【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于探测地下结构(subsurface structure)的方法和用于探测地下结构的设备。
技术介绍
1、电磁波通常用于探测地下结构，诸如人造结构或地铁。地面穿透雷达(gpr)是一种通常应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3.4ghz范围内的电磁波。
2、用于gpr数据获取的已知方法是步进频率连续波(sfcw)。图1a中示出了sfcw探测信号的频率f与时间t特性的示意图。sfcw不是发送单个宽带脉冲或具有固定频率的连续探测信号，而是使用持续时间为ts的连续波探测信号，其频率随时间或在后续探测信号之间改变，特别是以δf的步长改变。例如范围从400mhz至3.4ghz的后续探测信号构成了探测信号的扫描。wo 2018/161183 a1中描述了sfcw方法和合适设备的示例。
3、在地下结构中反射的sfcw电磁波的回波由天线接收并进行处理，以便检索关于地下结构的信息。这样的信息可以是地下结构中的不连续性的存在、位置和/或特性，诸如例如混凝土中的钢筋、建筑结构中的缺陷、管道或土壤中的地质层。特别地，a扫描，即回波的振幅与时间关系图，由于它将响应于宽带脉冲而被接收，因此可以根据sfcw探测信号的回波被重建，并且然后在关于地下结构的信息方面被评估。
4、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，同时维持电磁波的大穿透深度，并因此促进大探测深度。
5、另一方面，常规s
技术实现思路
1、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，其促进以高测量速度、特别是50至80km/h或更高速度获取高分辨率数据，特别是获取50mm或更高的分辨率的数据。有利地，这样的用于探测地下结构的方法和设备符合监管要求，诸如例如联邦通信委员会(fcc)的监管。
2、下面描述的关于方法的特征也适用于设备，反之亦然。此外，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。
3、用于探测地下结构的方法
4、为了实现在下面的描述中变得更加明显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，人造结构或地铁)的方法包括以下步骤：
5、(a)将探测信号作为电磁波发送到结构中：电磁波可以被极化，例如被线性极化。将电磁波发送到结构中的步骤特别地借助于天线来执行。
6、(b)从结构接收电磁波的回波信号：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，该特征由电特性的改变，例如，介电常数的改变来表征。波的反射部分可以作为回波信号(即，反射的电磁波)从结构接收，特别是借助于另一个或天线接收。
7、(c)处理回波信号以导出关于结构的信息：导出的信息可以与结构的内部特征相关。内部特征可以例如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、电特性(例如，介电常数)的改变量、在结构中的特定位置等，也参见上面关于
技术介绍
的部分。
8、处理回波信号的步骤(c)包括以采样频率fs对回波信号进行采样。特别地，通过采样，以采样频率fs对作为模拟信号接收并且可以在模拟域中进行预处理的回波信号进行数字化。采样是由模数转换器(adc)有利地执行。adc通常在最大可能采样频率方面和模拟带宽方面受到限制。具有大模拟带宽(诸如例如，500mhz或更大)的adc通常或者复杂且昂贵，或者在snr和输出信号分辨率方面性能较差。
9、一般而言，在以采样频率fs对信号进行采样之后，只有频率高达奈奎斯特(nyquist)频率fs/2的信号的频率分量才能够被明确地恢复。高于奈奎斯特频率时，会出现混叠，这意味着频率为fs/2或更大的频率分量会向下折叠到0和fs/2之间的频率范围内。由于adc的能力有限(如上所述)，奈奎斯特频率的限制使得超宽带(uwb)信号(即，特别是带宽为500mhz或更高的信号)也在gpr应用中难以使用。为了克服这种限制，该方法具有以下特征：
10、探测信号包括多个离散频率分量fn,k，特别地，探测信号由多个离散频率分量fn,k组成。频率分量fn,k特别是由其频率以及振幅和相位来表征。可替代地，振幅和相位可以被表达为复数振幅(complex amplitude)。有利地，探测信号中除了多个离散频率分量fn,k之外的所有频率分量均为零，即特别地，除了fn,k之外的所有频率分量具有fn,k的最大振幅的至多50％、特别是至多25％或至多10％的振幅。
11、此外，多个频率分量fn,k的至少两个位于不同的奈奎斯特区中。第n奈奎斯特区覆盖从(n-1)*fs/2到n*fs/2的频率范围，其中fs是采样频率，并且n＝1,2,…。严格来说，特别是第n奈奎斯特区不包括其上限n*fs/2。此外，k＝1…k，并且k为第n奈奎斯特区中的频率分量的数量。对于一些奈奎斯特区，k可以为零，并且特别地，对于具有最大频率的fn,k所在的第n奈奎斯特区上方的所有奈奎斯特区，k为零。
12、在实施例中，多个离散频率分量fn,k跨越探测信号的带宽。根据以上所述，探测信号的带宽可以比奈奎斯特区更宽，特别是大于fs/2。有利地，探测信号的带宽是至少500mhz，特别是至少1ghz。这样的uwb信号的使用促进遵守监管限制，诸如fcc监管，以及快速的数据获取速度，参见下文。
13、进一步有利地，采样频率fs在100和500mhz之间，特别是在200和300mhz之间，例如250mhz。在后一种情况下，第1奈奎斯特区为从0至125mhz。因此，对于500mhz或1ghz的带宽，需要分别利用四个或八个(n＝4或分别n＝8)奈奎斯特区。这样的采样频率和模拟输入带宽值可使用常规的adc来实现，因此使得该方法的实施方式在实践中可行且价格合理。
14、如前面所讨论的，只有具有小于fs/2的频率的即在第1奈奎斯特区内的频率分量f1,k可在没有混叠的情况下恢复。一般而言，第n奈奎斯特区中的频率分量fn,k折叠到第1奈奎斯特区中的折叠频率分量f'n,k上。f'n,k的频率可以表达为
15、
16、有利地，fn,k使得对于所有n和k，f'n,k彼此不同。换句话说，(模拟)回波信号中存在的多个离散频率分量fn,k中的每一个都映射(采样后的数字信号中)到作为与其它f'n,k不同且特别是可区分的第1奈奎斯特区中的折叠频率分量f'n,k上。以这种方式，来自多于一个奈奎斯特区的频率分量(意味着更大的带宽)可以用于探测地下结构，同时保持对adc的要求，特别是关于fs恒定的要求。这允许将常规且价格合理的adc与uwb信号一起使用。使用uwb信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于探测地下结构的方法，包括步骤：
2.如权利要求1所述的方法，
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，
8.如权利要求7所述的方法，
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，
11.如权利要求10所述的方法，
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，
15.如权利要求14所述的方法，
16.如权利要求14或15中任一项所述的方法，
17.如前述权利要求中任一项所述的方法，
18.如前述权利要求中任一项所述的方法，
19.如权利要求18所述的方法，
20.如权利要求
21.一种用于探测地下结构的设备，包括
22.如权利要求21所述的设备，
23.如权利要求21或22中任一项所述的设备，
24.如权利要求21至23中任一项所述的设备，
25.如权利要求21至24中任一项所述的设备，
26.如权利要求21至25中任一项所述的设备，
27.如权利要求26所述的设备，
28.如权利要求21至27中任一项所述的设备，
29.如权利要求28所述的设备，
30.一种计算机程序，包括使得如权利要求21至29中任一项所述的设备执行如权利要求1至20中任一项所述的方法的步骤的指令。
...【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，包括步骤：
2.如权利要求1所述的方法，
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，
8.如权利要求7所述的方法，
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，
11.如权利要求10所述的方法，
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，
15.如权利要求14所述的方法，
16.如权利要求14或15中任一项所述的方法，
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