一种多通道隧道探地雷达系统与测试装配方法

技术领域

本发明属于探地雷达技术领域，具体涉及一种多通道隧道探地雷达系统与测试装配方法。

背景技术

探地雷达作为一种利用高频电磁波获取地下介质分布规律的无损探测设备，是隧道衬砌空洞、裂缝等病害检测的主流方法，具有快速、高分辨等优点。传统的多通道探地雷达通常由时序控制模块、信号源、收发天线、上位机四部分构成，根据接收机和发射机的数量不同可分为多发多收和一发多收两种体系。前者通常有多组收发天线和脉冲源，可同时配置多个频段，用于提高雷达的探测精度和范围；后者通常有一个发射天线、一个脉冲源和多个接收天线，只能配置一个频段，用于满足如三维成像等一系列更为复杂的探测需求。

多发多收体系的多通道探地雷达从工作原理和工作性能上相当于多个同时工作且互不干扰的单通道探地雷达，因而可以显著提高隧道病害检测过程中的探测精度和范围。

目前市面上多发多收体系的多通道探地雷达主机结构不够牢固，容易影响雷达系统的工作稳定性；外部信号接口容易损坏，信号质量容易受到影响；收发机天线固定不可调，不利于调试和优化设计；收发机外壳多棱角且防水性差，在隧道复杂潮湿的环境使用时容易磕碰受损，渗水受潮等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道隧道探地雷达系统与测试装配方法，收发天线间距可调，通过收发机天线可调结构，方便调试，且主机结构牢固。

本发明采用以下技术方案：一种多通道隧道探地雷达系统，该系统包括：主机箱体和多个收发机；该多通道隧道探地雷达系统用于非接触式探测隧道结构病害；

其中：该主机箱体与多个收发机相连接，还与多普勒雷达和电脑上位机相连接；

该收发机包括：收发机主体、收发机天线可调结构、天线卡槽、发射天线、接收天线，其中：

该收发机主体，为上下两层结构的箱体；

该收发机天线可调结构，设置于收发机主体下层内的侧壁上，包括：上水平滑槽、下水平滑槽和天线卡槽；

该上水平滑槽，其水平设置，位于发机主体下层内侧壁，且位顶部，水平滑槽为一组，位于左右相对向的两个侧壁上，端部延伸至其所在侧壁的端部；

该下水平滑槽，其水平设置，位于所述上水平滑槽所在的侧壁的底部，端部延伸至其所在侧壁的端部；

该天线卡槽，为四根，均竖直设置，两两位于左右两侧的所述上水平滑槽和下水平滑槽间，且均可前后滑动；天线卡槽前后分为两组，一组天线卡槽的上端承载架设接收天线，另一组的上端承载架设发射天线。

进一步地，该收发机主体上下两层之间由水平向的隔板隔开，在所述收发机主体内的上层其而位于隔板上设置有采样单元和脉冲源，所述采样单元与接收天线相连接，所述脉冲源与发射天线相连接。

进一步地，在该收发机主体内，且位于上水平滑槽下部的侧壁上，以及所述隔板的下部均覆盖有铁氧体水平吸波材料。

进一步地，该主机箱体内设置有采集卡、电源模块和时序控制电路板，其一侧壁上设置有DB8航空插座和USB航空插座；

该DB8航空插座用于与多普勒雷达相连接，所述USB航空插座与所述电脑上位机相连；

该电源模块与所述六芯同轴集束电缆插座电源端子连接，还与采集卡、时序控制电路板和多普勒雷达连接供电；所述六芯同轴集束电缆插座为多个，设置于所述收发机主体一侧壁上，且沿上下方向间隔安装。

进一步地，在该收发机主体内的空间，且位于所述上水平滑槽下部填充满珍珠棉板材，用于柔性支撑及固定接收天线和发射天线。

进一步地，在该收发机主体上部带有可开合的收发机上盖；所述收发机上盖的下部，其环绕一周一体设置有向下延伸的边沿，所述边沿位于所述收发机主体内，且其外侧壁与所述收发机主体的内侧壁紧密贴合；所述收发机上盖和收发机主体的四角处均为圆弧状。

