[0001] 本实用新型属于专用雷达地下目标探测领域，具体的说涉及该领域内的一种集成准实时高速采样技术、高频微波收发开关、阵列天线和隐蔽病害自动识别技术的雷达装置。

[0002] 提高市政道路管养水平，快速有效地解决市政道路塌陷灾害预警、市政管网分布查找、城市道路养护普查等问题，已成为重要的民生问题。在城市地下管线和道路安全检测地下目标探测领域，传统二维探地雷达应用技术发展的局限性和瓶颈制约已很明显，主要体现在：测线间距大，覆盖面有限，对病害识别有可能漏判和误判；数据解译难度大，数据分析效率低，对业内经验要求较高，病害识别费时费力效率低下。实用新型内容

[0003] 本实用新型为了解决目前地下目标探测中二维雷达自身缺陷问题和常规三维阵列探地雷达作业速度慢、目标识别效率低的技术问题，提供一种高精度、高效率的具备隐蔽病害自动识别功能的高速三维阵列探地雷达装置，可方便快速的对高速公路、城市道路、机场、铁路等环境的地下目标病害进行检测、评估。

[0004] 为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

[0005] 一种具备病害自动识别功能的高速准实时三维阵列探地雷达装置，其改进之处在于：装置包括显示控制单元、主控单元，阵列天线单元和外设，主控单元包括嵌入式控制与高速AD采集模块、供电模块、外设接口模块、高频微波发射开关、高频微波接收开关和发射触发脉冲模块，阵列天线单元包括发射天线阵列和接收天线阵列，外设包括摄像机、测距轮和定位设备，显示控制单元通过网络与嵌入式控制与高速AD采集模块和摄像机连接通信，嵌入式控制与高速AD采集模块与外设接口模块、高频微波发射开关、高频微波接收开关、阵列天线单元和发射触发脉冲模块电连接，外设接口模块为测距轮和定位设备提供外接数据接口，发射触发脉冲模块与高频微波发射开关电连接，高频微波发射开关与发射天线阵列电连接，高频微波接收开关与接收天线阵列电连接，供电模块为装置内的各部件供电。

[0006] 进一步的，显示控制单元的载体为工控机或加固笔记本电脑，内置病害自动识别模块；摄像机实时采集装置前方或者后方75°视角内的工作影像，提供高清视频流。

[0007] 进一步的，嵌入式控制与高速AD采集模块采用FPGA加DSP架构的处理器，FPGA与DSP之间采用4线 SRIO进行数据通信，通信速率支持1.24、2.5、3.125、5GBaud每线。

[0008] 进一步的，定位设备包括GPS和RTK。

[0009] 进一步的，发射触发脉冲模块产生最小10ps的扫频发射触发信号。

[0010] 进一步的，高频微波发射开关和高频微波接收开关的通道间切换速度不超过1μs。

[0011] 进一步的，发射天线阵列的每个发射天线单独配套发射机和供电。

[0012] 进一步的，接收天线阵列的每个接收天线单独配套可变增益的低噪放和滤波电路模块。

[0013] 进一步的，供电模块由外部电池或者车载电源供电。

[0014] 本实用新型的有益效果是：

[0015] 本实用新型所公开的雷达装置，采用准实时高速采样技术，以交错式AD采样技术通过数个发射脉冲重复，达到数十G准实时采样速率。同时结合发射内插技术，实现多通道阵列接收，通过时分复用采集接收，减少通道差异性引起的三维数据处理误差。

[0016] 高速、高效的实时采集和多通道阵列天线的切换导致控制逻辑的复杂和海量的数据处理量，本实用新型所公开的雷达装置，采用嵌入式控制与数据实时处理技术，以“FPGA+DSP”为架构的嵌入式处理器，既可以实现高频微波收发开关的逻辑控制和工作时序产生，又可以进行数字滤波、零点校正、增益处理、叠加处理等实时数字处理算法；还可以实现千兆网络数传功能，保证所测数据及时上传至显示控制单元。

[0017] 本实用新型所公开的雷达装置，针对不同探测环境，对探测结果中的隐蔽病害能够自动识别与定位。针对公路、隧道衬砌、铁路路基能分辨不同目标体内的钢筋网、管道网的三维分布情况。结合大数据、人工智能、神经网络学习等技术手段，自动识别目标体内可能会出现的空洞、脱空、不密实区、蜂窝麻面等不良病害情况，并实时标注于探测雷达图像上。

[0021] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

[0022] 相比于二维雷达探测的“瞎子摸象”，三维阵列探地雷达采用阵列天线技术，设置多通道，进行高密度、快速全覆盖扫描，得到一组立体数据，根据此三维数据体就能给出地下目标体的立体图像（三维立体图）。利用隐蔽病害自动识别算法，解释不同方向、位置剖面数据的同时，也利用由浅至深，相邻层的水平切片图进行数据解释，可自动分析地下目标的管线分布、空洞、裂缝、介质不密实等病害缺陷，同时结合视频采集和定位装置，准确定位和及时修复病害。

[0023] 实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种具备病害自动识别功能的高速准实时三维阵列探地雷达装置，包括显示控制单元1、主控单元2，阵列天线单元3和外设4，主控单元包括嵌入式控制与高速AD采集模块、供电模块、外设接口模块、高频微波发射开关、高频微波接收开关和发射触发脉冲模块，阵列天线单元包括发射天线阵列和接收天线阵列，外设包括摄像机、测距轮和定位设备，显示控制单元通过网络与嵌入式控制与高速AD采集模块和摄像机连接通信，嵌入式控制与高速AD采集模块与外设接口模块、高频微波发射开关、高频微波接收开关、阵列天线单元和发射触发脉冲模块电连接，外设接口模块为测距轮和定位设备提供外接数据接口，发射触发脉冲模块与高频微波发射开关电连接，高频微波发射开关与发射天线阵列电连接，高频微波接收开关与接收天线阵列电连接，供电模块为装置内的各部件供电。

