專利名稱：地質雷達數控采集系統的制作方法
地質雷達數控采集系統
技術領域：
本發明涉及一種地質雷達數控采集系統，尤其設計一種用于鐵路、高速公路等路基隱伏病害快速檢測 和市政道路管線快速探測的數據高速采集控制系統。
地質雷達技術是近些年發展起來的淺層髙效地球物理探測新技術，它利用主頻為數十兆赫至數千兆赫 茲波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發射器發送至地下，經地下目的體或地層的界 面反射后返回地面，為雷達天線接受器所接收，通過對所接受的雷達信號進行處理和圖像解譯，達到探測 前方目的體的目的。具有快速便捷，精度高，且無損傷探測等特點，在工程水文地質調査、隧道質量檢測、 機場跑道質量檢測等領域中得到廣泛應用。通過不斷的技術改進，已逐漸被應用到公路、鐵路和市政道路 路基隱伏災害源探測和市政地下管線調杳。
本發明涉及到高頻電子、計算機科學與技術、信息處理和地球物理等學科領域為一體的高新技術。
本發明利用高頻電子技術設計和開發具有高速采樣的控制單元；利用計算機技術設計和開發USB控 制模塊模塊；通過控制端元控制觸發信號的同步和數據的采集；通過USB模塊實現控制單元和計算機系 統之間的數據通訊；利用計算機信息處理技術對數據進行處理和解釋，達到探測S的。
背景技術：
地質雷達是近些年發展起來的髙效的淺層地球物理探測新技術，地質雷達裝備及方法可以分為常規檢 測雷達和快速檢測雷達。常規雷達脈沖發射頻率往往小于200KHz，快速檢測雷達脈沖頻率大于200KHz。
目前，國內外地質雷達主要應用在工程勘探和隧道檢測方面，均屬于常規檢測雷達應用范圍。快速檢 測雷達主要應用在高速公路、鐵路等路基隱快速檢測和城市道路管線探測。
快速檢測雷達起步于20世紀80年代初期，歐洲斯堪的納維亞半島上的丹麥、瑞典等國，就開始將探 地雷達應用于道路快速檢測工作，但那時這種方法尚未開始廣泛應用。1985年，美國GSSI公司在美國聯 邦公路局支持下，針對高速公路使用的車載雷達系統開始得到發展。目前快速檢測雷達技術主要應用在道 路油面層的檢測，對路基隱患探測達不到快速檢測的目的，主要主機控制通道、大線發射效率和懸空設計 達不到要求。
進入21世紀以后，意大利進行了針對路基隱患的快速檢測研究，開發了 400MHz天線，3通道控制 單元的采集系統。2007年初，美國GSSI公司開始著手針對路基隱患快速檢測雷達儀器研究與開發，2007 年5月美國GSS1公司開發了針對路基檢測的400MHz大線。
目前快速檢測雷達系統存在以下不足
1、 主機控制單元采集速度的限制。目前最快雷達采集控制單元均采用模擬控制，例如GSSI的SIR— 20主機和意大利IDS公司SRIS控制單元，其最高發射脈沖頻率只達到400KHz。如果三組400MHz天線 同時工作，每個天線的脈沖頻率為133KHz，較難滿足高精度快速檢測需求。因此，在模擬控制的條件下， 進一步提高脈沖頻率存在較大的難度。
2、 資料處理解釋的局限性。目前國內外地質雷達技術均是釆用以電磁波反射為機理的探測理論，在 資料處理上模擬地震信號模式，在資料解釋上土要以能量變化和同相軸變化為依據。以常規處理解釋技術 應用到雷達快速檢測領域，資料解釋明顯滯后，因此整個檢測速度受到影響；同時道路路基隱患對電磁波的響應特征與地震存在很大差異。如何利用電磁波頻散和頻率變化特征實現雷達快速檢測，也是需要突破 的難點。
3、通道數量的限制。目前GSSI高速雷達主機為2個通道，IDS高速雷達主機為3個通道。通道數量 少，降低了現場數據采集效率。
發明內容
本發明與現有技術相比，具有如下優點
本發明研制具有實時剖面監測、連續探測的高速地質雷達采集系統，本發明可以提供50KHz 800KHz 之間的脈沖頻率，最高可以達到800KHz的脈沖頻率；本發明采用數字信號控制步進延遲，最小步進精度達 到2ps;本發明采用USB控制器進行數據傳遞，滿足USB2.0協議，數據傳遞速率達到每秒400M 二進制 位；本發明通過USB接口，方便主機的實時更新；本發明配備了病害識別人機交互提取技術，為現場的 實時處理和解釋提供方便；本發明提供高速脈沖頻率和高速數據傳遞，在數據采集速度120公里/小時條 件下，空間采樣道間隔可以達到5cm，滿足鐵路、公路和市政高速采樣空間精度要求。
本發明主要包含如下內容
* 數字控制單元的設計與開發。是本發明的系統控制核心。
* USB控制模塊的設計與開發。是本發明的數據通訊通道。
計算機采集系統軟件的設計與開發。是本發明的用戶控制界面。
(1) 數字控制單元
數字控制單元是以CPLD為核心，包括CPLD控制器模塊、晶振管理控制模塊(時鐘控制)、固定延 遲模塊、步進延遲模塊、A/D采集卡模塊和前置放大模塊。
各模塊部件的主要功能如下
* CPLD控制器模塊對固定延遲、步進延遲和采集卡等進行數字控制和管理。
* 晶振管理控制(時鐘控制)模塊提供50K、 IOOK、 200K、 400K和800K時鐘頻率脈沖。
* 固定延遲模塊提供電流控制、提供0 255ns數字控制的時間延遲控制。
* 步進延遲模塊提供電流控制、精度2ps的數字控制延遲模塊。