进一步地，在该收发机主体内，且位于所述收天线和发射天线间还设置有与天线面平行的竖直隔板，所述竖直隔板的前后侧面上均贴敷有铁氧体水平吸波材料。

进一步地，该采集卡和电源模块各设置于金属壳体内，且所述金属壳体的下侧壁上开设有螺纹孔；

各所述金属壳体通过金属压片固定，并安装于所述主机箱体内底部，所述金属压片为一板体，其上开设有连接孔，所述连接孔的位置与螺纹孔的位置相一致，并通过螺钉穿入固定，且所述金属压片的端部固定连接于主机箱体底板上。

进一步地，各天线卡槽的两端均通过紧固螺栓与所述上水平滑槽和下水平滑槽相连接。

本发明还公开了上述的一种多通道隧道探地雷达系统装配测试方法，如下：

步骤s1.所述收发机性能测试与装配，具体如下：

步骤s11.所述收发机性能测试：在所述收发机主体内，且位于上水平滑槽下部的侧壁上、收发机上盖下部以及竖直隔板的前后侧面上贴敷铁氧体水平吸波材料；使所述天线卡槽始终垂直于所述上水平滑槽和下水平滑槽；

利用矢量网络分析仪分别观察发射天线和接收天线的S参数曲线特性，直到发射天线和接收天线在收收发机主体内均取得最佳的10dB阻抗带宽；

步骤s12.所述收发机装配，具体如下：在所述收发机主体内，上水平滑槽下方的空间内装填满珍珠棉板材，用于支撑固定所述发射天线和接收天线；所述采样单元与接收天线以及脉冲源和发射天线连接，所述收发机上盖和收发机主体紧密扣紧贴合；

步骤s2.所述主机箱通信测试与装配，具体如下：

步骤s21.所述主机箱通信测试：将所述主机箱与USB航空插座相连接，测试采集卡通信功能是否正常，正常执行下一步；

步骤s22.将六芯同轴集束电缆的六个分支分别与主机箱体内的采集卡、电源模块以及时序控制电路板的对应端口相连，实现与收发机的数据交互以及电源供受；

步骤s3.多通道整机联调测试，具体如下：

将所述多普勒雷达输入信号通过电缆和DB8航空插座传入主机箱体内并与采集卡相连；多个所述收发机与主机箱通过六芯同轴集束电缆连接，将采集卡采集到的雷达回波数据通过USB航空插座与电脑上位机相连，利用电脑上位机同时显示多个通道的探地雷达回波波形，分别在时间采样和距离采样模式下观察探测目标移动时，显示的回波波形是否发生实时变化，保证数据处理速率满足实时显示和存储要求。

本发明的有益效果是：1.在非接触条件下进行隧道衬砌结构质量探测，不受隧道衬砌附属物的影响，安全性有保障，适用于搭载于移动载体进行快速探测。2.收发天线间距可调，通过收发机天线可调结构，便于发射天线和接收天线的S参数调整，使其均获得10dB阻抗带宽，探测深度大。3.一个主机对应多个收发机，可同时布置多条测线，提高探测辐射范围。4.收发机发射天线和接收天线之间的耦合度低，抗外界干扰能力强，回波信号质量好。5.主机箱结构牢固，不会影响雷达系统的工作稳定性。

