本發(fā)明涉及探地雷達(dá)，特別涉及一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法

背景技術(shù)：

1、探地雷達(dá)作為一種公認(rèn)的無(wú)損檢測(cè)工具，已廣泛應(yīng)用于公路損傷檢測(cè)，可有效檢測(cè)沉降、疏松、脫空、富水、空洞等病害。三維探地雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：可采集到高密度、無(wú)縫拼接的海量雷達(dá)數(shù)據(jù)，不會(huì)造成地下信息的缺失；真三維采集；可使地下目標(biāo)體成像清晰、準(zhǔn)確，其三維數(shù)據(jù)體可實(shí)現(xiàn)任意深度水平切片展示。

2、目前多種用于公路損傷檢測(cè)的三維探地雷達(dá)系統(tǒng)所配備的天線陣列都只是單一頻率。對(duì)于公路探測(cè)領(lǐng)域的路基厚度及路基內(nèi)部缺陷檢測(cè)，既要滿足高精度分辨率要求，也要滿足探測(cè)深度的要求，此時(shí)需要使用不同頻率天線更換相應(yīng)頻率的天線陣對(duì)探測(cè)區(qū)域重復(fù)掃描，探測(cè)速度慢，效率較低，測(cè)線難于控制，不利于目標(biāo)成像，并且不同頻率天線陣測(cè)量的三維數(shù)據(jù)對(duì)比處理困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，采用兩種頻率的天線陣列設(shè)計(jì)，可同時(shí)完成不同深度的結(jié)構(gòu)探測(cè)，探測(cè)精度高，測(cè)線間隔均勻，剖面數(shù)據(jù)一致性好，能夠充分保證成像及探測(cè)效果。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括：用于控制雙頻天線陣列的fpga主控單元、用于收發(fā)雙頻雷達(dá)探測(cè)脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機(jī)和上位機(jī)；

3、所述的fpga主控單元包括通信電路、數(shù)據(jù)采集使能與控制電路、延時(shí)步進(jìn)電路、開(kāi)關(guān)切換電路；

4、所述的雙頻天線陣列包括雙行高低頻天線陣列，順序交叉排列，其中低頻天線陣列排列在第一行包括4發(fā)5收天線，產(chǎn)生8通道低頻回波數(shù)據(jù)，高頻天線陣列排列在第二行包括9發(fā)8收天線，產(chǎn)生16通道高頻回波數(shù)據(jù)，共13發(fā)13收天線，每個(gè)發(fā)射天線和鄰近接收天線組合成探地雷達(dá)通道，共產(chǎn)生24通道回波數(shù)據(jù)；

5、所述的數(shù)據(jù)采集單元用于雙頻天線陣列的回波數(shù)據(jù)采樣，包括四個(gè)單片機(jī)模塊組；

6、所述的以太網(wǎng)交換機(jī)作為數(shù)據(jù)通信中轉(zhuǎn)站，用網(wǎng)線分別與上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元和fpga主控單元連接，并分配不同的靜態(tài)ip地址；

7、所述的上位機(jī)用于接收數(shù)據(jù)采集單元的回波數(shù)據(jù)、與fpga主控單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和采集狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)成像與存儲(chǔ)。

8、所述單片機(jī)模塊包括通信電路、數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路、數(shù)據(jù)采集電路；所述通信電路用于每個(gè)單片機(jī)發(fā)送6通道雙頻天線陣列回波數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機(jī)連接；所述數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路用于使能采樣數(shù)據(jù)和和控制發(fā)送數(shù)據(jù)，與fpga主控單元數(shù)據(jù)采集與使能電路連接；所述數(shù)據(jù)采集電路用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，每個(gè)單片機(jī)模塊連接6通道回波信號(hào)。

