本发明涉及物探技术领域，尤其是涉及基于共振原理的物体探测装置和方法。
背景技术：
浅层埋地物体通常是指埋深在1米以内的物体，浅层物体探测具有广泛的应用需求和市场前景，例如，市政施工中对埋地管线，电缆等基础设施的探测，考古研究中对地下文物的探测，军事中对地雷的探测等。常规的检测方法有光学方法、基于电学、磁学和电磁感应原理的方法以及电磁波反射(探地雷达)的方法，但是上述方法容易受到物体材质和外界环境因素的影响，导致检测准确率低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供基于共振原理的物体探测装置和方法，可以不受物体材质和土壤湿度等因素的影响，检测准确率高。
第一方面，本发明实施提供了基于共振原理的物体探测装置，所述装置包括信号发射单元、信号接收单元和信号处理单元；
所述信号发射单元，用于产生调制信号，将所述调制信号进行放大，得到放大的调制信号，将所述放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号，将所述最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；
所述信号接收单元，用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收所述传感器阵列采集所述地面激励声波信号辐射到土壤中并且与所述土壤相互作用产生的地表振动信号，并将所述地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；
所述信号处理单元，用于根据所述放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据所述频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
进一步的，所述信号发射单元包括信号发生器、功率放大器、匹配网络和激励源，所述信号发生器、所述功率放大器、所述匹配网络和所述激励源依次连接；
所述信号发生器，用于产生调制信号；
所述功率放大器，用于将所述调制信号进行放大，得到放大的调制信号；
所述匹配网络，用于将所述放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号；
所述激励源，用于将所述最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号。
进一步的，所述信号接收单元包括测振计和前置放大器；所述测振计和所述前置放大器依次连接；
所述测振计，用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收所述传感器阵列采集所述地面激励声波信号辐射到土壤中并且与所述土壤相互作用产生的地表振动信号；
所述前置放大器，用于将所述地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号。
进一步的，所述信号处理单元包括信号采集与分析仪；
所述信号采集与分析仪，用于根据所述放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据所述频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
进一步的，所述信号采集与分析仪，还用于根据所述频率振动响应幅值曲线图判断是否存在多个峰值，如果存在所述多个峰值，则分别获取所述多个峰值对应的频率，根据所述多个峰值对应的频率确定所述埋地物体的位置。
进一步的，所述激励源包括扬声器或激振器。
进一步的，所述测振计包括地震检波器、加速度计或激光测振仪。
进一步的，信号发生器的频率小于2000hz。
第二方面，本发明实施例提供了基于共振原理的物体探测方法，所述方法包括：
产生调制信号，将所述调制信号进行放大，得到放大的调制信号；
将所述放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号；
将所述最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；
根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列；
接收所述传感器阵列采集所述地面激励声波信号辐射到土壤中并且与所述土壤相互作用产生的地表振动信号，并将所述地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；
根据所述放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图；
根据所述频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
进一步的，所述根据所述频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置，包括：
根据所述频率振动响应幅值曲线图判断是否存在多个峰值；
如果存在所述多个峰值，则分别获取所述多个峰值对应的频率；
根据所述多个峰值对应的频率确定所述埋地物体的位置。
本发明实施例提供了基于共振原理的物体探测装置和方法，包括：信号发射单元、信号接收单元和信号处理单元；信号发射单元用于产生调制信号，将调制信号进行放大，得到放大的调制信号，将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号，将最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；信号接收单元用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收传感器阵列采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤相互作用产生的地表振动信号，并将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；信号处理单元用于根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的基于共振原理的物体探测装置示意图；
