用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法及系统与流程

本发明涉及一种探地雷达的采集和展示方法，尤其涉及一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，并进一步涉及采用了该用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法的系统。

背景技术：

1、数字双频探地雷达系统是一种采用实时扫描采样技术的雷达系统，用于地下勘探和探测地下物体的位置、形状和性质。数字双频探地雷达通过发射两种不同频率的电磁波并接收它们的回波来探测目标，这两种频率的电磁波在空气中传播时会受到不同的影响，如散射、吸收和折射等。利用这些差异，双频雷达可以获取更多关于目标的信息，如距离、深度、形状和性质等。但是，在现有的常规探测作业流程中，一般是在探测结束后才对探地雷达数据进行转存和处理，这种方式效率低，无法满足实时采样技术所带来的勘探效率提升的要求，也无法实现实时图像重建与展示。另外，由于探地雷达工作环境较为复杂，可能在城市道路、桥梁、隧道等不同场景下进行探测，网络环境波动较大，现有技术并不能满足探地雷达的实际使用环境的数据采集与实时展示需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是需要提供一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，进而满足实时采样技术所带来的勘探效率提升的要求，实现实时的图像重建与展示，能够满足探地雷达在实际使用环境的数据采集与实时展示需求。在此基础上，还进一步提供采用了该用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法的系统。

2、对此，本发明提供一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，将探地雷达采集到的数据通过用户数据报协议传输到移动设备端，在探地雷达端使用环形命令缓冲区接收来自移动端下发的命令，并采用双线程执行并行的任务；

4、步骤s2，移动设备端对接收到的数据进行实时滤波及增益处理，通过高斯滤波实现对生成的雷达图谱的实时平滑处理，并采用动态曲线拟合法实现实时增益处理；

5、步骤s3，在移动设备端通过占位缓存机制自动实时侦测并记录采集上传过程中丢失数据的测道号，并在结束当前测线采集时下发命令给探地雷达端，通过探地雷达端的缓存向移动设备端进行丢失数据的补传，以实现对遗漏丢失的探地雷达数据的按需补传；

6、步骤s4，采用四重缓冲机制动态更新独立绘制雷达图谱。

7、本发明的进一步改进在于，所述步骤s1包括以下子步骤：

8、步骤s101，移动设备端通过包括命令字的udp包下发命令给探地雷达端，所述命令字由两个字节组成，首个命令字为询问广播命令字，用于等待探地雷达端应答；移动设备端在收到来自探地雷达端的应答后，下发第二个握手成功命令字，表示探地雷达端和移动设备端配对成功；

9、步骤s102，探地雷达端上传实时采集数据的udp包至移动设备端，实时采集数据的udp包包括命令应答包、数据采集包、gps数据包、编码器数据包以及心跳包；

10、步骤s103，在探地雷达端使用环形命令缓冲区接收来自移动端下发的命令，将命令写入环形命令缓冲区；并同时在探地雷达端读取环形命令缓冲区的命令，执行相应的操作；写入和读取操作采用双线程互斥锁的方式同时进行；

11、步骤s104，探地雷达端将采集的数据依据其环形编码器实现面向行进距离的中断触发进行实时上传；

12、步骤s105，在移动设备端使用冗余数据缓冲区存储来自探地雷达端实时上传的采集数据。

13、本发明的进一步改进在于，所述步骤s103中，包括以下步骤：

14、步骤s1031，将命令写入环形命令缓冲区的过程中，判断满指针是否超过环形缓冲区大小，若满指针未超过环形缓冲区大小，则使用写指针写入命令，写指针加1，直到写指针超过缓冲区大小时，将写指针归零，满指针加1；若满指针超过环形缓冲区大小，则不进行写入操作；

15、步骤s1032，判断满指针是否为零，若满指针不为零，使用读指针读出命令，读指针加1，直到读指针超过缓冲区大小时，读指针归零，满指针减1；若满指针为零，则不进行读取操作。

16、本发明的进一步改进在于，所述步骤s2包括以下子步骤：

17、步骤s201，先根据输入参数生成一个高斯分布的权重数组，并计算这些权重数组的总和，然后通过高斯窗口对输入数组source进行平滑处理，并将结果存储到输出数组destination中；

