探测地下结构的方法与流程

本发明涉及使用电磁波探测地下结构的方法和设备。

背景技术：

1、电磁波通常用于探测地下结构，诸如人造结构或地面下。地面穿透雷达(gpr)是一种常用于地球物理勘测或例如混凝土结构的无损测试的技术，它采用通常在10mhz至2.6ghz范围内的电磁波。

2、用于gpr数据获取的已知方法是步进频率连续波(sfcw)。不是发送单个宽带脉冲，sfcw使用某个频率的连续波探测信号，该频率随时间或在后续探测信号之间改变。wo2018/161183a1中描述了这种方法和合适设备的示例。

3、sfcw方法在数据质量方面是有利的，因此在地下结构的所得图像质量方面，特别是在信噪比(snr)和分辨率方面是有利的。另一方面，此类方法的获取速度有限，这意味着只有当gpr设备相对于地下的移动速度不超过通常是例如10到20km/h的数量级的最大获取速度时，才能获得既定的分辨率(例如，2cm)的gpr测量值。

技术实现思路

1、因此，本发明的一般目的是提供用于探测地下结构的方法和设备，其允许更快的数据获取，特别是用于探测地下结构的设备的更高获取速度，同时维持所获取的数据的高分辨率。

2、下面描述的关于方法的特征旨在也适用于设备，反之亦然。另外，所描述的特征旨在彼此独立地以及在合理的情况下组合地公开。

3、用于探测地下结构的方法

4、为了实现在下面的描述中将变得更加清楚的本发明的上述及更进一步的目的，用于探测地下结构(例如，人造结构或地面下)的方法包括以下步骤：

5、-将电磁波发送到结构中：电磁波可以是极化的，例如线性极化的。将电磁波发送到结构中的步骤特别地借助于天线来执行。

6、-接收来自结构的电磁波的回波：有利地，发送到结构中的波的一部分被结构的内部特征反射，该特征由电气特性的改变表征，例如，介电常数的改变。波的反射部分可以作为回波(即，反射的电磁波)从结构中接收。

7、-处理回波以导出结构的内部特征：例如，内部特征可以是结构内的内部边界的位置和/或梯度、散射体或反射体的表征、电气特性(例如，介电常数)的改变量、结构中的特定位置等。

8、将电磁波发送到结构中的步骤包括随后将具有不同频谱的多个电磁探测信号发送到结构中。特别地，探测信号的频谱由其傅立叶变换给出。每个探测信号包括至少两个非零频谱分量。特别地，这与常规的sfcw不同，在常规的sfcw中，每个探测信号只有一个频谱分量，意味着一次只发送一个频率。

9、在实施例中，每个探测信号包括多于两个非零频谱分量，特别是3到20个，特别是5到15个，特别是10个非零频谱分量。在极端情况下，每个探测信号可以包括既定频谱上的噪声，例如白噪声，所述频谱有利地具有至少1000mhz的宽度。

10、接收回波的步骤包括接收针对每个探测信号的回波信号。特别地，随后接收回波信号。

11、处理回波的步骤包括为每个回波信号确定至少一个振幅和相位，有利地为多个频谱分量，特别是为每个非零频谱分量，确定一个回波和相位。

12、所描述的探测地下结构的方法具有以下优点：多个频谱分量，特别是至少两个，被并发地(即，同时)发送到结构中。与常规的sfcw相比，这种方法可以将数据获取速度提高等于每个探测信号中的频谱分量的数量的因子。这意味着用于探测地下结构的相应设备可以以更高的速度移动，特别是以等于每个探测信号中的频谱分量的数量的因子更高的速度移动，同时维持相同的分辨率。这进而促进将设备安装在例如汽车上或空中无人机上，并在大面积和/或难以接近的位置执行数据获取。

13、另一方面，所描述的方法也提出了挑战并具有进一步的优势，这将结合以下有利的实施例来描述。

14、正交频谱分量

15、在有利的实施例中，频谱分量是具有不同子载波频率的并发子载波信号。特别地，频谱分量位于非重叠的频带中。在电信领域中，类似的方法在完全不同的上下文中被称为频分复用(fdm)。即使使用低功率发射器，非重叠频带也允许覆盖宽频谱范围。

16、在进一步有利的实施例中，至少两个频谱分量彼此正交。“正交”尤其意味着它们满足正交条件，通常定义为它们的内积，或者等效地定义为它们的乘积在一个时间间隔内的积分，为零。特别地，如果第一子载波信号f(t)和第二子载波信号g(t)的乘积的时间积分∫f(t)g(t)dt小于有限阈值，例如，比小得多，特别是小于这个表达式的10％，那么这两个信号在本上下文中被称为“正交”。特别地，时间积分是在表示f(t)和/或g(t)的周期性的时间间隔上计算的。正交子载波信号的示例是sin(mx)和sin(nx)形式的函数，其中m和n是不相等的正整数。在电信领域中，类似的应用被称为正交频分复用(ofdm)。