图2为本发明实施例二提供的基于共振原理的物体探测原理示意图；
图3为本发明实施例三提供的振动装置模型示意图；
图4为本发明实施例三提供的频率振动响应幅值曲线示意图；
图5为本发明实施例四提供的基于共振原理的物体探测方法流程图。
图标：
10-信号发射单元；20-信号接收单元；30-信号处理单元；11-信号发生器；12-功率放大器；13-匹配网络；14-激励源；21-测振计；22-前置放大器；31-信号采集与分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的基于共振原理的物体探测装置示意图。
参照图1，该装置包括信号发射单元10、信号接收单元20和信号处理单元30；
信号发射单元10，用于产生调制信号，将调制信号进行放大，得到放大的调制信号，将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号，将最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；
信号接收单元20，用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收传感器阵列采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤相互作用产生的地表振动信号，并将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；
信号处理单元30，用于根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
在本实施例中，通过信号发射单元10产生地面激励声波信号，然后向地表发射地面激励声波信号，根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤相互作用产生的地表振动信号，然后进行放大，得到放大的地表振动信号；根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置，本申请不受埋地物体材质的影响，既可以探测金属物体，也可以探测非金属物体，也不受天气和土壤湿度的影响，检测准确率高，具有较强的实用价值。
进一步的，信号发射单元10包括信号发生器11、功率放大器12、匹配网络13和激励源14，信号发生器11、功率放大器12、匹配网络13和激励源14依次连接；
信号发生器11，用于产生调制信号；
这里，信号发生器11可以选取任意型号，并产生探测需要的调制信号，一般采用频率小于2000hz的随机激励信号或扫频激励信号。
功率放大器12，用于将调制信号进行放大，得到放大的调制信号；
这里，功率放大器12对信号发生器11产生的调制信号进行功率放大，从而增加地震波在土壤中的穿透深度。功率放大器12的放大倍数根据土壤参数设定，其中，土壤参数包括松散度和湿度。
匹配网络13，用于将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号；
这里，匹配网络13可以完成功率放大器12与负载之间的阻抗匹配，通过调节负载阻抗的相角，使负载具有最大输出功率。
激励源14，用于将放大后的最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号。
这里，激励源14包括扬声器或激振器。激励源14将地面激励声波信号产生的激振能量辐射到土壤中。当激励源14为扬声器时，由于扬声器与地表是非接触的，具有不破坏地表植被和基础设施的优点；当激励源14为激振器时，由于激振器与地表接触，可以产生更大的激振能量。
进一步的，信号接收单元20包括测振计21和前置放大器22；测振计21和前置放大器22依次连接；
测振计21，用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收传感器阵列采集所述地面激励声波信号辐射到土壤中产生的地表振动信号；
具体地，测振计21包括地震检波器、加速度计或激光测振仪。可以根据地表条件选择非接触式的激光测振仪或者接触式的地震检波器和加速度计，通过在探测区域划分网格，并按照网格顺序设置传感器阵列。
前置放大器22，用于将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号。
这里，由于地表产生的振动信号能量比较低，为了提高信噪比，需要采用前置放大器对地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号，然后再通过信号采集与分析仪对地表振动信号进行分析。
进一步的，信号处理单元30包括信号采集与分析仪31；
信号采集与分析仪31，用于根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
这里，信号采集与分析仪31采用多通道信号采集卡，按照对应的网格顺序拾取放大的地表振动信号，并且根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图。
进一步的，信号采集与分析仪31，还用于根据频率振动响应幅值曲线图判断是否存在多个峰值，如果存在多个峰值，则分别获取多个峰值对应的频率，根据多个峰值对应的频率确定埋地物体的位置。
进一步的，信号发生器11的频率小于2000hz。
