一种冰水情一体化探测雷达系统 |
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| 申请号 | CN201610763599.3 | 申请日 | 2016-08-30 | 公开(公告)号 | CN106353754A | 公开(公告)日 | 2017-01-25 |
| 申请人 | 中国水利水电科学研究院; | 发明人 | 刘之平; 郭新蕾; 付辉; 刘立鹏; 郭永鑫; 王涛; 杨开林; 夏庆福; 崔海涛; 李甲振; 黄伟; 马慧敏; 徐海卿; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 冰 水 情一体化探测雷达系统，包括：甚高频和特高频的组合天线，组合天线与甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置连接，甚高频发射接收装置和特高频发射接收装置与控制装置连接，控制装置通过数据传输装置与主机连接，主机通过连接装置与卫星 定位 装置连接。本发明采用双频设计，快速并连续的测量出测线下方冰层厚度和水深，可以快速、精确、高效的对冰层和冰层下的水深进行测量，所述的探测雷达替代了原人工测量，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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种冰水情一体化探测雷达系统，其特征在于，包括：甚高频和特高频的组合天线，所述的组合天线与甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置连接，所述的甚高频发射接收装置和特高频发射接收装置与控制装置连接，所述控制装置通过数据传输装置与主机连接，所述的主机通过连接装置与卫星定位装置连接。 |
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| 说明书全文 | 一种冰水情一体化探测雷达系统技术领域背景技术[0002] 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。利用雷达可以探测冰层和水体的厚度，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。由于冰层和水是不同的传播媒介，电磁波在两种物质中的传播路径和场强等参数并不相同，必须使用不同频率的雷达进行测量才能取得满意的效果。现有的雷达系统往往只能单一的探测冰层或水层，无法同时对结冰河流等水体同时进行冰层和水深的探测，这对于需要同时测量冰层厚度和水深的大面积测量工作，产生了很大的负担，其测量过程也不够精确。 发明内容[0003] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种冰水情一体化探测雷达系统，所述的雷达系统将两种不同探测频率的雷达结合在一起，形成同时可以探测冰层和冰层下水深的一体化雷达系统，大大简化了探测过程。 [0004] 本发明的目的是这样实现的：一种冰水情一体化探测雷达系统，包括：甚高频和特高频的组合天线，所述的组合天线与甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置连接，所述的甚高频发射接收装置和特高频发射接收装置与控制装置连接，所述控制装置通过数据传输装置与主机连接，所述的主机通过连接装置与卫星定位装置连接。 [0005] 进一步的，所述的甚高频发射接收装置的工作频率为100MHz，所述的特高频发射接收装置的工作频率为1.5GHz。 [0006] 进一步的，所述的组合天线为一矩形盒子，所述的矩形盒子中央设置一道挡板，所述挡板的两侧分别为甚高频发射端和甚高频接收端，所述挡板的中间位置两侧相互对应的设置两个小盒子，分别为特高频发射端和特高频接收端。 [0008] 进一步的，所述的卫星定位装置是基于GPS的RTK。 [0009] 进一步的，所述组合天线、甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置、卫星定位装置安装在带有四个轮子的小车中，所述的小车设有推车支架，所述的推车支架上安装主机。 [0010] 进一步的，所述的控制装置和主机中设有如下子装置：参数设置子装置：用于进行测量参数设置，所述的测量参数包括：包括采样频率、采样点数、介电常数、探测方式、道间距； 数据采集子装置：用于带动雷达系统的小车在冰层上沿测线均匀移动，通过两个不同频率的雷达轮番工作，采集冰层及水深数据，以及通过卫星定位装置实时采集地理坐标信息； 信号预处理子装置：用于对采集后的数据，采用等效数字接收技术，把多次采样得到一组信号拼接形成一个完整周期信号，复现原信号在时域中展宽的波形，同时加入多种可选滤波算法滤除高频干扰信号，信号预处理后将数据传输至主机。 [0011] 数据存储子装置：用于将雷达采集的数据与地理坐标信息关联，并进行数据存储；冰层水深厚度层位追踪子装置：用于对数据编辑和增益处理，对深层返回的微弱回波信号进行增强，之后对冰层水深厚度层位追踪，追踪包括：选取前一道雷达数据作为参考，并根据指定的反射层起始位置和相关时间窗对当前道和参考道进行相关计算： 得到当前道对应于参考道测量层位反射信号的时间偏移量，从而得出当前道层位反射信号在时间轴上的位置，应用相关算法到每一道数据上。本子装置通过网口送上来的采集数据，根据工程命名规则进行存储，以及卫星定位装置传送过来的实时地理坐标信息，地理坐标信息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。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，如果测线剖面上信号幅度变化较大，还需要对信号幅度进行归一化处理； 在软件中采用背景噪声去除功能，可以去除背景噪声。 [0013] 进一步的，所述的主机中还设有语音播报子装置。 [0014] 进一步的，所述的主机中还设有报表分析子装置。 [0015] 本发明产生的有益效果是：本发明采用双频设计，快速并连续的测量出测线下方冰层厚度和水深，可以快速、精确、高效的对冰层和冰层下的水深进行测量，所述的探测雷达替代了原人工测量，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。附图说明 [0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 [0017] 图1是本发明的实施例一所述探测雷达系统的原理示意图；图2是本发明的实施例三所述组合天线结构示意图； 图3是本发明的实施例六所述小车结构示意图。 具体实施方式[0018] 实施例一：本实施例是一种冰水情一体化探测雷达系统，如图1所示。本实施例包括：甚高频和特高频的组合天线，所述的组合天线与甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置连接，所述的甚高频发射接收装置和特高频发射接收装置与控制装置连接，所述控制装置通过数据传输装置与主机连接，所述的主机通过连接装置与卫星定位装置连接。 [0019] 使用雷达进行地下目标探测时，分辨率和探测深度存在矛盾，用工作频率低的雷达探测深度较大，但分辨率不够，用工作频率高的雷达可得到较好的分辨率，但探测深度又不理想，因此，雷达工作频率的选择需要综合考虑探测的需求。为此，本实施例所述雷达系统使用双频工作模式，即设置两套不同频率的发射接收装置，甚高频和特高频结合的方式，中心工作频率可以选择为1.5GHz和100MHz。特高频1.5GHz的工作频率用于河流冰层厚度的快速检测，甚高频100MHz的工作频率用于冰下河流水深和河床地形地貌的探测，以此获得满意的效果。 [0020] 组合天线是一种可以同时发射并接收两种频率电磁波的天线装置。组合天线的形式可以如传统的锅盖形，为适应对冰层和水深的探测，也可以使用其他的形状的天线，如方盒形。 [0021] 主机作为人机交互和数据管理平台，实现多种传感器数据的采集、存储、显示和管理。主机是具有数字存储和运算能力的电子数字设备，主机可以为工业级笔记本电脑，接收雷达上传数据，进行处理并显示，同时显示双天线雷达数据。主机也可以是其他类型的通用计算机。 [0022] 控制装置是双频雷达的控制核心，在雷达工作过程中产生一些关键的时序信号，如发射触发信号与接收触发信号。通过控制发射触发信号与接收触发信号之间的时间步进，实现等效采样，时序控制信号的抖动直接决定了雷达回波信号的重构质量，需要时稳定时序控制、估测时间抖动和控制测量误差。控制装置的核心部件可以采用FPGA，或其他类型的处理芯片。 [0023] 雷达主控板为系统工作控制中枢，产生发射触发信号，给各雷达天线模块，控制雷达天线工作。同时，接收各雷达天线模块传输的回波信号，进行数据采集，将采集数据传输给主机。为保证两个不同频率的发射接收装置之间不产生信号干扰，有序协同工作，某一时刻只有一个发射接收装置处于工作状态，另一个发射接收装置处于空闲状态，以避免干扰。 [0024] 本实施例采用卫星定位装置对采集冰层和水深的数据进行位置定位。卫星定位装置可以北斗定位系统，也可以GPS定位系统。 [0025] 所述的数据传输装置可以是网络，如果传输距离较近，可以使用接口电路。网络可以采用TCP或UDP协议。 [0026] 所述的连接装置可以是网络也可以是接口电路，如RS323等。 [0027] 可以将整套系统整合在一起，如做成一个小车，方便在野外对冰层进行探测。 [0028] 实施例二：本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于发射接收装置的细化。本实施例所述的甚高频发射接收装置的工作频率为100MHz，所述的特高频发射接收装置的工作频率为 1.5GHz。 [0029] 主机接收到控制装置传输的两个工作频率的雷达数据，需要对两频率的数据进行综合处理，以形成冰厚水深综合探测图。雷达系统中1500MHz发射接收装置用于探测冰厚，根据冰层的雷达回波延迟和冰的介电特性能够准确计算冰厚。