本發(fā)明涉及一種冰水情一體化雷達(dá)探測方法，是一種水文數(shù)據(jù)的采集方法，是一種使用雷達(dá)對冰層和水流深度探測的方法。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)冬季河流湖泊的水文觀測采用人工定點鉆孔的方式，探測冰厚和水深，在觀察區(qū)域內(nèi)采用固定距離或者根據(jù)經(jīng)驗確定采樣點位后打孔測量，只能得到一些稀疏的采樣點結(jié)果，既不能形成連續(xù)的測量結(jié)果，也耗費大量的人力物力。利用雷達(dá)可以探測冰層和水體的厚度，電磁波在冰層和水體內(nèi)部傳播時，其路徑、電磁場強度與波形隨介質(zhì)的介電常數(shù)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)回波的時間、幅度與波形信息，可以計算出冰層厚度和水深。由于冰層和水是不同的傳播媒介，電磁波在兩種物質(zhì)中的傳播路徑和場強等參數(shù)并不相同，必須使用不同頻率的雷達(dá)進(jìn)行測量才能取得滿意的效果?，F(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)往往只能單一的探測冰層或水層，無法同時對結(jié)冰河流等水體同時進(jìn)行冰層和水深的探測，這對于需要同時測量冰層厚度和水深的大面積測量工作，產(chǎn)生了很大的負(fù)擔(dān)，其測量過程也不夠精確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種冰水情一體化雷達(dá)探測方法，所述的方法采用相關(guān)層位追蹤算法，通過分析回波的相關(guān)性來實現(xiàn)層位的連續(xù)跟蹤和測量。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種冰水情一體化雷達(dá)探測方法，所述方法使用的雷達(dá)系統(tǒng)包括：帶有復(fù)合發(fā)射接收天線的雙頻雙通道雷達(dá)、衛(wèi)星定位裝置、數(shù)據(jù)處理和顯示裝置，所述的方法包括如下步驟：

參數(shù)設(shè)置的步驟：用于雙頻雙通道雷達(dá)進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)置，所述的測量參數(shù)包括：包括采樣頻率、采樣點數(shù)、介電常數(shù)、探測方式、道間距；

數(shù)據(jù)采集的步驟：用于帶動雙頻雙通道雷達(dá)在冰層上沿測線均勻移動，通過雙頻雙通道雷達(dá)采集冰層及水深數(shù)據(jù)，以及通過衛(wèi)星定位裝置實時采集地理坐標(biāo)信息；

信號預(yù)處理的步驟：用于雙頻雙通道雷達(dá)對采集后的數(shù)據(jù)，采用等效數(shù)字接收技術(shù)，把多次采樣得到一組信號拼接形成一個完整周期信號，復(fù)現(xiàn)原信號在時域中展寬的波形，同時加入多種可選濾波算法濾除高頻干擾信號，信號預(yù)處理后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理和顯示裝置；

數(shù)據(jù)存儲的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置將雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)與地理坐標(biāo)信息關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；

冰層水深厚度層位追蹤的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置首先對數(shù)據(jù)編輯和增益處理，對深層返回的微弱回波信號進(jìn)行增強，之后對冰層水深厚度層位追蹤，追蹤包括：選取前一道雷達(dá)數(shù)據(jù)作為參考，并根據(jù)指定的反射層起始位置和相關(guān)時間窗對當(dāng)前道和參考道進(jìn)行相關(guān)計算：

得到當(dāng)前道對應(yīng)于參考道測量層位反射信號的時間偏移量，從而得出當(dāng)前道層位反射信號在時間軸上的位置，應(yīng)用相關(guān)算法到每一道數(shù)據(jù)上；

獲得曲線并輸出的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置連接各個道層位反射信號在時間軸上的位置得到連續(xù)的冰層厚度和水體深度結(jié)果的實時曲線，通過數(shù)據(jù)處理和顯示裝置的顯示器顯示輸出的實時曲線。

進(jìn)一步的，所述的數(shù)據(jù)采集的步驟中的地理坐標(biāo)信息的采集，采用RTK定位方式。

進(jìn)一步的，所述的信號預(yù)處理的步驟中，雙頻雙通道雷達(dá)將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)處理和顯示裝置，所述網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議為：TCP或UDP協(xié)議。

