一种冰水情一体化雷达探测方法与流程

本发明涉及一种冰水情一体化雷达探测方法，是一种水文数据的采集方法，是一种使用雷达对冰层和水流深度探测的方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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雷达探测方法，所述的方法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。

本发明的目的是这样实现的：一种冰水情一体化雷达探测方法，所述方法使用的雷达系统包括：带有复合发射接收天线的双频双通道雷达、卫星定位装置、数据处理和显示装置，所述的方法包括如下步骤：

参数设置的步骤：用于双频双通道雷达进行测量参数设置，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；

数据采集的步骤：用于带动双频双通道雷达在冰层上沿测线均匀移动，通过双频双通道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；

信号预处理的步骤：用于双频双通道雷达对采集后的数据，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数据处理和显示装置；

数据存储的步骤：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；

冰层水深厚度层位追踪的步骤：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；

获得曲线并输出的步骤：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。

进一步的，所述的数据采集的步骤中的地理坐标信息的采集，采用RTK定位方式。

进一步的，所述的信号预处理的步骤中，双频双通道雷达将采集的数据通过网络传输数据处理和显示装置，所述网络传输的通讯协议为：TCP或UDP协议。

进一步的，所述的数据存储与处理的步骤中，还包括对信号幅度进行归一化处理。

进一步的，所述的获得曲线并输出的步骤中除图像输出外，还进行语音数据播报和报表分析。

本发明产生的有益效果是：本发明采用了一种相关层位追踪算法，通过分析回波的相关性来实现层位的连续跟踪和测量，同时进行地理位置的定位，可以快速、精确、高效的对冰层和冰层下的水深进行测量，所述的方法替代了原人工测量，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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法所使用的雷达系统原理示意图；

图2是本发明的实施例一所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种冰水情一体化雷达探测方法，所述方法使用的雷达系统包括：带有复合发射接收天线的双频双通道雷达、卫星定位装置、数据处理和显示装置，如图1所示。

所述的双频双通道雷达利用发射天线向冰面下发射脉冲形式的双频宽带电磁波，电磁波在冰层传播过程中遇到水面时发生发射，反射信号到达冰层上表面后由接收天线接收，并经过超宽带接收机的转换、放大、量化后形成雷达回波。根据回波极性、幅度、走时等参数，通过识别算法可自动计算出每道上冰层厚度和水深，利用相关算法对冰厚和水深进行层位追踪和噪点去除，实现冰厚水深连续同步综合精确测量。

所述的卫星定位装置可以GPS或北斗之类的通过卫星进行精确定位的系统。同时还可以采用高精度的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。

所述的数据处理和显示装置是具有数字处理和运算，并具有显示和人机交互功能的数字电子处理设备，可以是通用PC机，或工控计算机。

本实施例所述的雷达系统通过运行冰厚水深综合探测雷达软件，对采样频率、采样点数、介电常数、探测方式、道间距等采集参数进行设置，接收由主控板经网口发送上来的雷达采样数据并进行相应处理和终端实时显示，实现对采集的数据进行后处理，得到实时冰厚水深数据显示在冰厚水深综合探测雷达软件界面上，同时可以通过语音播报的形式通知操作者当前探测的结果，冰厚水深综合探测雷达软件还具有工程管理等功能。

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，本方法中软件增加了相关层位追踪算法，通过分析回波的相关性来实现层位的连续跟踪和测量。

在信号处理中，互相关是一个十分重要的概念，用于衡量在不同时刻两个随机过程之间的相互关系。设x(t)和y(t)是两个信号样本，y(t+τ)是y(t)时移τ后的信号，定义互相关函数:

（1）

离散情况下的互相关公式为：

（2）

在本方法中，由于x(t)和y(t)属于平稳随机过程，可以用时间平均代替统计平均。对于有限长度的离散时间序列x(n)和y(n)，互相关估计为：

（3）

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。

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。

本实施例所述的方法包括如下步骤（流程见图2）：

参数设置的步骤：用于双频双通道雷达进行测量参数设置，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，利用双频双通道雷达软件对系统的工作参数进行设置，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。

数据采集的步骤：用于带动在冰层上沿测线均匀移动，通过双频双通道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。双频双通道雷达可以做成小车形式，在冰层上有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。

信号预处理的步骤：用于双频双通道雷达对采集后的数据，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数据处理和显示装置。双频双通道雷达可以选择TCP或UDP协议，把预处理后的采集数据通过网口传送给数据处理和显示装置进行后期显示和处理。

数据存储的步骤：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。数据处理和显示装置通过网口送上来的双频双通道雷达所采集的数据，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。

冰层水深厚度层位追踪的步骤：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。

获得曲线并输出的步骤：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。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于地理坐标信息的细化。本实施例所述的数据采集的步骤中的地理坐标信息的采集，采用RTK定位方式。

冰面上的大范围移动测量缺少参照点，因此，本实施例采用高精度的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。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于数据传输的细化。本实施例所述的信号预处理的步骤中，双频双通道雷达将采集的数据通过网络传输数据处理和显示装置，所述网络传输的通讯协议为：TCP或UDP协议。

根据雷达与数据处理和显示装置之间可以使用网络传输。网络传输的通讯协议可以选择TCP或UDP协议，把预处理后的采集数据通过网口传送给数据处理和显示装置进行后期显示和处理。网口模块可以采用16位数据总线，速率可达到50Mbps，并可以根据通信数据吞吐量动态调整内部存储器的分配。

由于网络传输可以是有线的也可以是无线的，传输的距离也可长可短。因此，双频双通道雷达、卫星定位装置和数据处理和显示装置可以整合为一个体的设备，也可以将双频双通道雷达和卫星定位装置配置和现场装置，通过网络与远程的数据处理和显示装置连接，形成远程处理系统。

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存储与处理的步骤的细化。本实施例所述的数据存储与处理的步骤中，还包括对信号幅度进行归一化处理。

归一化，即对信号的幅度进行限制，将幅度过大的信号除去，避免扰乱信号的处理。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于获得曲线并输出的步骤的细化。本实施例所述的获得曲线并输出的步骤中除图像输出外，还进行数据定位、语音播报和报表分析。

数据定位与语音播报：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。

报表分析：本实施例可以具备报表分析功能，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。

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、数据处理的过程、步骤的先后顺序等）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。