100MHz发射接收装置用于探测水深，但电磁波传播过程中首先经过冰层，为精确计算水深，需将冰层的回波延迟去掉。本实施例利用1500MHz发射接收装置探测结果。假设1500MHz雷达探测冰厚回波延迟为 ， 100MHz雷达探测水深回波延迟为 ，冰厚 和水深 的计算方法分别如式（1）和式（2）所示 （1） （2） 其中，表示光速； 和 分别表示冰的介电常数和水的介电常数。 [0030] 分析上述公式可见，式（1）中根据1500MHz雷达探测回波时延计算冰厚，1500MHz雷达探测精度较高，能够获得精确的冰厚数据。式（2）中将100MHz雷达水与河床分界面的回波时延减去1500MHz雷达冰与水分界面的回波时延，得到精确的水深数据。得到的冰厚和水深数据描绘在一张图上，便可获得冰厚和水深综合分布图。 [0031] 针对冰厚和水深综合探测的特点，冰层厚度和水体深度的变化是连续的，在时间上表现为相邻道号数据具有振幅稳定性、渐变性，本实施例采用相关层位追踪算法，通过分析回波的相关性来实现层位的连续跟踪和测量。以冰厚连续跟踪为例说明：首先根据雷达探测冰厚数据，从中截取一段冰层下表面反射回波，设定冰厚检测参考信号 ，对新采集的数据 做互相关处理： （3） 根据 的最大值即可确定冰层位置。在相邻的探地雷达扫描数据中，同一层界面反射信号的时延、波形等特征都是相近的，具有较好的相关性，只要能够定量分析出这种相关性便可实现冰厚和水深层位的实时追踪测量。在进行相关层位追踪前需要指定层位追踪的参数，这些参数主要包括追踪起始位置、相关时间窗等。相关时间窗表示相关计算的数据长度。 [0032] 进行综合测试时，首先选取一道雷达数据作为参考，并根据指定的反射层起始位置和相关时间窗对当前道和参考道进行相关计算，得到当前道对应于参考道测量层位反射信号的时间偏移量，从而可以得出当前道层位反射信号在时间轴上的位置，最后连接这些位置即可得到连续的冰层厚度和水体深度结果的曲线。 [0033] 实施例三：本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于组合天线的细化。本实施例所述的组合天线为一矩形盒子，所述的矩形盒子中央设置一道挡板1，所述挡板的两侧分别为甚高频发射端2和甚高频接收端3，所述挡板的中间位置两侧相互对应的位置设置两个小盒子，分别为特高频发射端4和特高频接收端5，如图2所示。 [0034] 本实施例所述的组合天线的形状基本为方盒，整体为金属制造，中间的挡板使用非金属。这种形式的天线适合探测地下的目标。 [0035] 探地雷达一般采用蝶形天线，天线频率越低，尺寸越大。探测冰厚和水深所采用的高、低频天线，频率相差较大，低频天线尺寸远大于高频天线尺寸。为实现双频天线对同一地点进行探测，本实施例设计天线结构如如2所示，将高频1500MHz天线置于100MHz天线中央，即100MHz天线和1500MHz天线探测中心点重合。雷达探测过程中，100MHz天线和1500MHz天线交替工作，实现对同一观测点探测。 [0036] 实施例四：本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于数据传输装置和连接装置的细化。 本实施例所述的数据传输装置是协议为PCT或UDP的网络；所述的连接装置是RS232接口。 [0038] 实施例五：本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于卫星定位装置的细化。本实施例所述的卫星定位装置是基于GPS的RTK。 [0039] 冰面上的大范围移动测量缺少参照点，因此，本实施例可以采用高精度的RTK定位方式，实时采集雷达系统的经纬度坐标信息，再结合GIS系统来实现测量轨迹在冰面上的准确定位。RTK定位系统的另一个用途是通过GPS坐标变化来设置采样间距，这样可根据不同的冰情测量需要在系统中进行设置，如长距离大范围冰情调查的测量间距可设为1m一个采样点，短距离精细化测量的测量间距可设为5cm一个采样点，克服传统的测距轮不能改变测量间距的问题。 [0040] 实施例六：本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于整套系统的细化。本实施例所述组合天线、甚高频发射接收装置、特高频发射接收装置、卫星定位装置安装在带有四个轮子的小车6中，所述的小车设有推车支架7，所述的推车支架上安装主机8，如图3所示。 [0041] 本实施例将整套系统整合为一个推车。整套系统由以下几部分组成，将组合天线、两套接收发射装置、卫星定位装置，以及电源整（主要是蓄电池和充电装置）合为一个箱体，箱体上安装车轮和推车支架，以方便推（拖）动。在推车支架安装主机，通过网络电缆主机与箱体中设备连接起来。 [0042] 实施例七：本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于控制装置和主机的细化。本实施例所述的控制装置和主机中设有如下子装置： 参数设置子装置：用于进行测量参数设置，所述的测量参数包括：包括采样频率、采样点数、介电常数、探测方式、道间距。