一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统，用以解决探地雷达大面积、长距离、连续数据采集过程的精确定位问题，将探地雷达与差分GPS组成一体化的数据采集系统，采用同一脉冲触发探地雷达和GPS，以绝对GPS时间为参考，并结合探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，从而实现探地雷达图像上每道数据与位置信息的精确匹配。本发明专利技术克服传统方法数据采集效率慢、范围小和现有差分GPS数据串口实时通信数据更新速度慢等缺点，从根本上提高了探地雷达图像的定位精度，定位精度可以达到厘米级，满足一般地质勘察需要；可以实现探地雷达数据采集过程中位置信息的精确获取，简化数据采集步骤，提高了定位精度和工作效率。

A method and system for time synchronization of ground penetrating radar and differential GPS

The invention provides a ground penetrating radar and GPS time synchronization method and system, to solve the problem of accurate positioning of ground penetrating radar in large area, long distance and continuous data acquisition process, the ground penetrating radar and data acquisition system composed of GPS integration, impulse trigger GPR and GPS using the same a GPS with absolute time for reference, and combining the GPR data acquisition interval and ranging round precision, so as to realize the accurate matching of each GPR data and location information of the radar image. The invention overcomes the defects of traditional methods of data collection efficiency is slow, small range and existing differential GPS data real-time serial communication data update speed is slow, and fundamentally improve the ground penetrating radar image positioning accuracy, positioning accuracy can reach centimeter level, meet the needs of the general geological survey; can realize accurate location information acquisition process. Radar data acquisition, simplified data acquisition steps, improves the positioning accuracy and efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统
本专利技术涉及地质勘察的
，具体涉及一种探地雷达与差分GPS时间同步方法及系统。
技术介绍
探地雷达是一种利用高频电磁波来确定浅表地层构造的无损地球物理探测技术，主要根据地下介质的电性差异(电导率和介电常数)来确定地下目标体或层位分布的位置、形态、埋深和几何形态等参数。由于其具有数据采集效率高，分辨率高和无损检测等优点，广泛应用于道路检测、考古、建筑工程等诸多领域。探地雷达数据采集过程中的精确定位是关键。现有技术中，探地雷达探测过程中多采用人工单点定位方法。针对不同的探测环境，利用此方法获取探地雷达位置信息存在以下缺陷：(1)人工单点定位是在探地雷达探测过程中利用相应测绘仪器(如全站仪、GPS)等沿探地雷达侧线获取有限点的位置信息，此方法数据采集效率低、精度不高，易受周围环境的影响，主要适用于地形条件不复杂且不适应连续测量的情况。(2)现有利用GPS获取位置信息的方法都是通过计算机串口进行关联的，数据更新速度慢，容易产生数据漏测、重测等现象，进而影响探地雷达探测精度。
技术实现思路
针对探地雷达数据采集过程中无法精确定位的技术问题，本专利技术提出一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法及系统，可以实现探地雷达数据采集过程中位置信息的精确测量，简化数据采集步骤，从而提高定位精度和工作效率。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其步骤如下：步骤一：选择比较开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上；步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间；步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件；步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。所述步骤三中基准站GPS数据与流动站GPS数据进行差分的方法为：卫星在t时刻的瞬时坐标为(Xk,Yk,Zk)，基准站GPS的坐标为(Xr,Yr,Zr)，利用基准站改正后伪距计算的流动站坐标为：其中，Rkp为流动站到卫星之间距离，(Xp,Yp,Zp)为流动站待定坐标，δtp为流动站GPS接收机的待定种差；Xp、Yp、Zp分别为流动站的横坐标、纵坐标和高程，c为光速，v表示观测值改正数；所述生成时间同步文件的方法是：设测距轮脉冲进入GPS主机T时刻GPS时间信息为TO(toi)，差分处理后与之对应的GPS时间信息为TD(tDi,xDi,yDi,zDi)，toi表示T时刻外部脉冲进入GPS接收机后记录的GPS时间，tDi,xDi,yDi,zDi分别表示差分处理后T时刻的GPS时间，T时刻GPS流动站天线的横坐标、纵坐标和高程；若toi＝tDi，将tDi这一时刻对应的坐标(xDi,yDi,zDi)赋给toi，即TO(tOi,xDi,yDi,zDi)，这样测距轮发出的每个脉冲都具有相对应的空间位置信息；按照此方法获取所有测距轮触发脉冲的空间位置，生成时间同步文件。所述探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取的方法是：(1).探地雷达采集的二维时间剖面图像e(xi,tj)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，i为探地雷达图像的第i道，N为每道数据上的采样点数，j为每道数据上第j个采样点，则探地雷达在水平距离xi＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为tj＝j·Δt，Δt为采样时间间隔；(2).测距轮的精度Δd＝C/Nd，其中C为测距轮的周长，Nd为测距轮旋转一周的脉冲个数；(3).由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即NGPS＝M·(Δx/Δd)，NGPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数；(4).GPS接收机同时获取每一个外部脉冲和绝对时刻的空间位置坐标，建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系为：(xi,yi,zi)GPS＝i·(Δx/Δd)·(xi,yi,zi)GPR，1≤i≤M,其中，(xi,yi,zi)GPS和(xi,yi,zi)GPR分别为同一时刻探地雷达主机和GPS接收机获取的位置信息；获取探地雷达每道数据的位置信息；(5).由于GPS天线的中心与探地雷达天线的中心重合，这坐标转换的过程中x和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量，那么探地雷达图像第i道数据的位置信息为：(xs,ys,zs)GPR＝(xi,yi,(zi-hGPS))GPS其中，hGPS为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度；(xs,ys,zs)GPR为探地雷达天线中心位置的坐标，(xi,yi,zi)GPS为探地雷达天线上的流动站GPS的坐标。一种探地雷达与差分GPS时间同步的系统，包括用来获取浅表地层的地下介质分布图像的探地雷达和GPS系统；所述探地雷达包括探地雷达主机和探地雷达天线，探地雷达天线通过电子连接单元与探地雷达主机相连接，探地雷达天线包括发射天线和接收天线；所述GPS系统包括GPS接收机和GPS天线，GPS天线与GPS接收机相连接；所述GPS天线固定在探地雷达天线的发射天线和接收天线之间的中心位置，探地雷达主机与计算机相连接。所述探地雷达天线固定在防护板上，探地雷达天线后端设有连接挂孔，连接挂孔通过连接卡扣与测距轮相连接，测距轮与通信接口相连接，通信接口分别与电子连接单元和GPS接收机相连接。所述电子连接单元固定在探地雷达天线的上部，电子连接单元上设有卡槽，卡槽内卡接有电源，电源与电子连接单元相连接；所述电源上固定有基座，基座中部设有支撑杆，支撑杆上固定有GPS天线，GPS天线设置在探地雷达接收天线的几何中心、并与探地雷达天线处于同一水平面上。所述探地雷达天线是收发共置屏蔽天线，探地雷达天线的中心频率是100MHz、250MHz、500MHz、800MHz、1000MHz或1600MHz；所述支撑杆为可伸缩的支撑杆，通过调节支撑杆的伸缩量调节GPS天线的高度。所述GPS系统为差分GPS系统，差分GPS系统包括基站GPS和GPS天线，基站GPS与GPS天线相连接，获取的位置信息是差分处理后的数据。所述探地雷达天线前端设有卡接部，卡接部通过挂钩与拉杆相连接，拉杆为可伸缩的拉杆，拉杆前端设有手柄。所述探地雷达天线上设有卡接部，卡接部通过支架与汽车的前部或尾部相连接。本专利技术将探地雷达和差分GPS有机结合实现两传感器数据的一体化同步采集，数据采集过程中无需人工介入，实现探地雷达雷达数据位置信息的连续采集，减少了工作量，大大提高了工作效率。本专利技术探地雷达数据和相对应位置坐标之间的关联是采用同一脉冲触发探地雷达和GPS，以绝对GPS时间为参考，并结合探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：选择比较开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上；步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间；步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件；步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。

