用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置的制作方法

本实用新型涉及地质环境监测技术领域，特别是涉及一种用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置。

背景技术：

对于地质构造勘测和地下结构的探测而言，科研工作者发展了很多行之有效的地球物理勘测方法，如地震波勘测、电导率勘测、辐射计、红外温度探测等。由于地质本身构造复杂，地下埋设物体的数量、位置和外形特征不可预见，所以只有综合运用上述多种地球物理勘测技术并结合实际情况灵活选择才能提供一种较为理想的结果，而探地雷达技术作为一种采用电磁波探测的新型雷达探测技术，能对不可见目标进行非接触无损伤探测。

所谓探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)，是利用超高频脉冲电磁波探测目标地下介质的一种地球物理勘探方法，目标地下介质具体包括：地下水、基岩面、管道等。一般是将1Mz～1GHz的高频电磁波通过发射天线进行定向发送，当介质存在着电性差异时，会反射一部分电磁波，并由地面接收天线所接收，雷达主机对所收到的反射信号(波形、强度、电性和几何形态)信息进行处理，即可探测得到地下介质或目标体的结构、构造以及目标体的埋藏深度等。探地雷达接收到的信息通过模数转换处理后送到计算机，经过滤波、增益恢复等一系列数据处理后形成雷达探测图像，即雷达探测剖面。

探地雷达作为地质工程勘测的主要设备之一，在使用时通常都是安装在小推车上使用，主要由车架、车轮和推手三部分组成，体积庞大不易携带，在矿山地质环境监测野外作业时不方便使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置，具有体积小、重量轻、结构简单且方便携带的特点，尤其适合野外矿山地质环境监测使用。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置，所述便携式探地雷达数据采集装置包括：壳体、集成在所述壳体内部的数据采集装置、安装在所述壳体底部的收发天线装置和旋转折叠支架；

所述数据采集装置包括电源、中央处理器、发射机、接收机和数据传输装置；所述收发天线装置包括发射天线和接收天线；所述电源分别与所述中央处理器、所述发射机、所述接收机和所述数据传输装置连接；所述中央处理器分别与所述发射机、所述接收机和所述数据传输装置连接；所述发射机连接所述发射天线；所述接收机连接所述接收天线；所述中央处理器控制所述发射机通过所述发射天线发送电磁波信号，所述电磁波信号覆盖包含地质环境监测目标在内的监测区域；所述接收天线和所述接收机接收所述地质环境监测目标反射返回来的回波信号并将所述回波信号发送至所述中央处理器；所述中央处理器对所述回波信号进行去噪、A/D转换、滤波放大处理以及打包处理后，生成打包数据并通过所述数据传输装置发送至外部处理器。

可选的，所述壳体为圆柱形，采用高强度轻型钢材料制成。

可选的，所述收发天线装置包括环形支架和设置在所述环形支架上的五组收发天线阵列；所述环形支架固定在所述壳体底部，保证所述五组收发天线阵列的天线探头朝向地面；所述环形支架的圆心与所述壳体底部的圆心重合。

可选的，所述旋转折叠支架包括主旋转折叠支架和副旋转折叠支架；所述主旋转折叠支架与所述副旋转折叠支架结构相同；所述主旋转折叠支架包括第一连接杆、第一折叠支撑杆、第二折叠支撑杆、第一减震轮和第二减震轮；所述副旋转折叠支架包括第二连接杆、第三折叠支撑杆、第四折叠支撑杆、第三减震轮和第四减震轮；所述第一连接杆和所述第二连接杆平行设置在所述壳体底部，且所述第一连接杆和所述第二连接杆位于所述环形支架的内边缘包围区域内；所述第一折叠支撑杆的顶部和所述第二折叠支撑杆的顶部分别通过旋转轴承与所述第一连接杆连接；所述第一折叠支撑杆的底部连接所述第一减震轮。

