地雷识别探测系统的制作方法

本实用新型涉及一种用于雷场探测的探测系统，特别是一种地雷识别探测系统。

背景技术：

地雷是一种爆炸性武器，一般布设在地面下或地面上，用于构成障碍物、阻止敌方行动、杀伤有生力量和破坏其技术装备。自第二次世界大战以来，敌对双方在地下埋藏的大量地雷，给和平时期的平民带来极大的威胁；各国虽然为扫除战后遗留的地雷问题，投入了大量的人力、物力和财力，然而效果甚微，地雷伤人、致残致死的惨痛事件时有发生。从联合国扫雷数据库中显示的数据可知，由于连年战争和战乱，有64个国家尚有约1亿枚地雷未被排除，每年造成约2.5万人员伤亡，严重阻碍了这些国家的经济发展和战争难民返回家园；每年因新的局部战争又有约一百万枚地雷被投入使用，地雷危害非常严重。因此有效的解决地雷探测问题已经成为国际社会十分关注的热点难点问题，特别是战后的排雷工作，对探雷技术提出了更高的要求，这是因为人们对排雷操作人员伤亡的心理承受能力远比战时要低得多，既不能漏报，又不能虚警太多，综上所述，无论是现代战争还是战后扫雷中，地雷探测都占有十分重要的地位。

传统清除地雷的方法是用军犬嗅探和人工刺探，显然前者很不可靠，后者是极端冒险。后来人们又研究了多种较为先进的探雷和排雷技术，如金属探测器、红外成像、x射线探测、电波和超声波探测等，但是这些方法各自有一些限制和缺陷，如探测有遗漏或假信号、探测速度慢、探测面积小和设备笨重等。以常见的金属探测器为例，它在相当长一段时间被认为是探查埋藏地雷的唯一装置，具有较高的可用度和精度，但效率较低；战场地带通常存在大量的武器弹药爆炸后的碎片，这些金属碎片都会触发金属探测器报警，从而需要进一步的人工排查，这就造成了金属探测器的探雷虚警率较高，使排雷速度明显下降；金属探测器的另一缺陷是不能探测非金属地雷，现代地雷的发展趋势就是尽可能地减少其所含的金属成分，特别是小型反步兵地雷，更是具有体积小、金属含量低的特点。

探雷技术自第二次世界大战以来得到了长足的进步，探雷技术也从单兵探雷器向车载、机载探雷系统发展，但现有探雷设备仍不能满足目前探雷的要求。因此利用现代高新技术，开发新型探雷技术和设备是很多技术领域都十分关注的问题。近年来，超宽带探地雷达被提出来作为解决探雷问题的一种有效途径；和金属探测器不同，探地雷达不仅能检测含有金属成分的目标，而且能够对雷达照射区内介电常数的任何不连续性起反应，这样在信噪比足够高的条件下，由任何与包围地雷的土壤不同的材料制造的地雷都有可能被检测出来。同时由于超宽带雷达所具有的高分辨率特性，可以利用雷达回波信号中包含的目标信息进行目标分类，这样可以有效地降低虚警概率。对于浅层埋藏的塑性地雷，由于地面反射杂波往往比有用目标信号强得多，而地杂波在到达时间上与目标信号相重叠，它们很难被探地雷达检测到，从雷达回波信号中滤除很强的地表杂波，对于后续的合成孔径雷达成像非常关键。

针对前述方法都是采用单参量的探测方式，其探测结果存在不确定性；同时由于过程逐点进行，无法避免时空差异导致的探测数据奇异性变化；专利（cn110554437a2019.12.10）中公开了一种由1个探测控制主机与i个具有飞行功能、多源信息探测功能的探测分机si组成的雷场多源信息同步探测系统，取得了“克服了传统单参量探测的不确定性，同时有效避免时空差异对探测数据的影响，提高雷场探测的准确性、可靠性”的有益效果。但是，cn110554437a公开的探测系统只能确定雷场及其可疑区域，确定不了雷场中地雷存在的准确位置，不利于后期排雷工作的开展；因此，在cn110554437a的基础上研发一种能确定雷场中地雷存在位置的探测系统具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本实用新型公开了一种地雷识别探测系统。

