本技術(shù)涉及探地雷達(dá)探測(cè)，更具體地說(shuō)，是涉及一種車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償方法及補(bǔ)償系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、車輛搭載的探地雷達(dá)被用于實(shí)時(shí)檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)與缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中，探地雷達(dá)設(shè)備受到車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾，尤其是由于路面不平整引起的車輛振動(dòng)和傾斜，導(dǎo)致探地雷達(dá)的探測(cè)信號(hào)容易受到干擾，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的精度。車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的抖動(dòng)會(huì)引起信號(hào)偏差與失真，車輛在不平坦路面行駛時(shí)，車體的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致探地雷達(dá)的探測(cè)天線與地面的相對(duì)位置發(fā)生變化，尤其是垂直方向的偏移，這種變化會(huì)使得雷達(dá)的發(fā)射和接收信號(hào)失真，影響對(duì)地下目標(biāo)的精確探測(cè)；由于車體傾斜角度和振動(dòng)幅度的變化難以實(shí)時(shí)精確估算，導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。為了應(yīng)對(duì)車輛行駛中的振動(dòng)干擾。目前，現(xiàn)有專利多聚焦于探地雷達(dá)穩(wěn)定裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及軟件方法補(bǔ)償，如：

2、（1）公開(kāi)號(hào)為cn220354978u的中國(guó)實(shí)用新型專利，公開(kāi)了一種探地雷達(dá)的固定裝置，包括安裝臺(tái)、夾持機(jī)構(gòu)、減震機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)包括電機(jī)，電機(jī)的輸出端設(shè)置有雙向螺紋桿，雙向螺紋桿的表面螺紋連接有螺紋塊，螺紋塊的上端設(shè)置有夾持塊，夾持塊的內(nèi)部夾固有探地雷達(dá)本體，減震機(jī)構(gòu)包括連接柱，連接柱的內(nèi)部滑動(dòng)連接有活塞，活塞的上端固定連接有推桿。

3、（2）公開(kāi)號(hào)為cn102565769b的中國(guó)發(fā)明專利，公開(kāi)了探地雷達(dá)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法，利用幅相均衡技術(shù)，對(duì)理想的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行均衡后，并且將這些均衡后的信號(hào)放入fpga的rom中，使之能輸出理想的線性調(diào)頻信號(hào)。

4、然而，現(xiàn)有的抖動(dòng)補(bǔ)償措施主要依賴于軟件數(shù)據(jù)處理和固定安裝結(jié)構(gòu)，其補(bǔ)償能力有限，難以實(shí)時(shí)、有效地對(duì)車輛振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，無(wú)法很好地滿足現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中對(duì)高精度和高效率的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本技術(shù)采用的技術(shù)方案是一種車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟：

2、s1：通過(guò)數(shù)據(jù)處理器接收姿態(tài)檢測(cè)裝置采集的車架姿態(tài)信息，處理姿態(tài)信息計(jì)算車架傾斜角度，并將車架傾斜角度發(fā)送給補(bǔ)償處理器；

3、s2：由補(bǔ)償處理器對(duì)車架傾斜角度信息進(jìn)行基于路況自適應(yīng)噪聲與角度閾值調(diào)整以及多模型切換卡爾曼濾波處理，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻車架平臺(tái)的姿態(tài)并更新角度閾值；同時(shí)依據(jù)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)生成補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)命令并發(fā)送到機(jī)械補(bǔ)償裝置的位移控制器；

4、s3：位移控制器接收補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)命令，通過(guò)距離補(bǔ)償算法處理得到運(yùn)動(dòng)信息，將運(yùn)動(dòng)信息傳遞給機(jī)械補(bǔ)償裝置執(zhí)行補(bǔ)償動(dòng)作，使車架結(jié)構(gòu)趨于水平位置。

5、可選地，車架傾斜角度信息通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀同時(shí)測(cè)量并經(jīng)數(shù)據(jù)處理器計(jì)算得到，測(cè)量方法為由加速度計(jì)測(cè)量各軸的加速度分量，通過(guò)x，y，z軸的加速度計(jì)算車架傾斜角度：