可选的，所述第一折叠支撑杆为两段式折叠杆结构，包括第一折叠段和第二折叠段；所述第一折叠段顶部通过第一旋转紧固件与所述第一连接杆连接；所述第一折叠段底部通过第二旋转紧固件与所述第二折叠段的顶部连接；所述第二折叠段的底部连接所述第一减震轮；通过所述第二旋转紧固件调节所述第一折叠段与所述第二折叠段的第一折叠夹角，所述第一折叠夹角范围为0°-180°；所述第二折叠支撑杆、所述第三折叠支撑杆、所述第四折叠支撑杆与所述第一折叠支撑杆结构相同。

可选的，所述第一减震轮包括第一固定槽、安装在所述第一固定槽内的第一减震弹簧和第一万向轮；所述第一固定槽通过第三旋转紧固件固定在所述第二折叠段的底部；通过所述第三旋转紧固件调节所述第一固定槽与所述第二折叠段的第二折叠夹角，所述第二折叠夹角范围为0°-180°；所述第一万向轮顶部连接杆通过所述第一减震弹簧与所述第一固定槽连接；所述第二减震轮、所述第三减震轮、所述第四减震轮与所述第一减震轮结构相同。

可选的，所述五组所述收发天线阵列在所述环形支架上等间隔排布，相邻两组所述收发天线阵列之间的夹角均为72°；每组所述收发天线阵列包括圆柱形屏蔽壳、设置在所述圆柱形屏蔽壳内部的十字型支架以及设置在所述十字型支架上的五个喇叭型天线；所述五个喇叭型天线分别为第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线；其中位于所述十字型支架中心位置的所述第一天线为发射天线；所述第二天线、所述第三天线、所述第四天线和所述第五天线均为接收天线，所述第二天线、所述第三天线、所述第四天线和所述第五天线分别固定在所述十字型支架的末端，呈轴对称结构分布。

可选的，所述数据采集装置还包括显示器；所述显示器分别与所述中央处理器和所述电源连接；所述显示器设置在所述壳体顶部。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置，包括壳体、集成在所述壳体内部的数据采集装置、安装在所述壳体底部的收发天线装置和旋转折叠支架；所述数据采集装置包括电源、中央处理器、发射机、接收机和数据传输装置。通过在壳体内集成最基本的数据采集设备，实现地质环境监测目标区域内的电磁波信号采集，再通过所述数据传输装置传输至外部数据处理设备进行处理。本实用新型通过将数据采集设备和外部数据处理设备分离设置，最大程度简化了便携式探地雷达数据采集装置结构，减小了携带设备的体积和重量；所述旋转折叠支架可收纳在所述壳体底部，进一步精简了数据采集装置体积，便于矿山地质环境监测过程野外作业时携带使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的主旋转折叠支架的结构示意图；

图3为本实用新型提供的壳体底部的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置，能够有效提高数据采集的全面性。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型提供的用于矿山地质环境监测的便携式探地雷达数据采集装置的结构示意图。参见图1，一种便携式探地雷达数据采集装置，包括：壳体1、集成在所述壳体1内部的数据采集装置、安装在所述壳体1底部的收发天线装置和旋转折叠支架。

所述数据采集装置包括电源、中央处理器、发射机、接收机和数据传输装置。所述收发天线装置包括发射天线和接收天线。所述电源分别与所述中央处理器、所述发射机、所述接收机和所述数据传输装置连接。所述中央处理器分别与所述发射机、所述接收机和所述数据传输装置连接。所述发射机连接所述发射天线。所述接收机连接所述接收天线。所述中央处理器控制所述发射机通过所述发射天线发送电磁波信号，所述电磁波信号覆盖包含地质环境监测目标在内的监测区域。所述接收天线和所述接收机接收所述地质环境监测目标反射返回来的回波信号并将所述回波信号发送至所述中央处理器。所述中央处理器对所述回波信号进行去噪、A/D转换、滤波放大处理以及打包处理后，生成打包数据并通过所述数据传输装置发送至外部数据处理设备。所述外部数据处理设备可以为计算机、平板电脑。本实用新型通过将数据采集设备和外部数据处理设备分离设置，最大程度简化了便携式探地雷达数据采集装置结构，减小了携带设备的体积和重量。