本实用新型的技术方案是：一种地雷识别探测系统，由1个地面控制主机、1个低空探测长机与6个低空探测僚机组成，地面控制主机设置在探测区域200m以外的安全位置，低空探测长机、低空探测僚机在地面控制主机的控制下编队低空飞行以完成地面控制主机规划的雷场疑似目标探测任务；在探测过程中，地面控制主机根据雷场疑似目标区域地形规划航线后向低空探测长机发送飞行与同步探测指令并控制其按规划航线飞行，低空探测僚机执行低空探测长机的命令并保持在编队中规定的位置跟随低空探测长机飞行；低空探测长机在接收到地面控制主机的同步探测指令后通过其与各低空探测僚机之间以uwb方式形成的wsn向各低空探测僚机发送带时间戳的同步探测命令，接着低空探测长机通过90^o定向天线向地面发射脉冲电磁波或uwb雷达波，然后低空探测长机与低空探测僚机一起在规定的时间戳开始同步采集脉冲电磁波或uwb雷达波的回波，以实现脉冲电磁感应、uwb雷达同步探测；低空探测长机、低空探测僚机均采用波束角为90^o的定向天线，其飞行高度大于探测区域地表植被的最大高度并等于地面投影圆半径，低空探测长机位于地面投影圆的圆心，6个低空探测僚机均匀分布在地面投影圆的圆周上，以保证在地面投影圆范围内可以用1个低空探测长机和至少2个低空探测僚机的脉冲电磁感应、uwb雷达探测信息来对雷场疑似目标进行识别，提高地雷探测的准确性、可靠性和安全性。

在本实用新型中，所述地面控制主机由便携式军用pc机、e50-ttl-500模块、rtk-gps基站模块三部分组成，便携式军用pc机通过sci1接口与e50-ttl-500模块连接、通过sci2接口与rtk-gps基站模块连接，e50-ttl-500模块用于低空探测长机进行无线通信以实现对低空探测长机与低空探测僚机组成编队的飞行控制和向低空探测长机发送同步探测指令，rtk-gps基站模块用于与低空探测长机、低空探测僚机内的gps从站模块组成rtk定位系统以实现对低空探测长机、低空探测僚机的准确定位；便携式军用pc机用于探测区域的航线规划、rtk-gps定位控制、编队飞行控制、同步探测控制、接收探测数据并进行雷场疑似目标识别。

在本实用新型中，所述低空探测长机是一个外置90^o定向天线的小型无人飞行器，由探测cpu、高速adc、用于根据地面控制主机发送的飞行控制指令对低空探测长机飞行过程实时监控的飞行控制器、用于与地面控制主机通信的e50-ttl-500模块、用于获取实时位置信息的gps从站模块、用于与各低空探测僚机组成wsn网络的uwb模块、用于发射脉冲电磁波或uwb雷达波的uwb&脉冲电磁波发射模块、用于调理外置90^o定向天线接收回波信号的信号接收与调理模块、用于改变发射或接收状态的信号切换开关组成；当低空探测长机通过e50-ttl-500模块接收到地面控制主机发送的飞行控制指令后，则由飞行控制器根据飞行控制指令控制小型无人飞行器开始飞行并通过其探测cpu、uwb模块向各低空探测僚机发送编队飞行控制命令以实现编队的整体飞行控制，如接收到的是同步探测指令则通过飞行控制器传送给探测cpu，探测cpu通过uwb模块向各低空探测僚机发送带时间戳的同步探测命令并同时通过uwb&脉冲电磁波发射模块、信号切换开关、90^o定向天线放射脉冲电磁波或uwb雷达波，接着通过90^o定向天线、信号切换开关、信号接收与调理模块接收回波信号并与向各低空探测僚机一起在规定的时间戳开始同步采集该回波信号；每次探测完成后低空探测长机的探测cpu对探测信息进行预处理后读取各低空探测僚机的探测预处理结果，通过飞行控制器、e50-ttl-500模块发送到地面控制主机。