雷达系统开机上电后，首先进行初始化，加载冰厚水深探测软件，配置网口通信的IP地址和端口；主控板上FPGA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，并自动发送沟通信息进行设备间的自检与互检。上电初始化完成后，利用本子装置催工作参数进行设置，设置参数利用网口传递给主控板，控制命令包括采样频率、采样点数、介电常数、探测方式、道间距等。 [0043] 数据采集子装置：用于带动双频双通道雷达在冰层上沿测线均匀移动，通过雷达采集冰层及水深数据，以及通过卫星定位装置实时采集地理坐标信息。载有雷达系统的小车，在冰层上由人力或机械推动沿测线进行移动，根据设置的参数确定等间隔的发射双频雷达脉冲信号。测线可以是纵横坐标式的也可以是极坐标式的。在发射的同时，对雷达脉冲回波信号进行接收，雷达天线和主控板采用分体设计并在雷达接收机中加入时变增益放大器，即避免了回波模拟信号对主控板的干扰，也可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。 [0044] 信号预处理子装置：用于对采集后的数据，采用等效数字接收技术，把多次采样得到一组信号拼接形成一个完整周期信号，复现原信号在时域中展宽的波形，同时加入多种可选滤波算法滤除高频干扰信号，信号预处理后将数据传输至主机。 [0045] 数据存储子装置：用于数据处理和显示装置将雷达采集的数据与地理坐标信息关联，并进行数据存储。本子装置通过网口送上来的雷达所采集的数据，根据工程命名规则进行存储，以及卫星定位装置传送过来的实时地理坐标信息，地理坐标信息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。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，如果测线剖面上信号幅度变化较大，还需要对信号幅度进行归一化处理；在软件中采用背景噪声去除功能，可以去除背景噪声。数据编辑和增益处理：由于冰水介质对雷达波的吸收和传播过程中的损耗，雷达回波信号会产生衰减，深度越大，能量衰减越大，这就会导致对深层目标探测的判读产生困难，利用相应的软件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。 [0046] 冰层水深厚度层位追踪子装置：用于数据处理和显示装置首先对数据编辑和增益处理，对深层返回的微弱回波信号进行增强，之后对冰层水深厚度层位追踪，追踪包括：选取前一道雷达数据作为参考，并根据指定的反射层起始位置和相关时间窗对当前道和参考道进行相关计算： 得到当前道对应于参考道测量层位反射信号的时间偏移量，从而得出当前道层位反射信号在时间轴上的位置，应用相关算法到每一道数据上。 [0047] 获得曲线并输出子装置：用于数据处理和显示装置连接各个道层位反射信号在时间轴上的位置得到连续的冰层厚度和水体深度结果的实时曲线，通过数据处理和显示装置的显示器显示输出的实时曲线。图像显示输出：可以向操作者直观提供探测处理结果，由于所述的雷达系统针对冰层厚度和水深探测开发，冰水介质相对比较纯净，通过双频双天线采集回的数据进行融合处理，再根据两种介质具有不同的介电常数的特性，在软件中进行处理直接得到冰层和水深的彩色图像，通过界面显示出来冰层和水深的直观图像，也可以通过软件进行色阶调整，显示灰度图像，RGB图像，伪彩图等多种显示方式，利于在不同情况下观察图像数据。 [0048] 实施例八：本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于主机的细化。本实施例所述的主机中还设有语音播报子装置。 [0049] 为了适应冰厚水深测量的作业特点，本实施例中可以加入数据定位和智能语音播报功能，数据定位功能在显控终端上显示当前地理坐标位置，可以直观告诉操作者当前测量位置，并在后期分析处理数据时能形成完整的测线地理信息和测量数据的结合图像。另外雷达可以实时处理得到的冰层厚度和水深，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，为水文测量的野外操作提供了非常便利实用的实时观察功能。 [0050] 实施例九：本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于主机的细化。本实施例所述的主机中还设有报表分析子装置。 [0051] 本实施例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。 [0052] 最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如雷达类型的选取、各个连接关系等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 |
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