進(jìn)一步的，所述的數(shù)據(jù)存儲與處理的步驟中，還包括對信號幅度進(jìn)行歸一化處理。

進(jìn)一步的，所述的獲得曲線并輸出的步驟中除圖像輸出外，還進(jìn)行語音數(shù)據(jù)播報和報表分析。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明采用了一種相關(guān)層位追蹤算法，通過分析回波的相關(guān)性來實現(xiàn)層位的連續(xù)跟蹤和測量，同時進(jìn)行地理位置的定位，可以快速、精確、高效的對冰層和冰層下的水深進(jìn)行測量，所述的方法替代了原人工測量，不但測量效率大大提高，并能實時得到所測點的測量值，獲得連續(xù)的測量結(jié)果，以數(shù)值和語音的方式提供給測量者，得到更好的測量結(jié)果和測量體驗，解決了水文觀測中需要人工打孔、采樣點少等困擾冬季水文觀測的難題。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述方法所使用的雷達(dá)系統(tǒng)原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例一所述方法的流程圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種冰水情一體化雷達(dá)探測方法，所述方法使用的雷達(dá)系統(tǒng)包括：帶有復(fù)合發(fā)射接收天線的雙頻雙通道雷達(dá)、衛(wèi)星定位裝置、數(shù)據(jù)處理和顯示裝置，如圖1所示。

所述的雙頻雙通道雷達(dá)利用發(fā)射天線向冰面下發(fā)射脈沖形式的雙頻寬帶電磁波，電磁波在冰層傳播過程中遇到水面時發(fā)生發(fā)射，反射信號到達(dá)冰層上表面后由接收天線接收，并經(jīng)過超寬帶接收機的轉(zhuǎn)換、放大、量化后形成雷達(dá)回波。根據(jù)回波極性、幅度、走時等參數(shù)，通過識別算法可自動計算出每道上冰層厚度和水深，利用相關(guān)算法對冰厚和水深進(jìn)行層位追蹤和噪點去除，實現(xiàn)冰厚水深連續(xù)同步綜合精確測量。

所述的衛(wèi)星定位裝置可以GPS或北斗之類的通過衛(wèi)星進(jìn)行精確定位的系統(tǒng)。同時還可以采用高精度的RTK定位方式，實時采集雷達(dá)系統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，再結(jié)合GIS系統(tǒng)來實現(xiàn)測量軌跡在冰面上的準(zhǔn)確定位。

所述的數(shù)據(jù)處理和顯示裝置是具有數(shù)字處理和運算，并具有顯示和人機交互功能的數(shù)字電子處理設(shè)備，可以是通用PC機，或工控計算機。

本實施例所述的雷達(dá)系統(tǒng)通過運行冰厚水深綜合探測雷達(dá)軟件，對采樣頻率、采樣點數(shù)、介電常數(shù)、探測方式、道間距等采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，接收由主控板經(jīng)網(wǎng)口發(fā)送上來的雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理和終端實時顯示，實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到實時冰厚水深數(shù)據(jù)顯示在冰厚水深綜合探測雷達(dá)軟件界面上，同時可以通過語音播報的形式通知操作者當(dāng)前探測的結(jié)果，冰厚水深綜合探測雷達(dá)軟件還具有工程管理等功能。

針對冰厚和水深綜合探測的特點，冰層厚度和水體深度的變化是連續(xù)的，在時間上表現(xiàn)為相鄰道號數(shù)據(jù)具有振幅穩(wěn)定性、漸變性，本方法中軟件增加了相關(guān)層位追蹤算法，通過分析回波的相關(guān)性來實現(xiàn)層位的連續(xù)跟蹤和測量。

在信號處理中，互相關(guān)是一個十分重要的概念，用于衡量在不同時刻兩個隨機過程之間的相互關(guān)系。設(shè)x(t)和y(t)是兩個信號樣本，y(t+τ)是y(t)時移τ后的信號，定義互相關(guān)函數(shù):

（1）

離散情況下的互相關(guān)公式為：

（2）

在本方法中，由于x(t)和y(t)屬于平穩(wěn)隨機過程，可以用時間平均代替統(tǒng)計平均。對于有限長度的離散時間序列x(n)和y(n)，互相關(guān)估計為：

（3）

在相鄰的探地雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)中，同一層界面反射信號的時延、波形等特征都是相近的，具有較好的相關(guān)性，只要能夠定量分析出這種相關(guān)性便可實現(xiàn)冰厚和水深層位的實時追蹤測量。在進(jìn)行相關(guān)層位追蹤前需要指定層位追蹤的參數(shù)，這些參數(shù)主要包括追蹤起始位置、相關(guān)時間窗等。相關(guān)時間窗表示相關(guān)計算的數(shù)據(jù)長度。

進(jìn)行綜合測試時，首先選取一道雷達(dá)數(shù)據(jù)作為參考，并根據(jù)指定的反射層起始位置和相關(guān)時間窗對當(dāng)前道和參考道進(jìn)行相關(guān)計算，得到當(dāng)前道對應(yīng)于參考道測量層位反射信號的時間偏移量，從而可以得出當(dāng)前道層位反射信號在時間軸上的位置，最后連接這些位置即可得到連續(xù)的冰層厚度和水體深度結(jié)果的曲線。