所述壳体1为圆柱形，采用高强度轻型钢材料制成。所述旋转折叠支架包括主旋转折叠支架2和副旋转折叠支架3。所述主旋转折叠支架2与所述副旋转折叠支架3结构相同。下面以所述主旋转折叠支架2为例，介绍本实用新型旋转折叠支架(包括主旋转折叠支架2和副旋转折叠支架3)的结构。

图2为本实用新型提供的主旋转折叠支架的结构示意图。参见图1和图2，所述主旋转折叠支架2包括第一连接杆201、第一折叠支撑杆202、第二折叠支撑杆203、第一减震轮204和第二减震轮205。同样，所述副旋转折叠支架包括第二连接杆、第三折叠支撑杆、第四折叠支撑杆、第三减震轮和第四减震轮。

所述第一折叠支撑杆202为两段式折叠杆结构，包括第一折叠段2021和第二折叠段2022。所述第一折叠段2021顶部通过第一旋转紧固件2023与所述第一连接杆201连接。所述第一折叠段2021底部通过第二旋转紧固件2024与所述第二折叠段2022的顶部连接。所述第二折叠段2022的底部连接所述第一减震轮204。所述第一折叠段2021可绕所述第一旋转紧固件2023旋转，所述第二折叠段2022可绕所述第二旋转紧固件2024旋转。通过所述第二旋转紧固件2024调节所述第一折叠段2021与所述第二折叠段2022的第一折叠夹角α，所述第一折叠夹角α的范围为0°-180°。所述第二折叠支撑杆、所述第三折叠支撑杆、所述第四折叠支撑杆与所述第一折叠支撑杆结构相同。使用时，通过调松第一旋转紧固件2023调节所述第一折叠段2021的位置和角度，设置好后拧紧所述第一旋转紧固件2023固定所述第一折叠段2021的位置。同理，通过调松所述第二旋转紧固件2024调节所述第一折叠段2021与所述第二折叠段2022的第一折叠夹角，将所述第二折叠段2022调整至适宜位置后拧紧所述第二旋转紧固件2024，使用时所述第一折叠夹角优选为180°，此时主旋转折叠支架2稳定性最好。所述第二折叠支撑杆、所述第三折叠支撑杆、所述第四折叠支撑杆与所述第一折叠支撑杆的使用方法相同。通过对所述第一折叠支撑杆、所述第二折叠支撑杆、所述第三折叠支撑杆和所述第四折叠支撑杆的位置、角度调整，使得所述主旋转折叠支架2和所述副旋转折叠支架3能够支撑所述壳体1。当要携带所述便携式探地雷达数据采集装置长距离移动式，可通过调节所述第二旋转紧固件2024使所述第一折叠段2021与所述第二折叠段2022的第一折叠夹角为0°，即将所述第一折叠段2021与所述第二折叠段2022折叠在一起。再通过调节所述第一旋转紧固件2023将折叠后的所述第一折叠段2021与所述第二折叠段2022折叠至所述壳体1底部进行收纳，从而方便所述探地雷达数据采集装置的携带。

所述第一减震轮204包括第一固定槽2041、安装在所述第一固定槽内的第一减震弹簧2042和第一万向轮2043。所述第一固定槽2041通过第三旋转紧固件2044固定在所述第二折叠段2022的底部。通过所述第三旋转紧固件2044调节所述第一固定槽2041与所述第二折叠段2022的第二折叠夹角β，所述第二折叠夹角β的调节范围为0°-180°。因此也可以通过调节所述第三旋转紧固件2044对所述第一减震轮204进行折叠收纳。所述第一万向轮2043顶部连接杆通过所述第一减震弹簧2042与所述第一固定槽2041连接。所述第二减震轮、所述第三减震轮、所述第四减震轮与所述第一减震轮结构相同。本实用新型通过设置可折叠减震轮，进一步方便了所述探地雷达数据采集装置在支架展开时的移动和使用，并通过减震弹簧实现了有效的减震防护，防止探地雷达数据采集装置颠簸受损，延长了装置的使用寿命，特别适合野外地质环境监测使用。

