列，提高了应用的适应性；采用并行等效采样，解决了探地雷达尤其是阵列式探地雷达探测速度受传统的等效采样工作模式限制的弊端，效提高雷达的采样速度，并且具有成本较低，拓展灵活的优点。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，包括多阵列雷达天线、发射组件和接收组件；
所述多阵列雷达天线，包括N个发射天线和N+1个接收天线；
所述发射组件与N个发射天线连接，为N个发射天线提供探地雷达发射脉冲信号；
N+1个接收天线，用于接收探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号；其中，第i个接收天线和第i+1个接收天线分别用于接收第i个发射天线发射的探地雷达发射脉冲信号的地下目标反射回波信号，i取1～N；
所述接收组件与N+1个接收天线连接；用于处理N+1个接收天线接收的地下目标反射回波信号得到N+1路的反射回波数据。
2.根据权利要求1所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述N个发射天线的信号发射面与地面平行，依次排列成一字形的发射天线阵列；所述N+1个接收天线的信号接收面与地面平行，依次排列成一字形的接收天线阵列；发射天线阵列和接收天线阵列的排列方向平行，并与所述雷达控制系统探地时的移动方向成垂直关系。
3.根据权利要求2所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述发射天线阵列和接收天线阵列之间的位置关系保证第i个发射天线与第i接收天线、第i+1接收天线的中心距离小于雷达的1/4波长距离。
4.根据权利要求3所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述发射天线和接收天线都是尺寸相同的蝶形天线。
5.根据权利要求4所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述每个发射天线和接收天线均包括天线、吸波材料和外壳；所述天线尺寸为400mm*220mm，外壳尺寸为500mm*400mm。
6.根据权利要求1所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述接收组件包括开关组件和采样组件；
所述开关组件连接在接收天线与采样组件之间，用于在任一发射天线发射信号时，将该发射天线通信连接的两个接收天线与采样组件连接，将所述两个接收天线接收的反射回波信号送入采样组件进行信号的采样处理得到回波数据。
7.根据权利要求6所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，
所述开关组件包括两个单刀N掷开关，其中，第一单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为1到N的接收天线一一连接；
其中，第二单刀N掷开关的不动端与采样组件连接，N个动端分别与编号为2到N+1的接收天线一一连接；
所述采样组件包括两个采样通道与单刀N掷开关对应连接；其中，第一采样通道与第一单刀N掷开关的不动端连接；第二采样通道与第二单刀N掷开关的不动端连接。
8.根据权利要求7所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，
所述两个单刀N掷开关联动，第一单刀N掷开关的不动端与编号为1的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为2的接收天线的不动端接通；依次类推，第一单刀N掷开关的不动端与编号为N的接收天线的不动端接通时，第二单刀N掷开关的不动端与连接编号为N+1的接收天线的不动端接通。
9.根据权利要求7所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，所述采样组件的两个采样通道分别独立，每个采样通道均进行并行等效采样，对进入通道的接收信号进行采样和模数转换得到反射回波数据。
10.根据权利要求9所述的多阵列探地雷达控制系统，其特征在于，每个采样通道均包括功分器、采样组件、AD组件、采样脉冲产生组件；
所述功分器连接在与采样通道对应的单刀N掷开关的不动端与采样组件之间；所述采样组件包括m个采样头；所述功分器为1分m功分器，将探地雷达接收天线与m各采样头的输入端连接；
所述AD组件包括m个AD单元，所述m个采样头的输出端与m个AD单元的输入端连接；
所述采样脉冲产生组件引出m路控制线与采样组件的m个采样头的控制端连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202021975865.7U CN213023602U (zh) | 2020-09-10 | 2020-09-10 | 一种多阵列探地雷达控制系统 |
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| CN202021975865.7U CN213023602U (zh) | 2020-09-10 | 2020-09-10 | 一种多阵列探地雷达控制系统 |
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| CN213023602U true CN213023602U (zh) | 2021-04-20 |
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| CN (1) | CN213023602U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113597712A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-11-02 | 华为技术有限公司 | 天线阵列、探测设备和终端 |
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2020
- 2020-09-10 CN CN202021975865.7U patent/CN213023602U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113597712A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-11-02 | 华为技术有限公司 | 天线阵列、探测设备和终端 |
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