17、特别地，相邻子载波频率彼此相差子载波间距，其可以是规则的子载波间距，即，对于所有相邻子载波频率对都相同。有利地，子载波间距满足正交条件，例如，在于子载波频率是子载波间隔的整数倍。特别地，子载波间隔可以在1和10mhz之间，特别是大约4mhz。

18、在实施例中，探测信号的频谱位于10和8000mhz之间，特别是40和3440mhz之间。有利地，多个随后发送的探测信号的总频谱具有至少500mhz的宽度，特别是至少1000mhz，更特别是至少2000mhz。通过这样的总频谱，该方法能够达到高分辨率，例如2cm或更小，同时达到大穿透深度，例如5m或更大，这具体取决于地下结构的电气特性。

19、非零初始相移

20、现在，在没有进一步措施的情况下发送包括多个正交子载波信号的探测信号会导致高峰发射功率。这是由于如下事实：在某些时候，具有零初始相移的正交函数的峰将建设性地累加起来，从而生成高累积信号。“初始相移”可以被定义为较低频率函数的零相位与较高频率函数的最接近的零相位之间的相位差。在用于探测地下结构的设备中，前端(即，天线加上用于处理接收到的信号的模拟组件)以及用于生成探测信号的探测信号生成器和用于处理回波信号的回波信号处理器必须进行调整以处置峰发射功率。由于信噪比和低互调的原因，因此不期望具有远大于平均发射功率的高峰发射功率。

21、因此，在有利的实施例中，频谱分量中的至少两个具有非零初始相移。特别地，至少两个频谱分量的初始相移使得探测信号的最大振幅小于具有相同频谱分量但频谱分量的初始相移为零的假想探测信号的最大振幅，特别是小至少10％、至少25％或至少50％。这允许将峰发射功率保持在低水平，特别是不比平均发射功率大很多，例如仅是平均发射功率的2或3倍。因此，可以实现良好的信噪比和低互调。

22、在实践中，对于给定数量的子载波信号，满足上述条件的初始相移可以通过经验方法获得，例如，在数值模拟中：将子载波信号与随机初始相移相加，从而生成测试探测信号。然后导出测试探测信号的最大值与测试探测信号的平均值的比率。这两个步骤以不同的随机初始相移迭代，从而形成测试探测信号的集合。对于探测地下结构时的实际应用，选择具有最小比率的测试探测信号。在这种方法中，初始相移可以得自随机数生成器，但随后它们在应用中不改变。特别地，对于每个探测信号，至少两个频谱分量的初始相移可以是恒定的，即，相同的。

23、生成探测信号

24、在有利的实施例中，该方法附加地包括通过将不同调制频率的至少两个调制信号与至少一个载波信号进行频率转换来生成探测信号的步骤。特别地，生成探测信号的步骤包括在后续探测信号之间改变载波信号的载波频率。以这种方式，对于所有探测信号，调制频率可以相同。

25、有利地，生成探测信号和/或处理回波信号的步骤部分地在数字域中执行并且部分地在模拟域中执行，从而利用两个域的好处，例如，利用现有数字数据处理例程对信号进行精确控制以及模拟组件的简单性和速度。在实施例中，生成探测信号的步骤包括生成至少两个数字调制信号。而且，生成探测信号的步骤可以包括生成至少一个模拟载波信号。根据以上描述，数字调制信号中的至少两个有利地具有非零初始相移。

26、典型的调制频率低于100mhz，特别是在40和80mhz之间的范围内。有利地，调制频率因子载波间距而不同。另外，载波信号的载波频率可以是至少100mhz。

27、在实施例中，生成探测信号的步骤包括通过对至少两个数字调制信号进行数模转换来获得至少两个模拟调制信号，以及借助于至少一个模拟混合器将至少两个模拟调制信号与来自至少一个模拟振荡器的至少一个混合信号混合。另外，生成探测信号的步骤可以包括借助于多个模拟混合器将模拟调制信号与来自多个模拟振荡器的混合信号顺序混合。

28、有利地，生成探测信号的步骤包括对模拟调制信号应用上变频，并且特别是上变频和随后的下变频。直接上变频通常要求图像抑制混合器，这带来一些限制，诸如有限的图像抑制、本地振荡器(lo)泄漏和复杂的滤波器级。首先对信号进行上变频允许通过滤波器衰减图像和lo泄漏。由于下变频级中的lo始终高于想要的输出信号，因此lo的泄漏可以忽略不计。以这种方式，可以避免复杂的滤波器级。

29、在另外的实施例中，生成数字调制信号的步骤包括关闭既定的调制信号。这仍然可以在数字域中执行，例如，通过应用切换级。关闭既定的调制信号改变对应探测信号中的调制频率的数量。这进而改变峰电压。然后可以对调制信号应用动态校正以便保持峰电压恒定，特别是保持在预期水平。

