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

背景技術：

1、探地雷達作為一種公認的無損檢測工具，已廣泛應用于公路損傷檢測，可有效檢測沉降、疏松、脫空、富水、空洞等病害。三維探地雷達技術優(yōu)勢明顯：可采集到高密度、無縫拼接的海量雷達數(shù)據(jù)，不會造成地下信息的缺失；真三維采集；可使地下目標體成像清晰、準確，其三維數(shù)據(jù)體可實現(xiàn)任意深度水平切片展示。

2、目前多種用于公路損傷檢測的三維探地雷達系統(tǒng)所配備的天線陣列都只是單一頻率。對于公路探測領域的路基厚度及路基內部缺陷檢測，既要滿足高精度分辨率要求，也要滿足探測深度的要求，此時需要使用不同頻率天線更換相應頻率的天線陣對探測區(qū)域重復掃描，探測速度慢，效率較低，測線難于控制，不利于目標成像，并且不同頻率天線陣測量的三維數(shù)據(jù)對比處理困難。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，采用兩種頻率的天線陣列設計，可同時完成不同深度的結構探測，探測精度高，測線間隔均勻，剖面數(shù)據(jù)一致性好，能夠充分保證成像及探測效果。

2、本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：一種新型雙頻三維探地雷達數(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)雙頻雷達探測脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機和上位機；

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、延時步進電路、開關切換電路；

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，每個發(fā)射天線和鄰近接收天線組合成探地雷達通道，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，包括四個單片機模塊組；

6、所述的以太網(wǎng)交換機作為數(shù)據(jù)通信中轉站，用網(wǎng)線分別與上位機、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主控單元進行參數(shù)設置和采集狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)成像與存儲。

8、所述單片機模塊包括通信電路、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單片機發(fā)送6通道雙頻天線陣列回波數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機連接；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)采集電路用于對回波信號進行采樣，每個單片機模塊連接6通道回波信號。

9、所述fpga主控單元通信電路用于接收上位機的設置參數(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)采集使能時序和數(shù)據(jù)發(fā)送命令時序，與數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路連接；所述步進延時電路用于產(chǎn)生步進延時；所述開關切換電路用于選通對應通道脈沖對，包括13個發(fā)射開關和13個接收開關；所述的步進延時電路和開關切換電路組合使用產(chǎn)生了13個接收脈沖和13個發(fā)射脈沖，形成24個收發(fā)脈沖對。

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

11、所述fpga主控單元通過網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機，接收上位機的設置參數(shù)，并存儲于fpga的寄存器，設置參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點數(shù)、步進延時量。

12、產(chǎn)生的不同通道的收發(fā)脈沖對不處于同一時刻，可以控制不同通道天線在不同時間工作，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，13個接收天線上產(chǎn)生24個回波信號傳輸?shù)綄獑纹瑱C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數(shù)據(jù)采集，包括：上位機下發(fā)每個通道的設置參數(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。首先將一個采樣周期平分為13個開關周期，在每個開關周期內打開一個發(fā)射開關，其他發(fā)射開關關閉，同時打開對應的接收開關。

15、所述開關周期內產(chǎn)生步進延時數(shù)字量和數(shù)據(jù)采集使能時序。

16、所述發(fā)射開關其打開順序為kt1、kt4、kt7、kt10、kt113、kt2、kt5、kt8、kt11、kt3、kt6、kt9、kt12。

17、所述接收開關其打開順序為kr1、kr3&kr4、kr6&kr7、kr9&kr10、kr12&kr13、kr1&kr2、kr4&kr5、kr7&kr8、kr10&kr11、kr2&kr3、kr5&kr6、kr8、kr11&kr12。

技術特征：

1.一種新型雙頻三維探地雷達數(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)雙頻雷達探測脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機和上位機；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、延時步進電路、開關切換電路；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，每個發(fā)射天線和鄰近接收天線組合成探地雷達通道，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，包括四個單片機模塊組；所述的以太網(wǎng)交換機作為數(shù)據(jù)通信中轉站，用網(wǎng)線分別與上位機、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主控單元進行參數(shù)設置和采集狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)成像與存儲。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機模塊包括通信電路、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單片機發(fā)送6通道雙頻天線陣列回波數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線與以太網(wǎng)交換機連接；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)采集電路用于對回波信號進行采樣，每個單片機模塊連接6通道回波信號。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(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的設置參數(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)采集使能時序和數(shù)據(jù)發(fā)送命令時序，與數(shù)據(jù)采集使能與控制讀取電路連接；所述步進延時電路用于產(chǎn)生步進延時；所述開關切換電路用于選通對應通道脈沖對，包括13個發(fā)射開關和13個接收開關；所述的步進延時電路和開關切換電路組合使用產(chǎn)生了13個接收脈沖和13個發(fā)射脈沖，形成24個收發(fā)脈沖對。

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

5.根據(jù)權利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述fpga主控單元通過網(wǎng)線連接到以太網(wǎng)交換機，接收上位機的設置參數(shù)，并存儲于fpga的寄存器，設置參數(shù)包括：采樣頻率、采樣點數(shù)、步進延時量。

6.根據(jù)權利要求3所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(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)脈沖對不處于同一時刻，可以控制不同通道天線在不同時間工作，避免天線間的相互干擾。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(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，13個接收天線上產(chǎn)生24個回波信號傳輸?shù)綄獑纹瑱C的數(shù)據(jù)采集電路中。

8.一種權利要求1-7任一項所述的新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，包括：上位機下發(fā)每個通道的設置參數(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。首先將一個采樣周期平分為13個開關周期，在每個開關周期內打開一個發(fā)射開關，其他發(fā)射開關關閉，同時打開對應的接收開關。

9.根據(jù)權利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述開關周期內產(chǎn)生步進延時數(shù)字量和數(shù)據(jù)采集使能時序。

10.根據(jù)權利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射開關其打開順序為kt1、kt4、kt7、kt10、kt113、kt2、kt5、kt8、kt11、kt3、kt6、kt9、kt12。

11.根據(jù)權利要求8所述的一種新型雙頻三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述接收開關其打開順序為kr1、kr3&kr4、kr6&kr7、kr9&kr10、kr12&kr13、kr1&kr2、kr4&kr5、kr7&kr8、kr10&kr11、kr2&kr3、kr5&kr6、kr8、kr11&kr12。

技術總結
本發(fā)明提供了一種新型雙頻三維探地雷達采集系統(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)雙頻雷達探測脈沖的雙頻天線陣列、數(shù)據(jù)采集單元、以太網(wǎng)交換機和上位機。系統(tǒng)采用兩種頻率的天線陣列設計，集成度高，能夠高效地進行大面積區(qū)域掃描，同時完成不同深度的結構探測，具有不同的探測精度，測線間隔均勻，剖面數(shù)據(jù)一致性好，能夠充分保證成像及探測效果。本發(fā)明還提供了該新型雙頻三維探地雷達采集系統(tǒng)的控制方法。

技術研發(fā)人員：楊峰,方亮,劉瑞莉
受保護的技術使用者：中國礦業(yè)大學（北京）
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19