用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法技术方案

本发明专利技术提出用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法,包括无人机系统，无人机系统包括无人机、传感器云台、雷达云台、前视激光测距仪和地质雷达，无人机上安装有传感器云台，且传感器云台上安装有前视激光测距仪，传感器云台的一侧在无人机上安装有雷达云台，且雷达云台上安装有地质雷达，地质雷达内设有可变极化地质雷达天线阵列，可变极化地质雷达天线阵列包括基板，基板上安装有多组正交双极化Vivaldi天线发射子阵和接收子阵，通过采用多组正交双极化Vivaldi天线阵元和馈电网络构成2

【技术实现步骤摘要】
用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法


[0001]本专利技术涉及无人机记载地质雷达
，尤其涉及用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法。

技术介绍

[0002]堤坝等基础设施在其长期服役过程中，其内部存在洞穴、裂缝、渗漏、疏松等大量隐患，这些内部隐患直接影响堤坝寿命，甚至引发灾害事故。因此，采用先进的探测技术对堤坝隐患全方位检测是保障其安全服役的迫切需求。在诸多地球物理探测技术中，地质雷达以其快速、便捷等特点，已成为堤坝内部浅层隐患探测的主流方法。现有地质雷达普遍为单一极化模式，难以区分不同形态与不同走向的隐患所反射的电磁波信号，因而无法全方位、高精度的检测堤坝内部多种形态、不同分布位置与方位的内部隐患；极化是电磁波的一项重要参数，在地质雷达探测中，极化信息对被测结构内部目标的形态与分布方位敏感，通过采集不同极化信息，能够分辨不同位置、不同走向与不同形态的隐患，破除常规单一极化探地雷达对某方向分布隐患(如与测线平行方向、垂直于探测面方向)不敏感的盲区；当前能够获取极化信息的地质雷达多采用线极化方式进行探测，主要分为水平极化探测和垂直极化探测，即探测过程中电磁波的极化方向相对参考地面呈垂直或水平。目前已经出现的多极化地质雷达以全极化天线阵列的多极化地质雷达、混合极化地质雷达和多种极化特性的天线阵列组阵的地质雷达为主。其中全极化地质雷达通过极化方向不同的天线阵元分开排布、分时馈电实现多种极化方式组合探测模式，但其在探测过程中需要借助切换开关分时探测，通过多次测量完成水平
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水平极化、水平
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垂直极化、垂直
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垂直极化和垂直
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水平极化方式的组合探测，探测过程繁杂；混合极化地质雷达在探测中，以圆极化螺旋天线发射圆极化波，并以两极化方向不同的天线分别接收，一次测量即可获得多种极化方式探测结果，但上述系统发射与接收采用不同天线，存在性能、带宽的不一致问题。适用于无人机搭载的小体积圆极化螺旋天线适用于发射高频窄频带信号，其作为发射天线时，与线极化宽频带接收天线存在性能不匹配问题，严重影响天线性能。另外，单一天线作为发射天线，限制了天线增益，进而影响了地质雷达的探测深度。而多种极化特性的天线阵列组阵的地质雷达是通过两个单一极化方向天线阵列的组合实现双极化探测，该方法提高了地质雷达天线的增益，但天线阵元本身没有多极化特性，依靠组阵分时馈电的多极化探测同样需要雷达在同一测线上的多次测量，且雷达体积较大，探测不方便；此外，在地质雷达探测作业方式方面，常规地质雷达雷达工作需要人手持天线或者利用其它机械协助开展探测工作，在复杂环境下难以开展工作，在堤坝隐患检测任务中，往往需要保持雷达天线与地面呈一小距离且恒定以保证成像稳定。现有无人机载地质雷达技术的雷达天线在行进中对各种复杂地形的贴合方面存在不足。在堤坝隐患检测中，地质雷达与无人机需要根据地形的变化实时调整姿态以适应地形的变化，因此本专利技术提出用于堤坝隐患检测的无人机载极化地质雷达系统与巡检方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法，该用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法利用无人机搭载可变极化地质雷达，具有对于堤坝隐患全方位、高精度检测的优点，解决现有技术中的问题。
[0004]为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法，包括无人机系统，所述无人机系统包括无人机、传感器云台、雷达云台、前视激光测距仪和地质雷达，所述无人机上安装有传感器云台，且所述传感器云台上安装有所述前视激光测距仪，所述传感器云台的一侧在所述无人机上安装有所述雷达云台，且所述雷达云台上安装有所述地质雷达，所述地质雷达内设有可变极化地质雷达天线阵列；所述可变极化地质雷达天线阵列包括基板，所述基板上安装有多组正交双极化Vivaldi天线发射子阵和正交双极化Vivaldi天线接收子阵，多组所述正交双极化Vivaldi天线发射子阵均包括两组正交放置的Vivaldi天线阵元、十字形介质基板、渐变开口槽、导体贴片及交叉式巴伦馈电结构。
