一种步进频探地雷达实时在线分析系统及方法

本发明涉及探地雷达，尤其涉及一种步进频探地雷达实时在线分析系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、步进频探地雷达是一种连续波体制探地雷达，它由一串载频步进跳变的单频点窄带脉冲序列组成，在频率域实现雷达信号的反射和接收，通过傅氏逆变换，获得介质的电磁波时间域响应，能够同时兼顾大带宽和高动态范围，以保证系统的高分辨率和深层穿透探测性能。

3、与冲击脉冲雷达相比，步进频探地雷达需要设置复杂的频率源才能实现较大的带宽，同时数据采集后还需要进行频域到时域的运算过程，因此实现起来相对复杂一些。随着电子技术的发展，步进频雷达系统设计和硬件实现已经相对成熟，但在信号预处理、工程实用化成像算法、目标快速检测等方面有待进一步提高。

4、目前，探地雷达的探测过程大都是先采集大量雷达回波数据，再进行离线数据分析和目标识别，缺少在线数据采集与分析系统，无法实时验证探地雷达工作参数及算法性能；探测过程中仅能选择几个固定的频段，无法动态调整探地雷达频谱范围，环境适应性弱，探测效率低。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种步进频探地雷达实时在线分析系统及方法。在步进频探地雷达探测过程中，上位机可以动态调整探地雷达的起始频率、截止频率、步进频率、天线通道数量、接收机增益、数据采集点数等探测参数，从而实现动态调整探地雷达频谱范围及系统增益；同时上位机实时采集雷达回波数据并在线分析，实现不同探测参数、不同数据源情况下的探地雷达算法性能对比，优化算法，从而提高目标探测分辨率。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种步进频探地雷达实时在线分析系统，包括：步进频探地雷达和上位机；

4、所述步进频探地雷达，用于发射上位机设定频段的步进频连续波信号，接收目标回波，并将中频采样的目标回波解调出基带i/q数据发送至上位机；

5、所述上位机，通过千兆网口与步进频探地雷达连接；完成数据存储路径、配置文件、网络参数、通道数据状态标志的初始化配置；设置步进频探地雷达探测参数；依据设置的探测参数创建动态缓存，实时接收步进频探地雷达上传的基带i/q数据并送入缓存；实时运行步进频探地雷达成像算法，当有通道数据更新时导入相对应通道的基带i/q数据后进行数据在线分析并显示雷达成像算法信息；

6、所述步进频探地雷达成像算法为：拆分i/q数据，提取出通道脉压点实部和虚部数据，经归一转换处理后合成距离像，从而确定目标数量及位置。

7、进一步地，在步进频探地雷达工作过程中上位机可以动态调整探地雷达的探测参数。

8、进一步地，所述探测参数包括：起始频率sf、截止频率ef、步进频率stf、脉宽pl、数据采集点数np、天线通道数量ant以及接收机增益gain。

9、进一步地，所述雷达成像算法信息包含目标数量、目标位置、探测帧率、探测时间、算法耗时。

10、进一步地，所述上位机还提供浅层探测、深层探测、高分辨探测、快速探测模式，上述模式下无需手动设置探测参数，由上位机自动配置步进频探地雷达探测参数。

11、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

12、一种步进频探地雷达实时在线分析方法，包括以下步骤：

13、s1.上位机初始化网络参数、数据存储路径、配置文件，通道数据状态标志；

14、s2.上位机通过网络连接步进频探地雷达，建立通道数据监听线程；

15、s3.在雷达探测参数能够确定的情况下，通过上位机设置步进频探地雷达的探测参数并将参数保存至配置文件中，依据设置的天线通道数量、数据采集点数创建动态缓存，雷达探测参数设置成功后，发送雷达探测开始指令；

16、s4.步进频探地雷达接收到探测开始指令后，中频采样雷达目标回波经正交解调、脉冲压缩后获取基带i/q数据，并将i/q数据上传上位机；上位机在通道数据监听线程中实时判断并接收步进频探地雷达上传的i/q数据并送入缓存；