本发明实施例提供了基于共振原理的物体探测装置，包括：信号发射单元、信号接收单元和信号处理单元；信号发射单元用于产生调制信号，将调制信号进行放大，得到放大的调制信号，将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号，将最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；信号接收单元用于根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列，接收传感器阵列采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤相互作用产生的地表振动信号，并将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；信号处理单元用于根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
实施例二：
图2为本发明实施例二提供的基于共振原理的物体探测原理示意图。
参照图2，地表在外界激励下，产生地面激励声波信号(瑞利波、剪切波和压缩波)。当地表下没有埋藏物体时，地面激励声波信号在向土壤内部传播的过程中会逐渐损耗能量，因此布置于地表的传感器阵列只能检测到激励信号和干扰噪声信号；当地表下埋置物体时，地面激励声波信号传播到达物体表面，由于埋地物体与土壤之间存在较大的阻抗差异，因此会在土壤-埋地物体界面发生强烈的反射或散射现象，然后通过物体上方土壤传至地表，从而导致埋地物体上方的地表产生异常振动，通过检测这种振动响应的变化，即可判断出是否存在埋地物体。
实施例三：
图3为本发明实施例三提供的振动装置模型示意图。
参照图3，埋体物体与周围土壤构成了一个附加的弹簧-质量振动系统，在外界激励下该系统会发生强迫振动，从而改变了地表的振动响应。由此可知，本申请是基于埋地物体的机械特性来实现探测的目的，这不同于以往的基于埋地物体电磁特性的探测方法，因此，本申请不受物体材质的影响，既适用于金属物体的探测，又适用于非金属物体的探测。同时，也不受天气和土壤湿度的影响。
图(a)为无埋地物体时的振动装置模型示意图，f为激励源，m1，k1和c1分别表示无埋地物体时土壤的质量、刚度和阻尼。
当土壤中无埋地物体时，地表土壤振动的固有频率如公式(1)所示：
其中，f为地表土壤振动的固有频率，k1为无埋地物体时土壤的刚度，m1为无埋地物体时土壤的质量。
图(b)为有埋地物体时的振动装置模型示意图，k2和c2分别表示有埋地物体时形成的刚度和阻尼。
当土壤中存在埋地物体时，形成双自由度振动系统，因此，存在两个固有频率，同时，由于土壤的质量增大，公式(1)中的m1增加，因此，比较无埋地物体时，有埋地物体时第一阶固有频率向低频偏移，即频率振动响应幅值曲线上的峰值对应的频率不同，具体可参照图4，通常无埋地物体时，传感器阵列拾取的地表振动信号较弱、幅值低，频率振动响应幅值曲线存在一个峰值；有埋地物体时，由于存在附加振动系统，当传感器阵列置于埋地物体的上方时，所拾取的土壤振动信号较强、幅值大，而且当其中的传感器阵列靠近埋地物体正上方时，所拾取的频率振动响应幅值曲线中存在较为明显的两个峰值，并且第一峰值较无埋地物体时所对应的频率更低，即f1小于f0。另外，通过识别频率振动响应幅值曲线中存在的两个固有频率，即可对埋地物体进行平面定位，确定埋地物体的位置。
实施例四：
图5为本发明实施例四提供的基于共振原理的物体探测方法流程图。
参照图5，该方法包括以下步骤：
步骤s101，产生调制信号，将调制信号进行放大，得到放大的调制信号；
步骤s102，将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号；
步骤s103，将最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；
步骤s104，根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列；
步骤s105，接收传感器阵列采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤互相作用产生的地表振动信号，并将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；
步骤s106，根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图；
步骤s107，根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置。
进一步的，步骤s107包括以下步骤：
步骤s201，根据所述频率振动响应幅值曲线图判断是否存在多个峰值；如果存在所述多个峰值，则执行步骤s202；
步骤s202，分别获取多个峰值对应的频率；
步骤s203，根据多个峰值对应的频率确定埋地物体的位置。
本发明实施例提供了基于共振原理的物体探测方法，包括：产生调制信号，将调制信号进行放大，得到放大的调制信号；将放大的调制信号与负载进行阻抗匹配，得到最大功率输出电信号；将最大功率输出电信号转化为地面激励声波信号；根据地表条件对探测区域进行网络划分，并按照网络划分顺序设置传感器阵列；接收传感器阵列采集地面激励声波信号辐射到土壤中并且与土壤相互作用产生的地表振动信号，并将地表振动信号进行放大，得到放大的地表振动信号；根据放大的地表振动信号生成频率振动响应幅值曲线图；根据频率振动响应幅值曲线图确定埋地物体的位置，从而可以不受物体材质和土壤湿度等因素的影响，检测准确率高。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的基于共振原理的物体探测方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的基于共振原理的物体探测方法的步骤。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。