一种姿态可自动调节的无人机载探地雷达天线装置

本发明涉及一种无人机载探地雷达天线，具体为一种应用于复杂地形、地貌条件下的姿态可自动调节的无人机载探地雷达天线装置，属于地质结构勘察。

背景技术：

1、一般而言，探地雷达(ground penetrating radar.gpr)是通过天线发射和接收电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理设备。具体而言，工作时，探地雷达天线端贴近地表或者离地一定高度，通过发送天线向地下辐射高频电磁波，遇到目标体后原来的电磁波会改变传输路径，部分电磁波被反射并被接收天线所接收。反射信号的时延和幅度与介质参量有关，对反射信号进行分析处理，就可以计算出目标体的形状、埋藏深度以及介质特性。

2、天线是探地雷达最为核心部件，其性能决定了雷达的探测能力。现有技术中常见的探地雷达天线有偶极天线、蝶形天线、螺旋天线、喇叭天线等。其中，1)偶极天线、蝶形天线以及螺旋天线虽然重量轻，但是指向性差、辐射效率低，比较适合贴地表进行手推式的施工作业；2)喇叭天线指向性好、辐射效率高，但是体积和重量都较大，非常适用于车载方式进行非接触测量；3)手推式和车载式在道路检测方面施工起来较为方便，然而，很多时候受地形、地貌以及复杂的地质结构限制，传统方式难以到达；4)通过无人机载的方式，在探测范围以及探测速度等方面都具有很明显的优势，但是，无人机载重和平衡能力有限，飞行时还须距离地面一定高度，为了完成探测任务，对天线的重量、自平衡、指向性以及辐射效率提出了更高的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决常规探地雷达无法在复杂地形、地貌以及地质结构的条件下施工作业的问题而提供一种姿态可自动调节的无人机载探地雷达天线装置。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种姿态可自动调节的无人机载探地雷达天线装置，包括无人机、姿态调整机构、发射天线、接收天线、地形识别探头和平行检测探头，无人机的下端悬挂有载荷平台，载荷平台内设置有探地雷达主控器，姿态调整机构连接在无人机的下端，姿态调整机构上安装有发射天线、接收天线和平行检测探头，地形识别探头连接在载荷平台上；

3、姿态调整机构包括转轴、舵机、第一平衡连接杆、第二平衡连接杆、第一导电滑块、第二导电滑块和导电滑轨，舵机通过转轴活动连接在载荷平台下端，舵机的底端连接有导电滑轨，导电滑轨的位于舵机两侧的轨身上分别滑动连接有第一导电滑块和第二导电滑块。

4、作为本发明再进一步的方案：第一导电滑块上安装有第一平衡连接杆，第二导电滑块上安装有第二平衡连接杆，第一平衡连接杆和第二平衡连接杆均呈竖直状设置，第一平衡连接杆的底端连接有发射天线，第一平衡连接杆的上端连接有第一配重块，第二平衡连接杆的底端连接有接收天线，第二平衡连接杆的上端连接有第二配重块，发射天线和接收天线均位于目标体的上方。

5、作为本发明再进一步的方案：发射天线和接收天线结构相同，发射天线包括喇叭段和波导段，喇叭段连接在波导段的底端，喇叭段的内部设有呈十字状的第一天线脊、第二天线脊、第三天线脊和第四天线脊，且第一天线脊、第二天线脊、第三天线脊和第四天线脊分别位于喇叭段的四个侧边内壁中间部位，波导段上开设有馈电端口和馈电端口。

6、作为本发明再进一步的方案：发射天线的喇叭段内层以及四个天线脊开口的外层导电体为碳纳米管薄层，碳纳米管薄层的背衬材料为聚丙烯泡沫。

7、作为本发明再进一步的方案：地形识别探头位于载荷平台的底端一侧，地形识别探头与探地雷达主控器呈信号传输连接，地形识别探头包括第一地识超声收发器、第二地识超声收发器和第三地识超声收发器，第一地识超声收发器、第二地识超声收发器和第三地识超声收发器两两之间互呈固定角度状分布。

8、作为本发明再进一步的方案：平行检测探头与探地雷达主控器呈信号传输连接，平行检测探头包括第一平检超声收发器和第二平检超声收发器，第一平检超声收发器固定在发射天线一侧的滑轨端点处，第二平检超声收发器固定在接收天线一侧的滑轨端点处。

9、作为本发明再进一步的方案：地形识别探头对地形的识别方法具体包括：

10、由无人机飞行高度和系统连接顺序可以求得超声收发器的位置坐标s，三组超声收发器互成固定角度，以每组探头的倾斜角为斜率建立空间坐标直线，与选取的参考平面分别相交于a，b，c三点，与sa、sb、sc对应的三组空间直线方程分别为：

11、

12、令a′坐标为(x0′,y0′,z0′)、b′坐标为(x1′,y1′,z1′)，c′坐标为(x2′,y2′,z2′)，

13、设|sa′|＝l1、|sb′|＝l2、|sc′|＝l3，其长度可由三组超声收发器直接测量，sa对应的直线方程，代入未知参数，可得下列方程：

14、

15、

16、由上述方程可以求出a′的坐标值，同理，可列出相应的方程求出b′

17、和c′的坐标值；

18、令水平面的法向量为测量平面的法向量为由向量叉积关系得：

19、

20、最后可以计算出两平面的夹角θ，其余弦为：

21、

22、作为本发明再进一步的方案：发射天线和接收天线的姿态调整具体包括：

23、s1、探地雷达主控器按照探测要求，通过移动第一导电滑块和第二导电滑块来实现调整发射天线和接收天线之间的距离；

24、s2、调整舵机的角度，使得发射天线和接收天线的开口竖直向下；利用地形识别器测量地面的倾斜状况，如果地面倾斜角度大于设定的阈值，则需要将舵机的角度调整和地面的倾斜角一致；再者，判断发射天线和接收天线连线是否与斜面平行，平行检测探头中的第一平检超声收发器用于发射天线一侧的地面测距、第二平检超声收发器用于接收天线一侧的地面测距；

25、s3、根据测距结构，舵机进行顺时针或逆时针转动，且舵机仅可以顺时针或逆时针转动360°，同时导电滑轨跟着转轴水平转动，在此过程中第一平检超声收发器和第二平检超声收发器发射超声波并接收回波；

26、s4、当两条超声行程差小于设定阈值时，转轴停止转动；最后，对倾斜地面进行目标体探测，启动发射天线发射电磁波，接收天线接收途经目标体的回波信号，探地雷达主控器进行信号调理和采集，通过计算机计算分析目标体参数特性、绘制目标体结构模型。

27、本发明的有益效果是：

28、1)通过设置有姿态调整机构，使得天线探头能够适应不同的地形、地貌进行探测；

29、2)选用薄层碳纳米管作为导电体、聚丙烯泡沫为背衬的天线结构，在保证导电性能和机械强度的情况下，达到降低重量的效果；

30、3)配重块和天线通过平衡连接杆连接，达到扭矩平衡的效果，保持无人机飞行稳定的效果；

31、4)地形识别探头通过三组互成固定角度的超声回波信号，达到测量地面倾斜状况的效果；

32、5)平行检测探头通过测量两组超声行程，达到判别出收发天线连线是否与斜面平行的效果，可应用于复杂地形、地貌条件下的地质结构勘察。