【技术特征摘要】
1.一种探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：选择比较开阔的位置架设基站GPS，将流动站的GPS天线固定在探地雷达天线的正上方，组成一体化的数据采集系统，且使流动站GPS天线和探地雷达天线处于同一平面上；步骤二：探地雷达数据采集过程中，利用高精度的测距轮在行进过程中产生的脉冲上沿或下沿同时触发流动站GPS主机的I/O接口和探地雷达主机，实现探地雷达数据和GPS空间位置信息的同时测量，并获得每个脉冲触发时刻的GPS时间；步骤三：基准站GPS数据与流动站GPS数据进行事后差分处理，获得流动站GPS精确位置信息；结合GPS时间建立每个脉冲触发信号与流动站GPS精确位置信息对应关系，生成时间同步文件；步骤四：根据探地雷达数据采集的道间距和测距轮的精度，建立探地雷达图像上道数据与GPS位置信息之间的精确匹配，从而实现探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取。2.根据权利要求1所述的探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，所述步骤三中基准站GPS数据与流动站GPS数据进行差分的方法为：卫星在t时刻的瞬时坐标为(Xk,Yk,Zk)，基准站GPS的坐标为(Xr,Yr,Zr)，利用基准站改正后伪距计算的流动站坐标为：其中，Rkp为流动站到卫星之间距离，(Xp,Yp,Zp)为流动站待定坐标，δtp为流动站GPS接收机的待定种差；Xp、Yp、Zp分别为流动站的横坐标、纵坐标和高程，c为光速，v表示观测值改正数；所述生成时间同步文件的方法是：设测距轮脉冲进入GPS主机T时刻GPS时间信息为TO(toi)，差分处理后与之对应的GPS时间信息为TD(tDi,xDi,yDi,zDi)，toi表示T时刻外部脉冲进入GPS接收机后记录的GPS时间，tDi,xDi,yDi,zDi分别表示差分处理后T时刻的GPS时间，T时刻GPS流动站天线的横坐标、纵坐标和高程；若toi＝tDi，将tDi这一时刻对应的坐标(xDi,yDi,zDi)赋给toi，即TO(tOi,xDi,yDi,zDi)，这样测距轮发出的每个脉冲都具有相对应的空间位置信息；按照此方法获取所有测距轮触发脉冲的空间位置，生成时间同步文件。3.根据权利要求1所述的探地雷达与差分GPS时间同步的方法，其特征在于，所述探地雷达数据采集过程中位置信息的同步获取的方法是：(1).探地雷达采集的二维时间剖面图像e(xi,tj)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，i为探地雷达图像的第i道，N为每道数据上的采样点数，j为每道数据上第j个采样点，则探地雷达在水平距离xi＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为tj＝j·Δt，Δt为采样时间间隔；(2).测距轮的精度Δd＝C/Nd，其中C为测距轮的周长，Nd为测距轮旋转一周的脉冲个数；(3).由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即NGPS＝M·(Δx/Δd)，NGPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数；(4).GPS接收机同时获取每一个外部脉冲和绝对时刻的空间位置坐标，建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系为：(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张迪，刘绍堂，王果，蒋瑞波，谢瑞，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41