在本实用新型中，所述低空探测僚机是一个外置90^o定向天线的小型无人飞行器，由探测cpu、高速adc、用于根据低空探测长机发送的编队飞行控制命令对低空探测僚机飞行过程实时监控的飞行控制器、用于获取实时位置信息的gps从站模块、用于与低空探测僚机及其它低空探测僚机组成wsn网络的uwb模块、用于调理外置90^o定向天线接收回波信号的信号接收与调理模块组成；当低空探测僚机通过uwb模块接收到低空探测长机发送的编队飞行控制命令，则传送给其飞行控制器并控制小型无人飞行器开始飞行，如接收到的是带时间戳的同步探测命令，则在探测cpu的控制下通过90^o定向天线、信号接收与调理模块接收回波信号并在规定的时间戳开始同步采集该回波信号。

在本实用新型中，所述90^o定向天线按照比例变换原理设计成渐变槽线结构的、尺寸为85mm×100mm的平面行波天线，虽然天线尺寸不是理论上的无限模式，但其渐变结构使天线末端电流很小，则对天线辐射的影响也就很小；该天线具有端射特性、宽带宽、线性极化、高增益和90^o定向辐射的特点。

本实用新型的有益效果是：系统对雷场疑似目标区域采用低空飞行探测器进行非接触的、多覆盖的脉冲电磁感应、uwb雷达同步探测，既克服了传统单参量探测的不确定性、避免时空差异对探测数据的影响，同时有效提高地雷探测的准确性、可靠性和安全性。

附图说明

图1是本实用新型地雷识别探测系统结构图；

图2是本实用新型探测有效范围示意图；

图3是本实用新型地面控制主机实施例的结构框图；

图4是本实用新型低空探测长机实施例的结构框图；

图5是本实用新型低空探测僚机实施例的结构框图；

图6是本实用新型90^o定向天线实施例示意图。

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作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。

参见附图，图1是本实用新型地雷识别探测系统结构图，图2是本实用新型探测有效范围示意图。该地雷识别探测系统由1个地面控制主机、1个低空探测长机与6个低空探测僚机组成，地面控制主机设置在探测区域200m以外的安全位置，低空探测长机、低空探测僚机在地面控制主机的控制下编队低空飞行以完成地面控制主机规划的雷场疑似目标探测任务；在探测过程中，地面控制主机根据雷场疑似目标区域地形规划航线后向低空探测长机发送飞行与同步探测指令并控制其按规划航线飞行，低空探测僚机执行低空探测长机的命令并保持在编队中规定的位置跟随低空探测长机飞行；低空探测长机在接收到地面控制主机的同步探测指令后通过其与各低空探测僚机之间以uwb方式形成的wsn向各低空探测僚机发送带时间戳的同步探测命令，接着低空探测长机通过90^o定向天线向地面发射脉冲电磁波或uwb雷达波，然后低空探测长机与低空探测僚机一起在规定的时间戳开始同步采集脉冲电磁波或uwb雷达波的回波，以实现脉冲电磁感应、uwb雷达同步探测；低空探测长机、低空探测僚机均采用波束角为90^o的定向天线，其飞行高度大于探测区域地表植被的最大高度并等于地面投影圆半径，低空探测长机位于地面投影圆的圆心，6个低空探测僚机均匀分布在地面投影圆的圆周上，以保证在地面投影圆范围内可以用1个低空探测长机和至少2个低空探测僚机的脉冲电磁感应、uwb雷达探测信息来对雷场疑似目标进行识别，提高地雷探测的准确性、可靠性和安全性。对于雷场中的疑似地雷区域，采用图1所示的探测方案来进行地雷探测与识别，由地面控制主机控制1个设置在发射状态的低空探测长机和6个设置在接收状态的低空探测僚机组成环形编组对疑似地雷区域进行脉冲电磁波、uwb雷达波同步探测。由于图1中的天线波束角为90°，发射机的飞行高度h=发射波束在地面投影园的半径r。假设探测地面为平面，6个接收机均匀分布在高度h、半径r的圆周上，发射机位于该圆的圆心位置，则所有接收机、发射机之间的两两相距为r，则发射机的有效投影范围（实线圆区域）、接收机的有效接收范围（虚线圆区域）如图2所示。由地面控制主机控制7个探测飞行器对疑似地雷区域进行脉冲电磁感应、uwb雷达波同步探测，对探测数据进行多源信息融合、地雷特征识别、同步三维反演运算，可实现对反坦克雷和反步兵雷等地雷目标的检测概率≥95％的技术要求。