[0024] 如图2所示，本实施例所公开雷达装置的具体实现方式为：显示控制单元的载体为工控机、加固笔记本电脑等终端设备，安装实时采集控制软件和隐蔽病害自动识别软件模块。其负责整个雷达装置数据的输入输出管理，并包含人机交互接口。用户可通过网络通信控制雷达主机的工作状态，观察采集到的实时雷达数据、视频采集图像数据以及处理后的三维切片图像，显示控制单元根据采集的雷达数据自动进行病害分析，并将结果标注到显示图像上。显示控制单元自动同步雷达数据和视频采集数据。

[0025] 内含病害自动识别模块的显示控制单元通过千兆网络与主控单元的嵌入式控制与高速AD采集模块和高清摄像机互联，病害自动识别模块根据不同的检测环境加载不同的识别算法，常用的有公路病害识别算法、隧道衬砌病害识别算法、铁路路基病害识别算法等。高清摄像机实时采集装置前方或者后方75°视角内的工作影像，提供高清视频流，并以网络传输协议实时传送到显示控制单元进行存储备份和数据转发。用户通过UDP\TCP通信协议设置雷达工作参数，主要包括通道数量、采集速率、时窗、信号位置、采样间隔等。主控单元根据用户设定的工作参数产生系统工作时序，控制天线的工作重复频率，输出经脉冲形成调理的步进发射触发脉冲；控制高频微波收发开关的切换控制；对回波信号进行高速AD采集，并进行叠加、滤波等信号预处理；同时接收外部的GPS信号和测距轮同步脉冲，同步于雷达数据。阵列天线通过步进发射触发信号触发发射天线内部的发射机工作，产生固定中心频率的发射信号通过天线阵子对外辐射，接收天线实时接收宽频回波信号后，经可控增益的低噪声放大器和滤波器后输出至高频微波接收开关，供后续采集处理。

[0026] 嵌入式控制与高速AD采集模块采用高性能FPGA+DSP为架构的处理器作为模块处理中枢。作为整个雷达装置的工作核心单元，FPGA处理器根据用户设定的工作参数产生雷达装置工作时序；控制阵列天线的工作重复频率，输出发射脉冲至发射触发脉冲模块；负责高频微波收发开关的切换控制；负责回波信号的高速AD采集；同时接收外部的GPS信号和测距轮同步脉冲，同步雷达数据。DSP处理器负责采集数据的拼接、叠加、滤波、去除零偏等信号实时预处理；并负责TCP\UDP网络协议的打包实现和传输功能。FPGA与DSP之间采用高速4线（Lane） SRIO进行数据通信，通信速率可支持1.24/2.5/3.125/5GBaud每线（Lane）。供电模块主要功能是将外部电池或者车载电源供电输入转化产生雷达装置工作的各种电源，包括嵌入式控制与高速AD采集模块电源、发射天线电源、接收天线电源、外设电源；外设接口模块提供测距轮、GPS\RTK等定位设备的外接数据接口，转换为内部其他单元需要的逻辑接口，以同步雷达图像数据。测距轮按照固定采样间隔提供天线工作触发基准脉冲，以计算实际测量距离。GPS\RTK定位设备可提供厘米级高精度定位数据，同步雷达采集数据，可结合百度地图、Google Maps等数字地图进行检测切片结果实景显示。高频微波收发开关负责阵列天线间的通道切换，为满足准实时采样技术，通道间切换速度不超过1μs，且开关通道数量根据不同的天线布局可任意组合设置。发射触发脉冲模块负责为发射天线提供幅度合适的触发信号，并同步触发时序。发射触发脉冲模块将发射触发信号在延时电路的作用下进行精确、均匀的步进延时扫描，并经过脉冲形成电路进行整形放大后输出到阵列发射天线，该模块可产生最小10ps的扫频发射触发信号。

[0027] 嵌入式控制与高速AD采集模块作为该雷达装置的核心模块，区别以往传统探地雷达的等效取样技术，其采用准实时交错式AD采样技术来实现高速实时采集。它通过重复数个延时发射脉冲信号，以数GHz的AD芯片来交错采集回波信号，最终达到几十GHz的实时采样频率。该技术优点是等效AD采样速率高，效率高，是等效采样体制的几百倍。而且多通道间复用AD采集芯片，减少了因温度、器件差异性导致的硬件采集结果差异，从而减少数据合时由通道幅度不一致造成的影响。

[0028] 发射天线阵列的每个发射天线单独配套发射机和供电，接收天线阵列的每个接收天线单独配套可变增益的低噪放和滤波电路模块，工作前由控制电路根据工作环境设定合适的增益值。阵列天线通道数量受限于高频微波开关通道数量，其按一定布局组成水平斜向极化形式或者垂直极化形式。为提高测线数量和数据采集效率，采取一发两收布局工作方式。阵列天线收发天线中心频率一致，根据不同的应用场景需求配置不同的工作频率天线，一般道路病害检测工作频率为200MHz和400MHz，隧道衬砌病害检测工作频率为800MHz。