18、步骤s202，计算当前采集的多道样本的反向能量衰减曲线，然后利用该反向能量衰减曲线对一条测线上的所有样本进行实时增益处理。

19、本发明的进一步改进在于，所述步骤s201包括以下子步骤：

20、步骤s2011，初始化高斯权重的存储数组gaussian array和高斯权重的总和gaussian sum；

21、步骤s2012，遍历窗口的每个位置，通过公式计算对应的高斯权重，其中， j表示当前位置相对于窗口中心点的位置， d表示高斯分布的宽度， exp表示指数函数；

22、步骤s2013，将计算得到的权重存储在高斯权重的存储数组gaussianarray中，并累加到高斯权重的总和gaussian sum；

23、步骤s2014，初始平均值d，计算窗口内所有元素的平均值；

24、步骤s2015，遍历所有样本，对输入数组source中的每个样本，减去初始平均值d，并存储到输出数组destination数组中；

25、步骤s2016，对于中心位置以外的样本，计算加权平均值，使用高斯权重的存储数组gaussian array中的权重对窗口内的样本进行加权求和d2；

26、步骤s2017，更新平均值d为加权和d2除以高斯权重的总和gaussian sum。

27、本发明的进一步改进在于，所述步骤s202包括以下子步骤：

28、步骤s2021，初始化能量衰减曲线矩阵exponential power和采样数据矩阵scan，能量衰减曲线矩阵exponential power和采样数据矩阵scan分别用于存储能量衰减曲线和采样数据；

29、步骤s2022，将多道样本数据构成的二维数组array traces中的数据复制到采样数据矩阵scan中；

30、步骤s2023，将采样数据矩阵scan的列数ns扩展为原来的三倍，并用零填充；

31、步骤s2024，对扩展后的采样数据矩阵scan进行方向的傅里叶变换，得到频域表示的频域数据ftr；

32、步骤s2025，构建滤波器矩阵h，用于对频域数据进行滤波；

33、步骤s2026，将滤波器矩阵h应用到频域数据ftr上；

34、步骤s2027，对滤波后的频域数据ftr进行逆傅里叶变换，得到时域数据ht；

35、步骤s2028，计算时域数据ht的矩阵之中每列的平均值，并取对数，得到衰减曲线decay curve；

36、步骤s2029，采用最小二乘法进行多项式拟合，得到多级指数衰减模型的系数矩阵a；

37、步骤s20210，使用拟合的系数矩阵a计算能量衰减曲线exponential power，并进行归一化；

38、步骤s20211，将计算得到的能量衰减曲线应用到增益数组array gain中，对样本进行实时增益处理。

39、本发明的进一步改进在于，所述步骤s3包括以下子步骤：

40、步骤s301，通过移动设备端的接收线程，接收来自探地雷达端的批量单道采样数据；

41、步骤s302，通过移动设备端的文件读写线程，将接收缓冲区内的采样数据同步写入当前测线的数据文件作为采集输出结果；

42、步骤s303，建立整型数组missed traces，通过比较上一次接收的测道号和当前接收的测道号是否为连续的测道号来判断单道采集数据是否丢失，若如果没有接收成功，则判断为单道采集数据丢失，文件读写线程仍然写入空的数据占据文件空间，同时通过整型数组missed traces记录前后两次单道采集之间丢失的测道号；

43、步骤s304，当结束当前测线采集后，遍历整型数组missed traces，按需向探地雷达端发送命令通知探地雷达端上传丢失的单道采样数据；

44、步骤s305，通过移动设备端的文件读写线程，根据测道号定位到输出文件的空白的数据占据文件空间，将探地雷达端重新上传的单道数据进行写入。

45、本发明的进一步改进在于，所述步骤s4包括以下子步骤：

46、步骤s401，建立四个用于绘图操作所需的显示缓冲区,分别用于显示当前测线的高频天线数据、当前测线的低频天线数据、上一条测线的高频天线数据以及上一条测线的低频天线数据；

47、步骤s402，建立四个独立绘图表面，并分别关联上述四个用于绘图操作所需的显示缓冲区；

48、步骤s403，通过独立绘图表面，加载和处理来自文件或实时采集的数据，并绘制到图形显示缓冲区。

49、本发明的进一步改进在于，所述步骤s403包括以下子步骤：

50、步骤s4031，初始化变量，变量包括标志变量、缓冲区索引以及用于存储雷达数据的数组；

51、步骤s4032，创建数据结构，使用链表数据集合linkedlist创建一个双端队列用于存储背景窗口的历史数据，同时，初始化浮点数组用于存储数据的总和及平均值；