在雷场疑似目标探测过程中，地面控制主机首先根据cn110554437a公开的探测系统探测后所确定的雷场可疑区域的地形地貌、地面植被覆盖等形成实际情况进行雷场疑似目标探测的航线规划，然后对系统进行自检；自检内容包括：地面控制主机自检、低空探测长机自检、低空探测僚机自检以及地面控制主机与低空探测长机之间的无线通信自检、空探测长机与各低空探测僚机的wsn组网自检等，自检完全正常后方可进行后续的雷场疑似目标探测工作。系统完成航线规划和自检后，地面控制主机根据规划航线向低空探测长机发送飞行指令，低空探测长机接收到飞行指令后通过wsn向各低空探测僚机发送进入编队命令，待各低空探测僚机到达编队中规定的位置后，低空探测长机再进入到编队中心位置并向各低空探测僚机发送编队飞行命令，随即控制整个编队按规划航线飞行并实时向地面控制主机反馈位置信息。当探测飞行器编队到达雷场疑似目标区域位置后悬停，地面控制主机向低空探测长机发送同步探测指令，低空探测长机在接收到地面控制主机的同步探测指令后通过其与各低空探测僚机之间以uwb方式形成的wsn向各低空探测僚机发送带时间戳的同步探测命令，在探测命令中规定的前一个时间戳由低空探测长机通过90^o定向天线向地面发射脉冲电磁波，接着低空探测长机与低空探测僚机一起同步采集脉冲电磁波的回波信号；完成实现脉冲电磁感应探测后，低空探测长机在探测命令中规定的后一个时间戳通过90^o定向天线向地面发射uwb雷达波，接着低空探测长机与低空探测僚机一起同步采集uwb雷达波的回波信号；如此循环，直到探测完成再控制整个编队按规划航线继续飞行和探测，以实现规划航线的脉冲电磁感应、uwb雷达分时同步探测。图1中，由于低空探测长机、低空探测僚机均采用波束角为90^o的定向天线，则其飞行高度h与地面投影圆半径r相等。飞行高度h要根据探测区域地表植被的最大高度来选择设置，过低则难以保证探测飞行器在探测过程中的安全，过高会导致90^o定向天线在地面投影圆较大而影响疑似目标探测、识别的准确性。长机和僚机是空战中的战术队形。僚机是编队飞行中跟随长机执行任务的飞机，僚机应保持在编队中规定的位置，观察空中情况，执行长机的命令。一般情况下，空战都要进行编组，如采用“双机制”编组，通常分为“长机和僚机”。长机为主，僚机为辅。僚机的职责就是帮助长机完成各种任务。在图1中，低空探测长机位于地面投影圆的圆心，6个低空探测僚机均匀分布在地面投影圆的圆周上，飞行编队为一个正六边形状，其90^o定向天线发射和接收的地面投影如图2所示。低空探测长机发射和接收的地面投影如图中实线圆，各低空探测僚机接收的地面投影如图中虚线圆；由图2可知，在地面投影圆范围内有1个低空探测长机和至少2个低空探测僚机接收的脉冲电磁感应、uwb雷达同步探测信息，基于这种多源信息来对雷场疑似目标进行分析与识别，可有效提高雷场疑似目标探测的准确性、可靠性。