* A/D (采集卡)模塊提供16位AD轉換模塊，采用BB公司的ADS8422IBPFBR。
* 前置放大(采集卡)模塊提供1 128倍前放。
(2) USB控制模塊
USB控制模塊包括USB控制器和外觸發器(定位系統)。其主要功能如下
USB控制器采用CYPRESS 68013A芯片，該芯片采用增強型8051處理器，支持USB2.0協議， 時鐘頻率48Mhz。利用開發出的固件程序，利用USB控制端點實現與主機的數據通訊；利用I2C 總線實現與數字控制單元的數據通訊。
* 外觸發器(定位系統)提供GPS、測量輪和打標等定位接口。
(3) 計算機采集系統軟件
計算機采集系統軟件包括USB采集驅動程序，用戶界面程序。其主要功能如下* USB采集驅動程序USB上電后，由操作系統自動下載到USB控制模塊的存儲單元內，實現USB 控制模塊分別與主機(計算機)和數字控制單元之間的數據通訊。
* 用戶界面程序提供采集參數設置、數據采集過程控制、數據顯示、數據保存和數據處理等功能。 本發明是這樣實現的它包括主機(計算機)、USB控制模塊和數字控制單元。其中主機(計算機)
連接USB控制模塊；USB控制模塊連接數字控制單元。數字控制單元包括CPLD控制器模塊、晶振管理
控制模塊(脈沖時鐘控制)、固定延遲模塊、步進延遲模塊、A/D (采集卡)模塊和前置放大模塊，其中
CPLD控制器模塊分別連晶振管理控制模塊(脈沖時鐘控制)、固定延遲模塊、步進延遲模塊、A/D (采集
卡)模塊和前置放大模塊，前置放大器模塊連A/D采集卡；USB控制模塊包括USB控制器和外觸發器，
外觸發器連USB控制器。
本發明達到如下的關鍵技術指標-
* 最小時間步進精度2ps
* 脈沖發射頻率50KHz 800KHz可控 模數轉換16位A/D
* 前置增益2db 32db可控
* 顯示方式波形、彩色可選
* 采集觸發方式打標、測量論、鍵盤和時間
* 采樣點數256 4096可選
圖1為本發明技術方案的方框圖。
圖2為本發明技術方案的詳細結構圖。
圖3為本發明采集系統軟件流程圖。
具體實施方式
參見圖1和圖2所示，本發明是這樣實現的它包括主機(計算機)、USB控制模塊和數字控制單元。 本發明提供了固定延遲信號輸出和步進延遲信號輸出，其信號輸出頻率最高達到800KHz;本發明提供模擬 信號輸入端口，本發明可以將輸入的模擬信號進行放大、數字化，并將數字化后的數據通過USB接口傳到 計算機對數據進行顯示和存盤。
參見圖l、圖2和圖3所示，本發明實施的方式如下
第一步由主機(計算機)發送采集參數到CPLD控制器。
第二步CPLD接收到采集參數，設置數字控制單元的采集參數，例如脈沖頻率設置、步進延遲設置等。
第三步主機(計算機)發送采集啟動信號，CPLD開始工作。
地四步CPLD接收模擬信號輸入端口數據，并將數字化，把數字化結果保存在USB控制器的存儲單元內。
第五步由USB控制器將儲存單元的數據以批量發送方式傳遞到主機(計算機)系統中。 第六步由主機(計算機)對采集到的數據進行處理、顯示和存盤。
權利要求
1.一種地質雷達數控采集系統，它包括主機(計算機)、USB控制模塊和數字控制單元，其特征在于USB控制模塊分別連主機(計算機)、數字控制單元；USB控制模由USB控制器和外觸發器電路組成；數字控制單元由CPLD控制器模塊、晶振管理控制模塊、固定延遲模塊、步進延遲模塊、A/D采集卡模塊和前置放大模塊電路組成；整個系統由主機控制操作。
2. 根據權利要求1所述的采集系統，其特征在于所述的數字控制單元是由CPLD控制器模塊分別連晶 振管理控制模塊、固定延遲模塊、步進延遲模塊、A/D采集卡模塊和前置放大模塊；前置放大模塊連 A/D采集卡模塊組成；固定延遲模塊提供固定延遲信號輸出；步進延遲模塊提供步進延遲信號輸出-，前置放大模塊提供模擬信號輸入端口 。
3. 根據權利要求1所述的采集系統，其特征在于所述的USB控制模塊是由USB控制器連外觸發器組 成。
4. 根據權利要求1所述的采集系統，其特征在于最小時間步進精度2ps;脈沖發射頻率在50KHz 800KHZ之間可調；模數轉換為16位；前置增益在2db 32db之間可調；顯示方式在波形、彩色可選； 采集觸發方式打標、測量輪、鍵盤和時間可選；采樣點數在256 4096之間可選。
全文摘要
一種地質雷達數控采集系統由USB控制模塊分別連主機(計算機)、數字控制單元組成。本發明最高采樣脈沖頻率為800KHz，數據通訊滿足USB2.0協議，步進延遲達到2ps精度；本發明在車速120公里/小時、每道512樣點數前提下，道間隔小于2.5cm的空間距離，滿足公路、市政、鐵路高速檢測要求。本發明提供的軟件系統，能實時檢測探測效果。本發明是集高頻電子技術、計算機科學與技術、信息處理技術、地球物理等學科為一體的高新技術。
文檔編號G01S13/00GK101566687SQ20081010472
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者彭蘇萍, 峰 楊 申請人:中國礦業大學(北京);彭蘇萍;楊 峰