9、所述fpga主控單元通信電路用于接收上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)和控制命令；所述數(shù)據(jù)采集使能與控制電路用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集使能時(shí)序和數(shù)據(jù)發(fā)送命令時(shí)序，與數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路連接；所述步進(jìn)延時(shí)電路用于產(chǎn)生步進(jìn)延時(shí)；所述開(kāi)關(guān)切換電路用于選通對(duì)應(yīng)通道脈沖對(duì)，包括13個(gè)發(fā)射開(kāi)關(guān)和13個(gè)接收開(kāi)關(guān)；所述的步進(jìn)延時(shí)電路和開(kāi)關(guān)切換電路組合使用產(chǎn)生了13個(gè)接收脈沖和13個(gè)發(fā)射脈沖，形成24個(gè)收發(fā)脈沖對(duì)。

10、所述fpga主控單元13個(gè)接收脈沖連接13個(gè)接收天線，13個(gè)發(fā)送脈沖連接13個(gè)發(fā)射天線。

11、所述fpga主控單元通過(guò)網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機(jī)，接收上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)，并存儲(chǔ)于fpga的寄存器，設(shè)置參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、步進(jìn)延時(shí)量。

12、產(chǎn)生的不同通道的收發(fā)脈沖對(duì)不處于同一時(shí)刻，可以控制不同通道天線在不同時(shí)間工作，避免天線間的相互干擾。

13、所述雙頻天線陣列根據(jù)fpga主控單元產(chǎn)生的收發(fā)脈沖對(duì)，13個(gè)接收天線上產(chǎn)生24個(gè)回波信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集電路中。

14、本發(fā)明提供了一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，包括：上位機(jī)下發(fā)每個(gè)通道的設(shè)置參數(shù)給fpga主控單元，fpga主控單元根據(jù)采樣頻率得到采樣周期。首先將一個(gè)采樣周期平分為13個(gè)開(kāi)關(guān)周期，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)打開(kāi)一個(gè)發(fā)射開(kāi)關(guān)，其他發(fā)射開(kāi)關(guān)關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的接收開(kāi)關(guān)。

15、所述開(kāi)關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生步進(jìn)延時(shí)數(shù)字量和數(shù)據(jù)采集使能時(shí)序。

16、所述發(fā)射開(kāi)關(guān)其打開(kāi)順序?yàn)閗t1、kt4、kt7、kt10、kt113、kt2、kt5、kt8、kt11、kt3、kt6、kt9、kt12。

17、所述接收開(kāi)關(guān)其打開(kāi)順序?yàn)閗r1、kr3&kr4、kr6&kr7、kr9&kr10、kr12&kr13、kr1&kr2、kr4&kr5、kr7&kr8、kr10&kr11、kr2&kr3、kr5&kr6、kr8、kr11&kr12。