6、；

7、式中，θaccel為加速度計(jì)測(cè)量并計(jì)算得到的車架傾斜角度，αx為x軸的加速度分量，αy為y軸的加速度分量，αz為z軸的加速度分量；

8、通過(guò)陀螺儀測(cè)量的角速度積分得到陀螺儀所測(cè)量的車架傾斜角度：

9、；

10、式中，為當(dāng)前時(shí)刻的陀螺儀所測(cè)量的車架傾斜角度；為初始角度；為陀螺儀測(cè)量的角速度。

11、可選地，多模型切換卡爾曼濾波包括根據(jù)車架傾斜角度信息判斷傾斜角是否超過(guò)初始角度閾值，若超出閾值，輸出此處為路面坑洼處，并將收集到的傾斜數(shù)據(jù)信息，作為無(wú)跡卡爾曼濾波的模型參數(shù)；若未超出閾值，則將收集到的傾斜數(shù)據(jù)信息作為線性卡爾曼濾波的模型參數(shù)。

12、可選地，線性卡爾曼濾波的算法的步驟如下：

13、預(yù)測(cè)階段：使用系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀所得到的角速度和傾斜角度，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻的姿態(tài)，預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣：

14、更新階段：根據(jù)加速度計(jì)和陀螺儀的實(shí)際觀測(cè)值，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行更新，計(jì)算卡爾曼增益，更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)，更新誤差協(xié)方差。

15、可選地，無(wú)跡卡爾曼濾波的算法步驟為：生成sigma點(diǎn)，從狀態(tài)的先驗(yàn)均值和協(xié)方差生成一組具有確定性分布的sigma點(diǎn)；預(yù)測(cè)sigma點(diǎn)的傳播，對(duì)每個(gè)sigma點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，傳播到下一個(gè)時(shí)刻；計(jì)算sigma采樣點(diǎn)的權(quán)重；通過(guò)sigma點(diǎn)重新估算預(yù)測(cè)均值和協(xié)方差：將上述重新估算預(yù)測(cè)均值和協(xié)方差帶入卡爾曼濾波中，獲得無(wú)跡卡爾曼濾波結(jié)果。

16、可選地，進(jìn)行基于路況自適應(yīng)噪聲與角度閾值調(diào)整的算法步驟為：

17、s2-1：殘差定義：

18、；

19、式中，ek表示殘差，zk表示觀測(cè)向量，h表示觀測(cè)矩陣，表示狀態(tài)估計(jì)；

20、s2-2：監(jiān)控殘差變化：

21、根據(jù)殘差均方誤差，自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程噪聲和測(cè)量噪聲；

22、s2-3：噪聲矩陣的自適應(yīng)調(diào)整：

23、根據(jù)殘差變化大小動(dòng)態(tài)調(diào)整噪聲協(xié)方差矩陣：

24、；

25、；

26、其中，為均值為0，協(xié)方差為的白噪聲矩陣，qk及qk-1分別表示k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的過(guò)程噪聲協(xié)方差矩陣，rk及rk-1分別表示k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的觀測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣，和是調(diào)節(jié)系數(shù)，∈，∈；

27、在噪聲調(diào)整的基礎(chǔ)上，多模型切換卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)和更新流程保持不變，但過(guò)程噪聲和測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣在每個(gè)濾波周期內(nèi)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整；

28、s2-4：傾斜角度閾值自適應(yīng)調(diào)整：

29、實(shí)時(shí)監(jiān)控殘差均方誤差的變化趨勢(shì)，系統(tǒng)在每個(gè)濾波周期內(nèi)自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前角度閾值：

30、；

31、；

32、；

33、其中，為當(dāng)前周期與前周期的殘差插值，為前一周期的殘差；若為正且連續(xù)增加，則表示殘差呈上升趨勢(shì)，表明路況變得更加復(fù)雜；若為負(fù)且連續(xù)減少，則表示殘差下降，表明路況趨于平穩(wěn)；為初始傾斜角度閾值，為最大傾斜角度10°，為最小傾斜角度2°；為高殘差閾值，為低殘差閾值，∈,∈；為增大步長(zhǎng)系數(shù)，為減少步長(zhǎng)系數(shù)，∈，∈。