附图说明

图1是多通道隧道病害检测探地雷达系统结构示意图；

图2是主机箱体内部结构示意图；

图3是收发机主体内部天线可调结构示意图；

图4收发机主体内部上层结构示意图；

图5是收发机壳体外部结构示意图；

图6是多通道隧道病害检测探地雷达系统测试与装配方法流程图。

其中：1.主机箱体，2.六芯同轴集束电缆插座，3.收发机，4.DB8航空插座，5.USB航空插座，6.电脑上位机，7.多普勒雷达，101.USB航空插座安装孔，102.DB8航空插座安装孔，103.采集卡，104.金属压片，105.电源模块，106.金属壳体，107.时序控制电路板，108.六芯同轴集束电缆安装孔，301.收发机上盖，302.收发机主体，302a.紧固螺栓，302b.天线卡槽，302c.水平滑槽，302d.下水平滑槽，302e.发射天线，302f.接收天线，302g.铁氧体水平吸波材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种多通道隧道探地雷达系统，如图1、2、3和4所示，包括：主机箱体1和多个收发机3；该多通道隧道探地雷达系统用于非接触式探测隧道结构病害，与隧道衬砌间的距离为0.5-4m，不受隧道衬砌附属物的影响，安全性有保障；可安装在机械臂，并假设在移动装置上，监测速度快。其中：主机箱体1与多个收发机3相连接，还与多普勒雷达7和电脑上位机6相连接；

收发机3包括：收发机主体302、收发机天线可调结构、天线卡槽302b、发射天线302e、接收天线302f，其中：收发机主体302，为上下两层结构的箱体；

收发机天线可调结构，设置于收发机主体302下层内的侧壁上，包括：上水平滑槽302c、下水平滑槽302d和天线卡槽302b；

上水平滑槽302c，其水平设置，位于发机主体302下层内侧壁，且位顶部，水平滑槽302c为一组，位于左右相对向的两个侧壁上，端部延伸至其所在侧壁的端部；

下水平滑槽302d，其水平设置，位于上水平滑槽302c所在的侧壁的底部，端部延伸至其所在侧壁的端部；

天线卡槽302b，为四根，均竖直设置，两两位于左右两侧的上水平滑槽302c和下水平滑槽302d间，且均可前后滑动；天线卡槽302b前后分为两组，一组天线卡槽302b的上端承载架设接收天线302f，另一组的上端承载架设发射天线302e。发射天线302e和接收天线302f间的距离可调，其距离以满足在收收发机主体302内取得最佳的10dB阻抗带宽。

收发机3用于：其底部朝向隧道被探测处，脉冲源302i在触发信号的作用下由发射天线302e辐射电磁窄脉冲信号，由底部辐射至隧道被探测处；接收天线302f接电磁回波信号，并由采样单元302h采样并恢复为低频雷达回波信号输出至电脑上位机6。

如图5所示，收发机主体302上下两层之间由水平向的隔板303隔开，在收发机主体302内的上层其而位于隔板303上设置有采样单元302h和脉冲源302i，采样单元302h与接收天线302f相连接，脉冲源302i与发射天线302e相连接。水平隔板303上开设有天线引线连接孔303a，可拆卸式固定在收发机主体内部设置有天线卡槽302b的凸台上部。

在收发机主体302内，且位于上水平滑槽302c下部的侧壁上，以及隔板303的下部均覆盖有铁氧体水平吸波材料302g。

主机箱体1内设置有采集卡103、电源模块105和时序控制电路板107，其一侧壁上设置有DB8航空插座4和USB航空插座5；

DB8航空插座4用于与多普勒雷达7相连接，USB航空插座5与电脑上位机6相连；

电源模块105与六芯同轴集束电缆插座2电源端子连接，还与采集卡103、时序控制电路板107和多普勒雷达7连接供电；六芯同轴集束电缆插座2为多个，设置于收发机主体302一侧壁上，且沿上下方向间隔安装。

在收发机主体302内的空间，且位于上水平滑槽302c下部填充满珍珠棉板材，用于柔性支撑及固定接收天线302f和发射天线302e。

在收发机主体302上部带有可开合的收发机上盖301；收发机上盖301的下部，其环绕一周一体设置有向下延伸的边沿，边沿位于收发机主体302内，且其外侧壁与收发机主体302的内侧壁紧密贴合；在收发机主体302内四角的侧壁上，且位于上水平滑槽302c上部设置有收发机上盖紧固座302j，收发机上盖紧固座302j为条状凸起。收发机上盖301和收发机主体302的四角处均为圆弧状。