技術(shù)特征：

1.一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括：用于控制雙頻天線陣列的fpga主控單元、用于收發(fā)雙頻雷達(dá)探測(cè)脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機(jī)和上位機(jī)；所述的fpga主控單元包括通信電路、數(shù)據(jù)采集使能與控制電路、延時(shí)步進(jìn)電路、開(kāi)關(guān)切換電路；所述的雙頻天線陣列包括雙行高低頻天線陣列，順序交叉排列，其中低頻天線陣列排列在第一行包括4發(fā)5收天線，產(chǎn)生8通道低頻回波數(shù)據(jù)，高頻天線陣列排列在第二行包括9發(fā)8收天線，產(chǎn)生16通道高頻回波數(shù)據(jù)，共13發(fā)13收天線，每個(gè)發(fā)射天線和鄰近接收天線組合成探地雷達(dá)通道，共產(chǎn)生24通道回波數(shù)據(jù)所述的數(shù)據(jù)采集單元用于雙頻天線陣列的回波數(shù)據(jù)采樣，包括四個(gè)單片機(jī)模塊組；所述的以太網(wǎng)交換機(jī)作為數(shù)據(jù)通信中轉(zhuǎn)站，用網(wǎng)線分別與上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元和fpga主控單元連接，并分配不同的靜態(tài)ip地址；所述的上位機(jī)用于接收數(shù)據(jù)采集單元的回波數(shù)據(jù)、與fpga主控單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和采集狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)成像與存儲(chǔ)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)模塊包括通信電路、數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路、數(shù)據(jù)采集電路；所述通信電路用于每個(gè)單片機(jī)發(fā)送6通道雙頻天線陣列回波數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機(jī)連接；所述數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路用于使能采樣數(shù)據(jù)和和控制發(fā)送數(shù)據(jù)，與fpga主控單元數(shù)據(jù)采集與使能電路連接；所述數(shù)據(jù)采集電路用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣，每個(gè)單片機(jī)模塊連接6通道回波信號(hào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述fpga主控單元通信電路用于接收上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)和控制命令；所述數(shù)據(jù)采集使能與控制電路用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集使能時(shí)序和數(shù)據(jù)發(fā)送命令時(shí)序，與數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路連接；所述步進(jìn)延時(shí)電路用于產(chǎn)生步進(jìn)延時(shí)；所述開(kāi)關(guān)切換電路用于選通對(duì)應(yīng)通道脈沖對(duì)，包括13個(gè)發(fā)射開(kāi)關(guān)和13個(gè)接收開(kāi)關(guān)；所述的步進(jìn)延時(shí)電路和開(kāi)關(guān)切換電路組合使用產(chǎn)生了13個(gè)接收脈沖和13個(gè)發(fā)射脈沖，形成24個(gè)收發(fā)脈沖對(duì)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述fpga主控單元13個(gè)接收脈沖連接13個(gè)接收天線，13個(gè)發(fā)送脈沖連接13個(gè)發(fā)射天線。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述fpga主控單元通過(guò)網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機(jī)，接收上位機(jī)的設(shè)置參數(shù)，并存儲(chǔ)于fpga的寄存器，設(shè)置參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、步進(jìn)延時(shí)量。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，產(chǎn)生的不同通道的收發(fā)脈沖對(duì)不處于同一時(shí)刻，可以控制不同通道天線在不同時(shí)間工作，避免天線間的相互干擾。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述雙頻天線陣列根據(jù)fpga主控單元產(chǎn)生的收發(fā)脈沖對(duì)，13個(gè)接收天線上產(chǎn)生24個(gè)回波信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集電路中。

8.一種權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，包括：上位機(jī)下發(fā)每個(gè)通道的設(shè)置參數(shù)給fpga主控單元，fpga主控單元根據(jù)采樣頻率得到采樣周期。首先將一個(gè)采樣周期平分為13個(gè)開(kāi)關(guān)周期，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)打開(kāi)一個(gè)發(fā)射開(kāi)關(guān)，其他發(fā)射開(kāi)關(guān)關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的接收開(kāi)關(guān)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)周期內(nèi)產(chǎn)生步進(jìn)延時(shí)數(shù)字量和數(shù)據(jù)采集使能時(shí)序。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射開(kāi)關(guān)其打開(kāi)順序?yàn)閗t1、kt4、kt7、kt10、kt113、kt2、kt5、kt8、kt11、kt3、kt6、kt9、kt12。

11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述接收開(kāi)關(guān)其打開(kāi)順序?yàn)閗r1、kr3&kr4、kr6&kr7、kr9&kr10、kr12&kr13、kr1&kr2、kr4&kr5、kr7&kr8、kr10&kr11、kr2&kr3、kr5&kr6、kr8、kr11&kr12。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種新型雙頻三維探地雷達(dá)采集系統(tǒng)及方法。包括：用于控制雙頻天線陣列的FPGA主控單元、用于收發(fā)雙頻雷達(dá)探測(cè)脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機(jī)和上位機(jī)。系統(tǒng)采用兩種頻率的天線陣列設(shè)計(jì)，集成度高，能夠高效地進(jìn)行大面積區(qū)域掃描，同時(shí)完成不同深度的結(jié)構(gòu)探測(cè)，具有不同的探測(cè)精度，測(cè)線間隔均勻，剖面數(shù)據(jù)一致性好，能夠充分保證成像及探測(cè)效果。本發(fā)明還提供了該新型雙頻三維探地雷達(dá)采集系統(tǒng)的控制方法。

技術(shù)研發(fā)人員：楊峰,方亮,劉瑞莉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19