图3为本实用新型提供的壳体底部的结构示意图。为了更方便的介绍壳体底部结构，图3中旋转折叠支架部分只示出了第一连接杆201和第二连接杆206，其余部分未示出。参见图3，所述收发天线装置安装在所述壳体1底部。所述收发天线装置包括环形支架301和设置在所述环形支架301上的五组收发天线阵列302。所述环形支架301固定在所述壳体1底部，保证所述五组收发天线阵列302的天线探头朝向地面以便检测地下环境。所述环形支架301的圆心与所述壳体1底部的圆心重合，即所述收发天线装置的中心与所述壳体1的底部平面中心重合。所述第一连接杆201和所述第二连接杆206平行设置在所述壳体1底部，且所述第一连接杆201和所述第二连接杆206位于所述环形支架301的内边缘包围区域内。所述第一折叠支撑杆202的顶部和所述第二折叠支撑杆203的顶部分别通过旋转轴承与所述第一连接杆201连接。当不需要支撑移动所述壳体1时，所述旋转折叠支架收纳在所述环形支架301的内边缘包围区域内。

所述五组所述收发天线阵列302在所述环形支架301上等间隔排布，相邻两组所述收发天线阵列302之间的夹角均为72°。每组所述收发天线阵列302包括圆柱形屏蔽壳3021、设置在所述圆柱形屏蔽壳3021内部的十字型支架3022以及设置在所述十字型支架3022上的五个喇叭型天线3023。所述五个喇叭型天线3023分别为第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线。其中位于所述十字型支架3022中心位置的所述第一天线为发射天线。所述第二天线、所述第三天线、所述第四天线和所述第五天线均为接收天线，所述第二天线、所述第三天线、所述第四天线和所述第五天线分别固定在所述十字型支架3022的末端，呈轴对称结构分布，能够保证每组所述收发天线阵列准确接收各个方向反射回的高频电磁波信号，提高四个接收天线接收高频电磁波的均匀性和全面性，使接收到的回波信号更加准确。相邻两个喇叭型接收天线之间的距离为6-12cm。且所述喇叭型天线的极化方向均与探测方向垂直。

为保证天线支撑装置的质量和强度，所述十字型3022支架采用高强度轻型钢材料。所述圆柱形屏蔽壳3021具体包括屏蔽层和保护层，所述保护层位于所述屏蔽层外部，由硅胶和环氧树脂符合材料制成，表面柔软、能减震防水、耐磨防潮，可以避免外界强烈电场对内部收发天线阵列的击穿和损耗。每组收发天线阵列的所述屏蔽层用于屏蔽其他组收发天线阵列的互耦影响。所述收发天线装置通过五组收发天线阵列302进行五通道数据采集，能够遍布较宽的检测范围，根据五组收发天线阵列的不同位置，可以利用延时叠加求和进行三维目标模型反演，重建地址环境监测目标的三维结构。同时，各组收发阵列天线中，各收发天线之间的线采样间隔为6-12cm，较高的阵列密度不但增加了雷达天线探测到目标的概率，而且提高了最终的三维成像效果和数据质量。

在实际应用中，所述数据采集装置还包括显示器。所述显示器分别与所述中央处理器和所述电源连接；所述显示器设置在所述壳体1顶部。

在实际应用中，所述数据采集装置还包括定位装置。所述定位装置与所述中央处理器连接，所述定位装置为北斗卫星导航定位模块或GPS卫星导航模块或二者的组合，用于采集所述地质环境监测目标的位置信息并发送至所述中央处理器。从而所述外部数据处理设备可以根据接收机采集的回波信号确定所述地质环境监测目标的距离，再结合所述位置信息实时生成所述地质环境监测目标的空间坐标信息并存储，还可以进一步根据所述空间坐标信息生成所述地质环境监测目标的三维空间图像。

所述发射天线和所述接收天线为双稳态天线(发射天线和接收天线独立工作)。具体的，所述发射天线为地表耦合探地雷达天线；所述接收天线为空气耦合探地雷达天线，采用4-16ns的雷达脉冲机制，工作频段300MHz至2GHz。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。