图3是本实用新型地面控制主机实施例的结构框图。地面控制主机由便携式军用pc机、e50-ttl-500模块、rtk-gps基站模块三部分组成，便携式军用pc机通过sci1接口与e50-ttl-500模块连接、通过sci2接口与rtk-gps基站模块连接，e50-ttl-500模块用于低空探测长机进行无线通信以实现对低空探测长机与低空探测僚机组成编队的飞行控制和向低空探测长机发送同步探测指令，rtk-gps基站模块用于与低空探测长机、低空探测僚机内的gps从站模块组成rtk定位系统以实现对低空探测长机、低空探测僚机的准确定位；便携式军用pc机用于探测区域的航线规划、rtk-gps定位控制、编队飞行控制、同步探测控制、接收探测数据并进行雷场疑似目标识别。探测完成后，在地面控制主机的管控软件控制下将读取低空探测长机、低空探测僚机内的探测并预处理后的数据进行三维反演运算并将结果保存，通过管控软件对来自于多个飞行器探测获得的信息进行融合，得出雷场疑似目标的探测与识别结果并生成报告。地面控制主机与低空探测长机之间的无线通信采用e50-ttl-500模块。e50-ttl-500是一款500mw的无线传输模块，工作在148-173.5mhz频段，使用串口进行数据收发，降低了无线应用的门槛；它具有功率密度集中、传输距离远、抗干扰能力强的优势。模块具有软件fec前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离（在没有fec的情况下，这种数据包只能被丢弃）。模块具有数据加密和压缩功能，在空中传输的数据具有随机性，通过严密的加解密算法，使得数据截获失去意义，而数据压缩功能有概率减小传输时间、减小受干扰的概率、提高可靠性和传输效率。模块具有四种工作模式，可以在运行时自由切换，其工作模式由引脚m1、m0的输入状态决定，在省电模式下，消耗电流仅几十微安，非常适合超低功耗应用。模块供电电压为2.3v-5.5v直流，要求电源的电流供给能力不小于700ma。模块发射时，由于电流突变，可能会导致电源产生较大纹波。此时，用户的外部电路必须要有纹波抑制能力。用低静态电流、低压差的ldo时，需要尤其注意。因为常见的ldo纹波抑制能力较差。而使用普通线性稳压器，或静态电流较大的稳压器，或dc-dc时，情况会乐观得多。此处特地提出电源问题，希望用户能引起足够重视。良好的电源品质是无线模块稳定工作的前提，并有效提升模块传输距离、接收灵敏度以及使用寿命

图4是本实用新型低空探测长机实施例的结构框图。低空探测长机是一个外置90^o定向天线的小型无人飞行器，由探测cpu、高速adc、用于根据地面控制主机发送的飞行控制指令对低空探测长机飞行过程实时监控的飞行控制器、用于与地面控制主机通信的e50-ttl-500模块、用于获取实时位置信息的gps从站模块、用于与各低空探测僚机组成wsn网络的uwb模块、用于发射脉冲电磁波或uwb雷达波的uwb&脉冲电磁波发射模块、用于调理外置90^o定向天线接收回波信号的信号接收与调理模块、用于改变发射或接收状态的信号切换开关组成；当低空探测长机通过e50-ttl-500模块接收到地面控制主机发送的飞行控制指令后，则由飞行控制器根据飞行控制指令控制小型无人飞行器开始飞行并通过其探测cpu、uwb模块向各低空探测僚机发送编队飞行控制命令以实现编队的整体飞行控制，如接收到的是同步探测指令则通过飞行控制器传送给探测cpu，探测cpu通过uwb模块向各低空探测僚机发送带时间戳的同步探测命令并同时通过uwb&脉冲电磁波发射模块、信号切换开关、90^o定向天线放射脉冲电磁波或uwb雷达波，接着通过90^o定向天线、信号切换开关、信号接收与调理模块接收回波信号并与向各低空探测僚机一起在规定的时间戳开始同步采集该回波信号；每次探测完成后低空探测长机的探测cpu对探测信息进行预处理后读取各低空探测僚机的探测预处理结果，通过飞行控制器、e50-ttl-500模块发送到地面控制主机。

