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基于探地雷达系统的地下管线自动识别技术

发布时间:2020-11-05 20:18
   在城市生活中,地下管道管线复杂多样,承担着能源输送、信息传递等重要使命,如果不能掌握地下管线的位置、深度等信息,会对城市生活和施工建设造成比较大的影响,所以进行地下管线的探测、建立一个地下管线信息系统非常重要。对于早期埋设于地下的管线大部分都缺少信息资料,已有的管线资料也存在信息不完善、不准确的问题,对于这种情况,需要具有高效率、高分辨率的探测技术来对城市地下管线进行探测。探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是一种实时高效的无损探测技术,具有探测速度快、分辨率高、操作简便、探测范围广等优点,所以是进行城市地下管线探测的首选方法。本文在研究大量资料后,着手开发了一款可用于时间域探地雷达系统中的高速信息采集板,该采集板以FPGA作为主控芯片,利用数字频率合成器产生天线触发信号,通过模数转换器进行采集,最终完成了对雷达回波信号的采集,存储和处理。采集板通过以太网口与上位机通信,实现了信息的高速率传输。该信息采集板在对雷达回波信号进行采集时采用等效采样技术,实现了用较低采样速率对超宽带脉冲信号进行采样的过程。本文在采集板开发完成后,对地下管道管线的自动识别技术进行了研究。首先分析了地下管线回波信号的特点,定量分析出管线回波信号具有的双曲线特性,然后对采集到的回波图像进行预处理和边缘提取。预处理包括对回波信号中直达波的剔除和对随机噪声的抑制,经过研究,利用均值法去除直达波,利用小波变换阈值法去除随机噪声都能取得良好的效果。对于回波图像的边缘提取,使用了微分子算子中的Canny算子,在无噪声情况下,对目标回波的边缘的提取效果非常理想。在有噪声情况下,Canny算子提取出的边缘比较杂乱且不连续,文中提出了利用图像膨胀对提取的边缘进行处理,也取得了良好的效果。最后,分析提取到的双曲线边缘上的点与管线顶点的位置和管径的几何关系,选取双曲线边缘上的三个点,通过“三点定圆”的方法确定了圆形管线的位置和半径,达到了本文对管线进行自动识别的目的。
【学位单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TN958
【部分图文】:

波形,扫描数据,形式,扫描波形


哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的关系是22chhtc (2-15)其中,c 是光速(约为83 10 m /s),c 为相对介电常数。在探地雷达中将一个 A 扫描的数据记为“一道”,雷达沿着一个方向(设为 x 方向)水平移动进行多次采集,就得到多个 A 扫描数据,这些 A 扫描就能形成一个 B 扫描。B 扫描描述了地下的一个垂直切面[36],它有三种表现形式:将这些 A 扫描波形按照测量时的位置紧密排列,就得到一个波形堆积图;将 A扫描波形的幅度转换成灰度信息再排列,就得到一个灰度图像;如果将不同的幅度值以不同的颜色来代替,就得到一个彩色堆积图。图 2-2 显示了一道 A 扫描波形和 B 扫描的灰度图、波形堆积图、彩色堆积图三种形式,在灰度图中,可以看到信号越强,图像越亮。

采集板,实物


图 3-4 采集板实物图效采样技术的设计实现等效采样原理地雷达接收的回波信号与发射信号具有几乎相同的形式,都是窄脉信号,本系统中信号频率带宽约为 1GHz。对于一个这样的信号,t 采样定理,信号的采样频率至少 2GHz。而系统中使用的 AD7665 转换速率是 570Kpsp,是无法实现对回波信号的直接采样的,所以样方案。等效采样原理如图 3-5 所示。重复信号 s (t )进行多次采样,每次采样点都出现在周期内的不同位周期中采样得到的数据就能重组得到 s '(t ), 与 相比,波形一度增加,这样便实现了低频对高频的采样。根据原理图,被采样信期出现的,也就是在实际采集一道数据时,天线要进行多次发射和接要每一次的接收信号保持一样,所以发射和接收天线的位置都是不

波形,寄存器,功能,相控制


图 3-7 DDS 写时序对于写入到缓冲区的数据,DDSDPClk 信号控制其更新到寄存器,本文的设计中在功能控制字写入后更新一次,在频率、相位控制字写入后再更新一次。寄存器全部更新完毕后就会按寄存器的配置产生相应的方波信号。对两块 DDS 一起配置,每一块 DDS 都有功能寄存器 4 个,相位寄存器 2个,频率寄存器 6 个,所以一共需要配置 24 个寄存器。以 Wrcnt 作为计数器,每配置完一个寄存器将其加 1。配置一个寄存器的状态机转换图如图 3-8。其中“等待 32 个时钟,给出更新信号”出现在所有功能寄存器配置完和所有频相寄存器配置完,该等待时间是根据 AD9852 芯片的更新时序要求设计的,每配置完一次功能寄存器,芯片内部需要准备时间,才能根据频相控制字产生相应的波形。地址、数据放入I/O缓存区等待两个准备配置
【参考文献】

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本文编号:2872133

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