52、步骤s4033，循环处理，启用一个用于处理数据加载和更新逻辑的无限循环，直到加载数据绘制循环标识load data to draw looping 被设置为false；

53、步骤s4034，条件检查，在循环中，首先检查是否处于文件读取模式或采集模式，并且加载数据绘制循环标识load data to draw looping被设置为true；然后，通过休眠线程thread sleep暂停一段时间；

54、步骤s4035，处理首次运行，如果首次运行标识first run为true，执行初始化操作，设置上次收集的痕迹last collected trace的值；

55、步骤s4036，处理滚动和跳转，如果缓冲区跳转标识buffer jump为true，会处理缓冲区的跳转逻辑，重置缓冲区索引并更新显示的数据；

56、步骤s4037，数据加载和处理，在循环中，根据当前的模式从文件或冗余数据缓冲区加载数据；数据加载后，跳转至步骤s2进行实时增益处理，并进行背景干扰消除处理；

57、步骤s4038，绘制数据，处理完数据后，根据当前的视图显示风格将数据绘制到对应的显示缓冲区中；

58、步骤s4039，更新ui，在数据加载和处理完成后，更新ui相关的变量；

59、步骤s40310，结束循环，当加载数据绘制循环标识load data to draw looping被设置为false时，循环结束，后台进程退出；

60、步骤s40311，清理，最后将线程运行标识thread is running设置为false，线程不再运行。

61、本发明还提供一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示系统，采用了如上所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，并包括：

62、数据传输模块，将探地雷达采集到的数据通过用户数据报协议传输到移动设备端，在探地雷达端使用环形命令缓冲区接收来自移动端下发的命令，并采用双线程执行并行的任务；

63、实时滤波和增益处理模块，移动设备端对接收到的数据进行实时滤波及增益处理，通过高斯滤波实现对生成的雷达图谱的实时平滑处理，并采用动态曲线拟合法实现实时增益处理；

64、探地雷达数据补传模块，在移动设备端通过占位缓存机制自动实时侦测并记录采集上传过程中丢失数据的测道号，并在结束当前测线采集时下发命令给探地雷达端，通过探地雷达端的缓存向移动设备端进行丢失数据的补传，以实现对遗漏丢失的探地雷达数据的按需补传；

65、雷达图谱绘制模块，采用四重缓冲机制动态更新独立绘制雷达图谱。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：先将探地雷达采集到的数据通过用户数据报协议传输到移动设备端，并通过移动设备端对接收到的数据进行实时滤波及增益处理，然后对遗漏丢失的探地雷达数据进行按需补传，最后采用五缓冲机制动态更新独立绘制雷达图谱，进而能够满足实时采样技术所带来的勘探效率提升的要求，能够很好地实现实时的图像重建与展示；在此基础上，即使探地雷达所在的工作环境较为复杂，依然可以很好地满足数字双频探地雷达在各种实际使用环境的数据采集与实时展示需求。

技术特征：

1.一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下子步骤：

3.根据权利要求2所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s103中，包括以下步骤：

4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下子步骤：

5.根据权利要求4所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s201包括以下子步骤：

6.根据权利要求4所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s202包括以下子步骤：

7.根据权利要求1至3任意一项所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下子步骤：

8.根据权利要求1至3任意一项所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下子步骤：

9.根据权利要求8所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，其特征在于，所述步骤s403包括以下子步骤：

10.一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示系统，其特征在于，采用了如权利要求1至9任意一项所述的用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法，并包括：

技术总结
本发明提供一种用于数字双频探地雷达的数据采集与实时展示方法及系统，包括：步骤S1，将探地雷达采集到的数据通过用户数据报协议传输到移动设备端；步骤S2，移动设备端对接收到的数据进行实时滤波及增益处理；步骤S3，在移动设备端通过占位缓存机制自动实时侦测并记录采集上传过程中可能丢失数据的测道号，并在结束当前测线采集时下发命令给探地雷达端，通过探地雷达端的缓存向移动设备端进行丢失数据的补传；步骤S4，采用四重缓冲机制动态更新独立绘制雷达图谱。本发明能够满足实时采样技术所带来的勘探效率提升的要求，能够实现实时的图像重建与展示，可以很好地满足数字双频探地雷达在各种实际使用环境的数据采集与实时展示需求。

技术研发人员：项芒,秦竟波,董超,郭旭,刘育钧
受保护的技术使用者：深圳安德空间技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5