探测地下结构的方法技术

本发明专利技术涉及用于探测地下结构的方法和设备。该方法包括以下步骤：将电磁波发送到结构中，从结构接收电磁波的回波，并处理回波以导出结构的内部特征。将电磁波发送到结构中的步骤包括随后将具有不同频谱的多个电磁探测信号发送到结构中。每个探测信号包括至少两个非零频谱分量。接收回波的步骤包括接收针对每个探测信号的回波信号。处理回波的步骤包括为每个回波信号确定至少一个振幅和相位。个回波信号确定至少一个振幅和相位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】探测地下结构的方法


[0001]本专利技术涉及使用电磁波探测地下结构的方法和设备。

技术介绍

[0002]电磁波通常用于探测地下结构，诸如人造结构或地面下。地面穿透雷达(GPR)是一种常用于地球物理勘测或例如混凝土结构的无损测试的技术，它采用通常在10MHz至2.6GHz范围内的电磁波。
[0003]用于GPR数据获取的已知方法是步进频率连续波(SFCW)。不是发送单个宽带脉冲，SFCW使用某个频率的连续波探测信号，该频率随时间或在后续探测信号之间改变。WO2018/161183A1中描述了这种方法和合适设备的示例。
[0004]SFCW方法在数据质量方面是有利的，因此在地下结构的所得图像质量方面，特别是在信噪比(SNR)和分辨率方面是有利的。另一方面，此类方法的获取速度有限，这意味着只有当GPR设备相对于地下的移动速度不超过通常是例如10到20km/h的数量级的最大获取速度时，才能获得既定的分辨率(例如，2cm)的GPR测量值。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的一般目的是提供用于探测地下结构的方法和设备，其允许更快的数据获取，特别是用于探测地下结构的设备的更高获取速度，同时维持所获取的数据的高分辨率。
[0006]下面描述的关于方法的特征旨在也适用于设备，反之亦然。另外，所描述的特征旨在彼此独立地以及在合理的情况下组合地公开。
[0007]用于探测地下结构的方法
[0008]为了实现在下面的描述中将变得更加清楚的本专利技术的上述及更进一步的目的，用于探测地下结构(例如，人造结构或地面下)的方法包括以下步骤：
[0009]‑
将电磁波发送到结构中：电磁波可以是极化的，例如线性极化的。将电磁波发送到结构中的步骤特别地借助于天线来执行。
[0010]‑
接收来自结构的电磁波的回波：有利地，发送到结构中的波的一部分被结构的内部特征反射，该特征由电气特性的改变表征，例如，介电常数的改变。波的反射部分可以作为回波(即，反射的电磁波)从结构中接收。
[0011]‑
处理回波以导出结构的内部特征：例如，内部特征可以是结构内的内部边界的位置和/或梯度、散射体或反射体的表征、电气特性(例如，介电常数)的改变量、结构中的特定位置等。
[0012]将电磁波发送到结构中的步骤包括随后将具有不同频谱的多个电磁探测信号发送到结构中。特别地，探测信号的频谱由其傅立叶变换给出。每个探测信号包括至少两个非零频谱分量。特别地，这与常规的SFCW不同，在常规的SFCW中，每个探测信号只有一个频谱分量，意味着一次只发送一个频率。
[0013]在实施例中，每个探测信号包括多于两个非零频谱分量，特别是3到20个，特别是5到15个，特别是10个非零频谱分量。在极端情况下，每个探测信号可以包括既定频谱上的噪声，例如白噪声，所述频谱有利地具有至少1000MHz的宽度。
[0014]接收回波的步骤包括接收针对每个探测信号的回波信号。特别地，随后接收回波信号。
[0015]处理回波的步骤包括为每个回波信号确定至少一个振幅和相位，有利地为多个频谱分量，特别是为每个非零频谱分量，确定一个回波和相位。
[0016]所描述的探测地下结构的方法具有以下优点：多个频谱分量，特别是至少两个，被并发地(即，同时)发送到结构中。与常规的SFCW相比，这种方法可以将数据获取速度提高等于每个探测信号中的频谱分量的数量的因子。这意味着用于探测地下结构的相应设备可以以更高的速度移动，特别是以等于每个探测信号中的频谱分量的数量的因子更高的速度移动，同时维持相同的分辨率。这进而促进将设备安装在例如汽车上或空中无人机上，并在大面积和/或难以接近的位置执行数据获取。
[0017]另一方面，所描述的方法也提出了挑战并具有进一步的优势，这将结合以下有利的实施例来描述。
[0018]正交频谱分量
[0019]在有利的实施例中，频谱分量是具有不同子载波频率的并发子载波信号。特别地，频谱分量位于非重叠的频带中。在电信领域中，类似的方法在完全不同的上下文中被称为频分复用(FDM)。即使使用低功率发射器，非重叠频带也允许覆盖宽频谱范围。
[0020]在进一步有利的实施例中，至少两个频谱分量彼此正交。“正交”尤其意味着它们满足正交条件，通常定义为它们的内积，或者等效地定义为它们的乘积在一个时间间隔内的积分，为零。特别地，如果第一子载波信号f(t)和第二子载波信号g(t)的乘积的时间积分∫f(t)g(t)dt小于有限阈值，例如，比小得多，特别是小于这个表达式的10％，那么这两个信号在本上下文中被称为“正交”。特别地，时间积分是在表示f(t)和/或g(t)的周期性的时间间隔上计算的。正交子载波信号的示例是sin(mx)和sin(nx)形式的函数，其中m和n是不相等的正整数。在电信领域中，类似的应用被称为正交频分复用(OFDM)。
[0021]特别地，相邻子载波频率彼此相差子载波间距，其可以是规则的子载波间距，即，对于所有相邻子载波频率对都相同。有利地，子载波间距满足正交条件，例如，在于子载波频率是子载波间隔的整数倍。特别地，子载波间隔可以在1和10MHz之间，特别是大约4MHz。
[0022]在实施例中，探测信号的频谱位于10和8000MHz之间，特别是40和3440MHz之间。有利地，多个随后发送的探测信号的总频谱具有至少500MHz的宽度，特别是至少1000MHz，更特别是至少2000MHz。通过这样的总频谱，该方法能够达到高分辨率，例如2cm或更小，同时达到大穿透深度，例如5m或更大，这具体取决于地下结构的电气特性。