34、可選地，通過(guò)距離補(bǔ)償算法處理得到運(yùn)動(dòng)信息的伸縮距離通過(guò)下式計(jì)算：

35、；

36、；

37、；

38、其中，θ為預(yù)測(cè)角度信息，為垂直方向位移；為陀螺儀與車架中心軸線的距離；為伸縮桿的與車架的夾角；為伸縮桿初始長(zhǎng)度；為下鉸鏈與車架水平位置的初始垂直距離；為伸縮桿所補(bǔ)償?shù)纳炜s距離。

39、本技術(shù)還提供了一種車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，包括：

40、姿態(tài)檢測(cè)裝置：包括加速度計(jì)和陀螺儀，用于監(jiān)測(cè)車架姿態(tài)信息并傳遞給數(shù)據(jù)處理器；

41、數(shù)據(jù)處理器：用于接收姿態(tài)檢測(cè)裝置所采集的車架姿態(tài)信息，處理姿態(tài)信息計(jì)算車架的傾斜角度，并將車架傾斜角度發(fā)送給補(bǔ)償處理器；

42、補(bǔ)償處理器：用于對(duì)車架傾斜角度信息進(jìn)行基于路況自適應(yīng)噪聲與角度閾值調(diào)整以及多模型切換卡爾曼濾波處理，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻車架平臺(tái)的姿態(tài)信息并更新角度閾值；同時(shí)依據(jù)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)生成補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)命令并發(fā)送到機(jī)械補(bǔ)償裝置的位移控制器；

43、位移控制器：用于接收補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)命令，通過(guò)距離補(bǔ)償算法處理得到運(yùn)動(dòng)信息，將運(yùn)動(dòng)信息傳遞給機(jī)械補(bǔ)償裝置；

44、機(jī)械補(bǔ)償裝置：用于接收運(yùn)動(dòng)信息，執(zhí)行補(bǔ)償動(dòng)作，使車架結(jié)構(gòu)趨于水平位置。

45、可選地，初始角度閾值為5°，機(jī)械補(bǔ)償裝置包括車架、輔助輪胎軸、輔助輪胎和伸縮桿，車架和輔助輪胎軸之間通過(guò)伸縮桿及伸縮彈簧連接，伸縮桿的一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接車架，另一端通過(guò)下鉸鏈連接輔助輪胎軸，伸縮桿設(shè)有位移控制器，車架和輔助輪胎之間設(shè)置有減震機(jī)構(gòu)。

46、可選地，加速度計(jì)和陀螺儀設(shè)置于伸縮桿與車架連接處，車架設(shè)置有防護(hù)蓋，數(shù)據(jù)處理器和補(bǔ)償處理器設(shè)置于防護(hù)蓋內(nèi)。

47、本技術(shù)所提供的一種車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償方法及補(bǔ)償系統(tǒng)的有益效果在于：

48、本技術(shù)所提供的車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，利用加速度計(jì)、陀螺儀、接收器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)抖動(dòng)條件下伸縮桿末端數(shù)據(jù)獲取，分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一時(shí)間點(diǎn)的伸縮桿末端位置預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)車載平臺(tái)姿態(tài)的預(yù)測(cè)、矯正，并進(jìn)一步利用連桿控制裝置，帶動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)健補(bǔ)償；

49、本技術(shù)所提供的車架載小型化高速探地雷達(dá)抖動(dòng)補(bǔ)償方法，利用卡爾曼濾波處理，自適應(yīng)噪聲與角度閾值調(diào)整機(jī)制，線性與非線性補(bǔ)償切換機(jī)制對(duì)車載探地雷達(dá)平臺(tái)下一時(shí)刻的姿態(tài)和初始角度閾值進(jìn)行預(yù)測(cè)更新，依據(jù)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)生成補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)命令控制伸縮桿進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)車輛行駛過(guò)程中雷達(dá)設(shè)備的抖動(dòng)補(bǔ)償，顯著提高探地雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)精度和抗干擾能力，靈活應(yīng)對(duì)不同路況。相對(duì)于僅利用機(jī)械補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的振動(dòng)狀態(tài)，還能夠根據(jù)路面變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，為道路檢測(cè)和基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)提供了更加可靠的技術(shù)支持。

50、本技術(shù)能夠大大縮減車載探地雷達(dá)設(shè)備的調(diào)試時(shí)間，提升車載探地雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)精度、抗振能力和適應(yīng)性，為高速行駛條件下的地下探測(cè)提供了更加可靠的解決方案，具有較廣闊的市場(chǎng)前景。