本實施例所述的方法包括如下步驟（流程見圖2）：

參數(shù)設(shè)置的步驟：用于雙頻雙通道雷達(dá)進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)置，所述的測量參數(shù)包括：包括采樣頻率、采樣點數(shù)、介電常數(shù)、探測方式、道間距。雷達(dá)系統(tǒng)開機上電后，首先進(jìn)行初始化，加載冰厚水深探測軟件，配置網(wǎng)口通信的IP地址和端口；主控板上FPGA自動從Flash中加載程序，并對外圍接口進(jìn)行配置，網(wǎng)口配置成TCP/IP協(xié)議模式，并自動發(fā)送溝通信息進(jìn)行設(shè)備間的自檢與互檢。

上電初始化完成后，利用雙頻雙通道雷達(dá)軟件對系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置參數(shù)利用網(wǎng)口傳遞給主控板，控制命令包括采樣頻率、采樣點數(shù)、介電常數(shù)、探測方式、道間距等。

數(shù)據(jù)采集的步驟：用于帶動在冰層上沿測線均勻移動，通過雙頻雙通道雷達(dá)采集冰層及水深數(shù)據(jù)，以及通過衛(wèi)星定位裝置實時采集地理坐標(biāo)信息。雙頻雙通道雷達(dá)可以做成小車形式，在冰層上有人力或機械推動沿測線進(jìn)行移動，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)確定等間隔的發(fā)射雙頻雷達(dá)脈沖信號。測線可以是縱橫坐標(biāo)式的也可以是極坐標(biāo)式的。在發(fā)射的同時，對雷達(dá)脈沖回波信號進(jìn)行接收，雷達(dá)天線和主控板采用分體設(shè)計并在雷達(dá)接收機中加入時變增益放大器，即避免了回波模擬信號對主控板的干擾，也可根據(jù)回波信號返回時間動態(tài)調(diào)整回波信號的增益，使進(jìn)入取樣電路的回波信號強度變得相對平穩(wěn)。

信號預(yù)處理的步驟：用于雙頻雙通道雷達(dá)對采集后的數(shù)據(jù)，采用等效數(shù)字接收技術(shù)，把多次采樣得到一組信號拼接形成一個完整周期信號，復(fù)現(xiàn)原信號在時域中展寬的波形，同時加入多種可選濾波算法濾除高頻干擾信號，信號預(yù)處理后將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理和顯示裝置。雙頻雙通道雷達(dá)可以選擇TCP或UDP協(xié)議，把預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳送給數(shù)據(jù)處理和顯示裝置進(jìn)行后期顯示和處理。

數(shù)據(jù)存儲的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置將雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)與地理坐標(biāo)信息關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)處理和顯示裝置通過網(wǎng)口送上來的雙頻雙通道雷達(dá)所采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)工程命名規(guī)則進(jìn)行存儲，以及衛(wèi)星定位裝置傳送過來的實時地理坐標(biāo)信息，地理坐標(biāo)信息與雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行存儲，為后續(xù)的分析提供技術(shù)支撐。原始數(shù)據(jù)中由于冰層雜質(zhì)、地形和人為誤操作等原因，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能真實反映實際冰水情況，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織和修正，如果測線剖面上信號幅度變化較大，還需要對信號幅度進(jìn)行歸一化處理；在軟件中采用背景噪聲去除功能，可以去除背景噪聲。

數(shù)據(jù)編輯和增益處理：由于冰水介質(zhì)對雷達(dá)波的吸收和傳播過程中的損耗，雷達(dá)回波信號會產(chǎn)生衰減，深度越大，能量衰減越大，這就會導(dǎo)致對深層目標(biāo)探測的判讀產(chǎn)生困難，利用相應(yīng)的軟件通過設(shè)置對回波信號進(jìn)行增益處理，對深層返回的微弱回波信號進(jìn)行增強。

冰層水深厚度層位追蹤的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置首先對數(shù)據(jù)編輯和增益處理，對深層返回的微弱回波信號進(jìn)行增強，之后對冰層水深厚度層位追蹤，追蹤包括：選取前一道雷達(dá)數(shù)據(jù)作為參考，并根據(jù)指定的反射層起始位置和相關(guān)時間窗對當(dāng)前道和參考道進(jìn)行相關(guān)計算：

得到當(dāng)前道對應(yīng)于參考道測量層位反射信號的時間偏移量，從而得出當(dāng)前道層位反射信號在時間軸上的位置，應(yīng)用相關(guān)算法到每一道數(shù)據(jù)上。

獲得曲線并輸出的步驟：用于數(shù)據(jù)處理和顯示裝置連接各個道層位反射信號在時間軸上的位置得到連續(xù)的冰層厚度和水體深度結(jié)果的實時曲線，通過數(shù)據(jù)處理和顯示裝置的顯示器顯示輸出的實時曲線。