17、s5.上位机发送雷达探测开始指令后，运行步进频探地雷达成像算法，当判断到通道数据有更新时导入相对应通道的基带i/q数据后进行数据在线分析，显示雷达成像算法信息；

18、s6.执行步骤s3，改变步进频探地雷达探测参数，循环执行步骤s4至步骤s5，对比不同参数下雷达成像算法性能；

19、s7.在雷达探测参数不能确定的情况下，可不执行步骤s3，根据实际情况通过上位机选择不同探测模式，由上位机自动配置步进频探地雷达探测参数，发送雷达探测开始指令后，重复执行步骤s4至步骤s5，对比不同模式下雷达成像算法性能；

20、s8.上位机发送雷达探测结束指令，上位机停止运行步进频成像算法，关闭通道数据监听线程，删除动态缓存，释放内存，步进频探地雷达接收到探测结束指令后停止上传数据。

21、进一步地，所述步骤s4中，上位机在通道数据监听线程中实时判断并接收步进频探地雷达上传的i/q数据并送入缓存，具体为：

22、s4-1.在通道数据监听线程中定义cn为网络接收的数据长度变量，初始化为0，定义cl当前通道号变量，初始化为0；

23、s4-2.接收一帧数据，若帧头符合协议规定字符，即数据帧长度为帧头长度和上位机设定的数据采集点数np之和，则执行下一步；反之，则丢弃该帧数据，重新执行步骤s4-2；

24、s4-3.将接收的一帧数据，依次存入缓存数组中，以1个字节为基本单位对cn进行累加计数；

25、s4-4.循环执行步骤s4-2至s4-3，当cn＝＝2×np-1时，将cl通道对应的通道数据状态标志置1，然后cl加1，cn置零；

26、s4-5循环执行步骤s4-2至s4-4，当cl＝＝ant-1时，cl置零，其中ant为上位机设定天线通道数量。

27、进一步地，所述步骤s5中，运行步进频探地雷达成像算法，判断到通道数据有更新时导入相对应通道的基带i/q数据后进行数据在线分析，显示雷达成像算法信息，具体为：

28、s5-1.遍历通道数据状态标志，当数值为1时将对应通道的数据导入步进频探地雷达成像算法中；

29、s5-2.将导入的通道数据进行归一转换，降低噪声对目标回波信号的影响；

30、s5-3.提取对应通道中脉压点的实部数据a[k]；

31、s5-4.提取对应通道中脉压点的虚部数据b[k]；

32、s5-5.计算对应通道中脉压点的幅度值c[k]：

33、

34、s5-6.计算脉压点归一化后的幅度值d[k]：

35、

36、其中，maxc为通道中脉压点的最大幅度值，k为采样点数变量。

37、s5-7.将采样点数量k转换为雷达探测距离m，根据距离像曲线中波峰及波峰坐标，从而确定探测目标及位置，运算完毕将通道数据状态标志置零，转换公式如下：

38、

39、其中，c为光速，n为步进频探地雷达频点数，stf为步进频率，ε为介质介电常数，β为位置补偿系数，k为采样点数。

40、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

41、一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的步进频探地雷达实时在线分析方法。

42、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

43、一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的步进频探地雷达实时在线分析方法。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、本发明提供的步进频探地雷达实时在线分析系统，可以在探地雷达工作过程中动态调整探地雷达的起始频率、截止频率、步进频率、天线通道数量、接收机增益、数据采集点数等参数，实现不同参数下目标探测，提高目标分辨率。

46、本发明实时采集步进频探地雷达上传的基带i/q数据，通过数据拆分后获取脉压点的实部、虚部，以此合成探测目标的距离像，可进行数据在线分析，通过导入不同探测参数下的数据源实时验证探地雷达成像算法性能。

47、本发明提供了步进频探地雷达浅层探测、深层探测、高分辨探测、快速探测等快捷探测模式，上述模式上位机自动配置探地雷达探测参数，能够满足不同探测需求，环境适应性强，有效提高探测效率。本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。