30、另外，探测信号中的第一个包括与探测信号中的第二个不同数量的非零频谱分量可以是有用的。例如，与较低频率探测信号相比，较高频率探测信号可以包含更少的，例如一半的频谱分量。在这种情况下，较高频率探测信号的子载波间距可以大于较低频率探测信号的子载波间距，例如是其两倍。为了最小化需要被处理并最终存储和传输的数据，这是特别合理的。通过扩大较高频率探测信号中的子载波间距，在穿透深度方面不会损失太多，而对于高穿透深度，可以要求较低频率探测信号下的更小的子载波间距。再次，可以仍在数字域中对相应调制信号执行删除特定子载波信号。

31、在实施例中，每个探测信号的总持续时间不超过2μs。每个探测信号的如此短的持续时间防止过多的电磁波能量被发送到环境中，从而可能降级电信信号或影响生物。

32、另外，对于每个探测信号的包络可以具有上升时间和下降时间，两者都具有非零持续时间，特别是都大于0.5μs和/或都大于每个探测信号的持续时间的10％。与“硬窗口”相比，特别是由两个阶跃函数组成的硬窗口，这种“平滑的”探测信号的优点是在处理回波的步骤中避免振铃效应。出于那个原因，包络可以特别地成形为高斯函数或其它已知的平滑窗口函数。

33、处理回声信号

34、与生成探测信号的步骤类似，处理回波信号的步骤也有利地部分地在模拟域中和部分地在数字域中执行，从而结合了如上所述的两者的优点。

35、在实施例中，处理回波信号的步骤包括借助于至少一个模拟混合器将回波信号与来自至少一个模拟振荡器的至少一个混合信号混合来获得混合回波信号。特别地，处理回波信号的步骤可以包括借助于多个模拟混合器将回波信号与来自多个模拟振荡器的混合信号顺序混合。处理回波信号的步骤包括对回波信号应用下变频(特别是上变频和随后的下变频)可以是有用的。

36、另外，处理回波信号的步骤可以包括将混合回波信号模数转换成数字回波信号。

37、与上述类似，处理回波信号的步骤有利地包括针对至少两个频谱分量的初始相移校正数字回波信号。特别地，初始相移对于每个探测信号是已知的并且从而对于每个对应的回波信号是已知的，并且因此可以被校正。

38、而且，可能期望处理回波信号的步骤包括通过串行化至少两个非零频谱分量来获得串行化的回波信号，特别是使用数字回波信号。“串行化”特指将回波信号中的非零频谱分量(例如从回波信号中找出的调制信号)在时间上一个接一个地串起来。以这种方式，串行化的回波信号类似于通过常规sfcw方法获取的信号。这使得能够使用已知的数据处理方法进行进一步处理，例如，以组装和处理a扫描或应用迁移算法。

39、最终，处理回波的步骤可以包括从回波信号与探测信号之间的振幅差异和/或相位差异导出地下结构的至少一种特性。振幅差异和/或相位差异与电磁波在其从天线进入结构并返回的行进路径上遇到的材料特性(特别是电气特性)和材料分布直接相关，并且特别是由其造成。

40、用于探测地下结构的设备

41、本发明的第二方面涉及一种用于探测地下结构的设备。该设备被配置为执行上述方法并且包括：

42、-天线：在一个实施例中，同一天线可以用于发送探测信号以及接收回波信号。在另一个实施例中，天线可以包括被配置为将探测信号发送到地下结构中的第一天线，以及被配置为接收从地下结构接收的回波信号的第二天线。在两个实施例中，天线或分别的第一天线和第二天线包括较低频率的子天线(例如，中心频率为350mhz)以及较高频率的子天线(例如，中心频率为1500mhz)。此类子天线具有在较高和较低频率下，特别是在它们的中心频率附近，分别更有效地传输和接收探测信号和回波信号的优点。

43、-用于生成要由天线发送到地下结构中的电磁探测信号的探测信号生成器：在有利的实施例中，探测信号生成器包括被配置为生成至少两个数字调制信号的数字信号生成器、被配置为将数字调制信号转换成模拟调制信号的数模转换器、被配置为生成至少一个载波信号的至少一个模拟信号生成器，以及被配置为通过将至少两个模拟调制信号与至少一个载波信号混合来生成探测信号的至少一个模拟混合器。

44、-用于处理由天线从地下结构接收的回波信号的回波信号处理器：在有利的实施例中，回波信号处理器包括被配置为通过将回波信号与来自至少一个模拟信号生成器的至少一个载波信号混合来生成混合回波信号的至少一个另外的模拟混合器、被配置为将混合回波信号转换成数字回波信号的模数转换器，以及被配置为从数字回波信号中导出至少两个非零频谱分量的数字处理器。

45、-用于控制探测信号生成器和回波信号处理器的控制单元：特别地，控制单元适于执行本技术的方法的步骤。

46、-可选地，通信模块，例如，wifi模块，被配置为将经处理的回波信号传输到远程计算单元或显示单元。