在收发机主体302内，且位于接收天线302f和发射天线302e间还设置有与天线面平行的竖直隔板，竖直隔板的前后侧面上均贴敷有铁氧体水平吸波材料302g。使雷达信号只在特定的底部方向辐射，不会在其他方向辐射，且外面的杂波信号不会进来。竖直隔板的前后侧面上均贴敷有铁氧体水平吸波材料302g，以降低接收天线302f和发射天线302e之间的耦合。铁氧体水平吸波材料302g厚度在2.5mm以下。

采集卡103和电源模块105各设置于金属壳体106内，且金属壳体106的下侧壁上开设有螺纹孔；

各金属壳体106通过金属压片104固定，并安装于主机箱体1内底部，金属压片104为一板体，其上开设有连接孔，连接孔的位置与螺纹孔的位置相一致，并通过螺钉穿入固定，且金属压片104的端部固定连接于主机箱体1底板上。

各天线卡槽302b的两端均通过紧固螺栓302a与上水平滑槽302c和下水平滑槽302d相连接。

各金属壳体106通过金属压片104固定，并安装于主机箱体1内底部，金属压片104为一板体，其上开设有连接孔，连接孔的位置与螺纹孔的位置相一致，并通过螺钉穿入固定，且金属压片104的端部固定连接于主机箱体1底板上。通过金属压片104使采集卡103和电源模块105与金属壳体106之间稳固连接，保证两个设备在使用过程中不会因为外接的晃动而出现工作不稳定的情况。金属压片104下表面与带内螺纹的金属壳体106上表面在未连接平头螺栓时相距2mm，以方便固定。

上述的一种多通道隧道探地雷达系统装配测试方法，如图6所示，如下：

步骤s1.收发机3性能测试与装配，具体如下：

步骤s11.收发机3性能测试：在收发机主体302内，且位于上水平滑槽302c下部的侧壁上贴敷铁氧体水平吸波材料302g；使天线卡槽302b始终垂直于上水平滑槽302c和下水平滑槽302d；

利用矢量网络分析仪分别观察发射天线302e和接收天线302f的S参数曲线特性，直到发射天线302e和接收天线302f在收收发机主体302内均取得最佳的10dB阻抗带宽；利用引线将射频信号从收发天线引出，装配时使用外部加载铁氧体环的0-3GHz频段SMA同轴线作为收发天线的射频信号引线。

步骤s12.收发机3装配，具体如下：在收发机主体302内，上水平滑槽302c下方的空间内装填满珍珠棉板材，用于支撑固定发射天线302e和接收天线302f；收发机上盖301和收发机主体302紧密扣紧贴合；

步骤s2.主机箱1通信测试与装配，具体如下：

步骤s21.主机箱1通信测试：将主机箱1与USB航空插座5相连接，测试采集卡103通信功能是否正常，正常执行下一步；

步骤s22.将六芯同轴集束电缆2的六个分支分别与主机箱体1内的采集卡103、电源模块105以及时序控制电路板107的对应端口相连，实现与收发机3的数据交互以及电源供受；

步骤s3.多通道整机联调测试，具体如下：

将多普勒雷达7输入信号通过电缆和DB8航空插座4传入主机箱体1内并与采集卡103相连；多个收发机3与主机箱1通过六芯同轴集束电缆连接，将采集卡103采集到的雷达回波数据通过USB航空插座5与电脑上位机6相连，利用电脑上位机6同时显示多个通道的探地雷达回波波形，分别在时间采样和距离采样模式下观察探测目标移动时，显示的回波波形是否发生实时变化，保证数据处理速率满足实时显示和存储要求。

系统测试与装配遵循电磁物理规律和设备电气指标要求分步进行，保证系统各部分功能正常，同时通过收发机天线可调结构，调试步骤的程序化，避免了反复拆装，缩短测试调试时间。