图5是本实用新型低空探测僚机实施例的结构框图。低空探测僚机是一个外置90^o定向天线的小型无人飞行器，由探测cpu、高速adc、用于根据低空探测长机发送的编队飞行控制命令对低空探测僚机飞行过程实时监控的飞行控制器、用于获取实时位置信息的gps从站模块、用于与低空探测僚机及其它低空探测僚机组成wsn网络的uwb模块、用于调理外置90^o定向天线接收回波信号的信号接收与调理模块组成；当低空探测僚机通过uwb模块接收到低空探测长机发送的编队飞行控制命令，则传送给其飞行控制器并控制小型无人飞行器开始飞行，如接收到的是带时间戳的同步探测命令，则在探测cpu的控制下通过90^o定向天线、信号接收与调理模块接收回波信号并在规定的时间戳开始同步采集该回波信号。

低空探测长机、低空探测僚机内的uwb模块的核心芯片为dw1000，在探测时dw1000通过与之相连的天线可与具有uwb模块的长机或僚机实现wsn组网功能；在探测出雷场疑似目标时，还可通过dw1000的定位功能实现疑似目标的非合作性定位。dw1000是爱尔兰decawave公司推出的一款符合uwb协议的无线收发芯片，dw1000是一个完全兼容ieee802.15.4-2011协议的集成单片超宽带(uwb)收发器，它可以通过双向测距法或使用到达时间差的算法，来提供高达10厘米精度的实时定位。同是，它还支持高达6.8mbps的最大通信速率。该芯片符合拥有以下特点：1）符合ieee802.15.4-2011uwb协议；2）从3.5ghz到6.5ghz的频率之间，提供多达6个信道可供使用；3）输出功率可通过编程来配置；4）符合fcc&etsi相关的要求；5）支持2.8-3.6v的宽范围工作电压；6）低功耗。睡眠模式电流位1ua，深度睡眠模式下电流仅为50na；7）提供110kbps、850kbps和6.8mbps三种通信速率；8）针对高数据吞吐量的应用，提供了高达1023字节的最大包长度；9）支持twr测距和tdoa测距；10）通过spi接口和主控芯片进行通信；11）小体积，芯片体积6mm*6mm，qfn48封装；12）芯片外围仅需要极少的元件。wsn中任何节点的构建块都是物理层（phy）链接。dw1000phy具有提供通信和精确测距功能的能力，即使在视线(los)无线电路径可能不存在的情况下。这些能力使dw1000的wsn能够在恶劣的无线电传播信道中操作，其中存在非线性视线(nlos)条件和许多无线电反射，例如建筑物内部、船运集装箱堆场和带有金属物体的工厂。在恶劣的无线电环境中使用uwbphy技术的优点已经显而易见了，dw1000的uwb无线电传播对多径衰落是鲁棒的。

图6是本实用新型90^o定向天线实施例示意图。天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。人类最大的自然资源之一就是电磁波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。90^o定向天线按照比例变换原理设计成渐变槽线结构的、尺寸为85mm×100mm的平面行波天线，虽然天线尺寸不是理论上的无限模式，但其渐变结构使天线末端电流很小，则对天线辐射的影响也就很小；该天线具有端射特性、宽带宽、线性极化、高增益和90^o定向辐射的特点。比例变换原理可以这样定义：当天线结构按照某个参量n进行变换，而不改变其本身结构，并且在其频率范围内天线在频率f和频率n×f处的电特性和天线特性参量等其它特性是以n为对数的周期函数，则该天线拥有比例变换原理。当n在1附近表明频率f和频率n×f处的电特性几乎不变，事实上，当只要n和1差别不是相隔数量级，频率f和频率n×f处的电特性也变化不大。因此表明天线结构满足比例变换原理，则该天线具有非频变特性，而这一特性也决定了结构满足比例变换原理的天线可以具有宽频带特性。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型探测系统对雷场疑似目标区域采用低空飞行探测器进行非接触的、多覆盖的脉冲电磁感应、uwb雷达同步探测，既克服了传统单参量探测的不确定性、避免时空差异对探测数据的影响，同时有效提高地雷探测的准确性、可靠性和安全性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而己，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。