圖像顯示輸出：可以向操作者直觀提供探測處理結(jié)果，由于所述的雷達(dá)系統(tǒng)針對冰層厚度和水深探測開發(fā)，冰水介質(zhì)相對比較純凈，通過雙頻雙天線采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，再根據(jù)兩種介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)的特性，在軟件中進(jìn)行處理直接得到冰層和水深的彩色圖像，通過界面顯示出來冰層和水深的直觀圖像，也可以通過軟件進(jìn)行色階調(diào)整，顯示灰度圖像，RGB圖像，偽彩圖等多種顯示方式，利于在不同情況下觀察圖像數(shù)據(jù)。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進(jìn)，是實施例一關(guān)于地理坐標(biāo)信息的細(xì)化。本實施例所述的數(shù)據(jù)采集的步驟中的地理坐標(biāo)信息的采集，采用RTK定位方式。

冰面上的大范圍移動測量缺少參照點，因此，本實施例采用高精度的RTK定位方式，實時采集雷達(dá)系統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，再結(jié)合GIS系統(tǒng)來實現(xiàn)測量軌跡在冰面上的準(zhǔn)確定位。RTK定位系統(tǒng)的另一個用途是通過GPS坐標(biāo)變化來設(shè)置采樣間距，這樣可根據(jù)不同的冰情測量需要在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，如長距離大范圍冰情調(diào)查的測量間距可設(shè)為1m一個采樣點，短距離精細(xì)化測量的測量間距可設(shè)為5cm一個采樣點，克服傳統(tǒng)的測距輪不能改變測量間距的問題。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?xì)化。本實施例所述的信號預(yù)處理的步驟中，雙頻雙通道雷達(dá)將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)處理和顯示裝置，所述網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議為：TCP或UDP協(xié)議。

根據(jù)雷達(dá)與數(shù)據(jù)處理和顯示裝置之間可以使用網(wǎng)絡(luò)傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議可以選擇TCP或UDP協(xié)議，把預(yù)處理后的采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳送給數(shù)據(jù)處理和顯示裝置進(jìn)行后期顯示和處理。網(wǎng)口模塊可以采用16位數(shù)據(jù)總線，速率可達(dá)到50Mbps，并可以根據(jù)通信數(shù)據(jù)吞吐量動態(tài)調(diào)整內(nèi)部存儲器的分配。

由于網(wǎng)絡(luò)傳輸可以是有線的也可以是無線的，傳輸?shù)木嚯x也可長可短。因此，雙頻雙通道雷達(dá)、衛(wèi)星定位裝置和數(shù)據(jù)處理和顯示裝置可以整合為一個體的設(shè)備，也可以將雙頻雙通道雷達(dá)和衛(wèi)星定位裝置配置和現(xiàn)場裝置，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理和顯示裝置連接，形成遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于數(shù)據(jù)存儲與處理的步驟的細(xì)化。本實施例所述的數(shù)據(jù)存儲與處理的步驟中，還包括對信號幅度進(jìn)行歸一化處理。

歸一化，即對信號的幅度進(jìn)行限制，將幅度過大的信號除去，避免擾亂信號的處理。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進(jìn)，是上述實施例關(guān)于獲得曲線并輸出的步驟的細(xì)化。本實施例所述的獲得曲線并輸出的步驟中除圖像輸出外，還進(jìn)行數(shù)據(jù)定位、語音播報和報表分析。

數(shù)據(jù)定位與語音播報：為了適應(yīng)冰厚水深測量的作業(yè)特點，本實施例中可以加入數(shù)據(jù)定位和智能語音播報功能，數(shù)據(jù)定位功能在顯控終端上顯示當(dāng)前地理坐標(biāo)位置，可以直觀告訴操作者當(dāng)前測量位置，并在后期分析處理數(shù)據(jù)時能形成完整的測線地理信息和測量數(shù)據(jù)的結(jié)合圖像。另外雷達(dá)可以實時處理得到的冰層厚度和水深，在顯示界面上以數(shù)字形式實時顯示當(dāng)前探測點的數(shù)據(jù)，同時也可以用語音的方式實時播報當(dāng)前探測點數(shù)據(jù)，使操作員不用看屏幕就能知道當(dāng)前探測點的冰層厚度和水深，為水文測量的野外操作提供了非常便利實用的實時觀察功能。

報表分析：本實施例可以具備報表分析功能，對每條測線工程的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成基于時間、位置和冰厚水深的綜合測試圖，為水文信息探測和上報提供技術(shù)支撐，減少了人工繪制圖表的工作量。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案（比如雷達(dá)類型、數(shù)據(jù)處理的過程、步驟的先后順序等）進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。