[0005]进一步改进在于：所述正交双极化Vivaldi天线发射子阵和正交双极化Vivaldi天线接收子阵均由所述正交双极化Vivaldi天线阵元和馈电网络构成2
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2天线阵列，其中，四组发射天线同时工作，四组接收天线同时工作。
[0006]进一步改进在于：所述正交双极化Vivaldi天线阵元由两组十字正交放置的Vivaldi天线构成，两组所述Vivaldi天线极化方式分别为垂直和水平极化。
[0007]进一步改进在于：所述交叉式巴伦馈电结构是由所述正交双极化Vivaldi天线阵元中Vivaldi天线上的微带线
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带状线连接至子阵中与其正交的所述Vivaldi天线背部，并将能量耦合至其上表面槽线，形成天线上表面馈线向另一正交天线馈电的互馈结构。
[0008]进一步改进在于：当所述正交双极化Vivaldi天线阵元中两组所述Vivaldi天线同时发射幅值相等相位相差90
°
的信号，发射圆极化电磁波，形成“圆极化发射
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线极化接收”的混合极化探测模式。
[0009]进一步改进在于：当所述正交双极化Vivaldi天线阵元中两组所述Vivaldi天线分时发射幅值相等相位相差0
°
的信号，分别发射水平或垂直线极化电磁波，形成“线极化发射
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线极化接收”。
[0010]用于堤坝隐患检测的无人机载雷达系统的巡检方法，包括如下步骤：步骤一：启动传感器云台，所述传感器云台内置有自适应速度的倾角控制算法；步骤二：由自适应速度的倾角控制算法根据无人机速度控制激光测距仪相对行进平面夹角，且在无人机行进中保持恒定，以适应不同飞行速度条件下地质雷达天线阵列所在平面在堤坝隐患检测任务中的无人机姿态超前控制。
[0011]本专利技术的有益效果为：该用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统与巡检方法通过采用多组正交双极化Vivaldi天线阵元和馈电网络构成2
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2天线阵列通过同极化方式不同阵元产生的电磁波在时间空间相位的叠加，增强天线系统的增益和方向性，提高地质雷达的探测深度，同时，利用可变极化馈电方式控制正交双极化Vivaldi天线收发子阵，发射子阵采用多极化模式可变馈电、接收子阵采用水平与垂直双通道接收。通过改变两正交
双极化Vivaldi天线发射的幅值信号，实现混合极化和全极化等多种探测方式，获得更加精细化和全面化的探测信息，还可以采用无人机搭载地质雷达，使复杂地形长测线堤坝隐患检测任务更加高效和安全，通过传感器云台通过内置自适应速度的倾角控制算法根据无人机速度控制激光测距仪相对行进平面夹角，可以保证在全地形的堤坝隐患检测任务中地质雷达始终在近地与地面保持距离恒定且与地面平行。
附图说明
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统，其特征在于：包括无人机系统，所述无人机系统包括无人机（1）、传感器云台（2）、雷达云台（3）、前视激光测距仪（4）和地质雷达（5），所述无人机（1）上安装有传感器云台（2），且所述传感器云台（2）上安装有所述前视激光测距仪（4），所述传感器云台（2）的一侧在所述无人机（1）上安装有所述雷达云台（3），且所述雷达云台（3）上安装有所述地质雷达（5），所述地质雷达（5）内设有可变极化地质雷达天线阵列；所述可变极化地质雷达天线阵列包括基板（6），所述基板（6）上安装有多组正交双极化Vivaldi天线发射子阵（7）和正交双极化Vivaldi天线接收子阵（8），多组所述正交双极化Vivaldi天线发射子阵（7）均包括两组正交放置的Vivaldi天线阵元（9）、十字形介质基板（10）、渐变开口槽（11）、导体贴片（12）及交叉式巴伦馈电结构（13）。2.根据权利要求1的用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统，其特征在于：所述正交双极化Vivaldi天线发射子阵（7）和正交双极化Vivaldi天线接收子阵（8）均由所述正交双极化Vivaldi天线阵元（9）和馈电网络构成2
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2天线阵列，其中，四组发射天线同时工作，四组接收天线同时工作。3.根据权利要求2的用于堤坝隐患检测的无人机载地质雷达系统，其特征在于：所述正交双极化Vivaldi天线阵元（9）由两组十字正交放置的Vivaldi天线（14）构成，两组所述Vivaldi天线（14）极化方式分别为垂直和水平极化。4.根据权利要求2的用于堤坝隐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正方，王静，姜雨辰，徐静，万玉状，姜浩楠，李博，雷鸣，隋青美，贾磊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：