[0023]非零初始相移
[0024]现在，在没有进一步措施的情况下发送包括多个正交子载波信号的探测信号会导致高峰发射功率。这是由于如下事实：在某些时候，具有零初始相移的正交函数的峰将建设性地累加起来，从而生成高累积信号。“初始相移”可以被定义为较低频率函数的零相位与
较高频率函数的最接近的零相位之间的相位差。在用于探测地下结构的设备中，前端(即，天线加上用于处理接收到的信号的模拟组件)以及用于生成探测信号的探测信号生成器和用于处理回波信号的回波信号处理器必须进行调整以处置峰发射功率。由于信噪比和低互调的原因，因此不期望具有远大于平均发射功率的高峰发射功率。
[0025]因此，在有利的实施例中，频谱分量中的至少两个具有非零初始相移。特别地，至少两个频谱分量的初始相移使得探测信号的最大振幅小于具有相同频谱分量但频谱分量的初始相移为零的假想探测信号的最大振幅，特别是小至少10％、至少25％或至少50％。这允许将峰发射功率保持在低水平，特别是不比平均发射功率大很多，例如仅是平均发射功率的2或3倍。因此，可以实现良好的信噪比和低互调。
[0026]在实践中，对于给定数量的子载波信号，满足上述条件的初始相移可以通过经验方法获得，例如，在数值模拟中：将子载波信号与随机初始相移相加，从而生成测试探测信号。然后导出测试探测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于探测地下结构的方法，包括以下步骤：将电磁波发送到所述结构中，从所述结构接收电磁波的回波，处理回波以导出所述结构的内部特征，其中将电磁波发送到所述结构中的步骤包括随后将具有不同频谱的多个电磁探测信号发送到所述结构中，其中每个探测信号包括至少两个非零频谱分量，其中接收回波的步骤包括接收针对每个探测信号的回波信号，其中处理回波的步骤包括为每个回波信号确定至少一个振幅和相位。2.如权利要求1所述的方法，其中频谱分量是具有不同子载波频率的并发子载波信号。3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中频谱分量位于非重叠频带中。4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述至少两个频谱分量彼此正交，特别地，其中相邻子载波频率彼此相差子载波间距，以及特别地，其中子载波间距满足正交条件，和/或特别地，其中子载波间距在1和20MHz之间，特别是4MHz。5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中探测信号的频谱位于10和8000MHz之间，特别是40和3440MHz之间。6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中随后发送的所述多个探测信号的总频谱具有至少500MHz的宽度，特别是至少1000MHz的宽度，更特别是至少2000MHz的宽度。7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中频谱分量中的至少两个频谱分量具有非零初始相移。8.如权利要求7所述的方法，其中所述至少两个频谱分量的初始相移使得探测信号的最大振幅小于具有相同频谱分量但频谱分量的初始相移为零的假想探测信号的最大振幅，特别是小至少10％、至少25％或至少50％。9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中每个探测信号包括3和20个之间的非零频谱分量，特别是5和15个之间的非零频谱分量，特别是10个非零频谱分量。10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，附加地包括通过将不同调制频率的至少两个调制信号与至少一个载波信号进行频率转换来生成探测信号的步骤，特别地，其中生成探测信号的步骤包括在后续探测信号之间改变载波信号的载波频率，和/或特别地，其中调制频率对于所有探测信号是相同的。11.如权利要求10所述的方法，
其中生成探测信号的步骤包括生成至少两个数字调制信号，特别地，其中生成探测信号的步骤包括生成至少一个模拟载波信号。12.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个数字调制信号具有非零初始相移。13.如权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中调制频率低于100MHz，特别地，其中调制频率在40和80MHz之间的范围内，和/或特别地，其中调制频率基于子载波间距而不同。14.如权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中载波信号的载波频率至少是100MHz。15.如权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中生成探测信号的步骤包括通过对所述至少两个数字调制信号进行数模转换来获得至少两个模拟调制信号，以及借助于至少一个模拟混合器(24，27)将所述至少两个模拟调制信号与来自至少一个模拟振荡器(23，26)的至少一个混合信号混合，特别地，其中生成探测信号的步骤包括借助于多个模拟混合器(24，27)将模拟调制信号与来自多个模拟振荡器(23，26)的混合信号顺序地混合，和/或特别地，其中生成探测信号的步骤包括对模拟调制信号应用上变频，并且特别是上变频和随后的下变频。16.如权利要求11至15中的任一项所述的方法，其中生成数字调制信号的步骤包括关闭既定的调制信号。17.如前述权利要求中的任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：博势股份有限公司，
类型：发明
国别省市：