本發(fā)明涉及一種無人機(jī)載探地雷達(dá)天線，具體為一種應(yīng)用于復(fù)雜地形、地貌條件下的姿態(tài)可自動調(diào)節(jié)的無人機(jī)載探地雷達(dá)天線裝置，屬于地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘察。

背景技術(shù)：

1、一般而言，探地雷達(dá)(ground?penetrating?radar.gpr)是通過天線發(fā)射和接收電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)特性和分布規(guī)律的一種地球物理設(shè)備。具體而言，工作時，探地雷達(dá)天線端貼近地表或者離地一定高度，通過發(fā)送天線向地下輻射高頻電磁波，遇到目標(biāo)體后原來的電磁波會改變傳輸路徑，部分電磁波被反射并被接收天線所接收。反射信號的時延和幅度與介質(zhì)參量有關(guān)，對反射信號進(jìn)行分析處理，就可以計算出目標(biāo)體的形狀、埋藏深度以及介質(zhì)特性。

2、天線是探地雷達(dá)最為核心部件，其性能決定了雷達(dá)的探測能力?，F(xiàn)有技術(shù)中常見的探地雷達(dá)天線有偶極天線、蝶形天線、螺旋天線、喇叭天線等。其中，1)偶極天線、蝶形天線以及螺旋天線雖然重量輕，但是指向性差、輻射效率低，比較適合貼地表進(jìn)行手推式的施工作業(yè)；2)喇叭天線指向性好、輻射效率高，但是體積和重量都較大，非常適用于車載方式進(jìn)行非接觸測量；3)手推式和車載式在道路檢測方面施工起來較為方便，然而，很多時候受地形、地貌以及復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)方式難以到達(dá)；4)通過無人機(jī)載的方式，在探測范圍以及探測速度等方面都具有很明顯的優(yōu)勢，但是，無人機(jī)載重和平衡能力有限，飛行時還須距離地面一定高度，為了完成探測任務(wù)，對天線的重量、自平衡、指向性以及輻射效率提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決常規(guī)探地雷達(dá)無法在復(fù)雜地形、地貌以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的條件下施工作業(yè)的問題而提供一種姿態(tài)可自動調(diào)節(jié)的無人機(jī)載探地雷達(dá)天線裝置。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：一種姿態(tài)可自動調(diào)節(jié)的無人機(jī)載探地雷達(dá)天線裝置，包括無人機(jī)、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、發(fā)射天線、接收天線、地形識別探頭和平行檢測探頭，無人機(jī)的下端懸掛有載荷平臺，載荷平臺內(nèi)設(shè)置有探地雷達(dá)主控器，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)連接在無人機(jī)的下端，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)上安裝有發(fā)射天線、接收天線和平行檢測探頭，地形識別探頭連接在載荷平臺上；

3、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)軸、舵機(jī)、第一平衡連接桿、第二平衡連接桿、第一導(dǎo)電滑塊、第二導(dǎo)電滑塊和導(dǎo)電滑軌，舵機(jī)通過轉(zhuǎn)軸活動連接在載荷平臺下端，舵機(jī)的底端連接有導(dǎo)電滑軌，導(dǎo)電滑軌的位于舵機(jī)兩側(cè)的軌身上分別滑動連接有第一導(dǎo)電滑塊和第二導(dǎo)電滑塊。

4、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：第一導(dǎo)電滑塊上安裝有第一平衡連接桿，第二導(dǎo)電滑塊上安裝有第二平衡連接桿，第一平衡連接桿和第二平衡連接桿均呈豎直狀設(shè)置，第一平衡連接桿的底端連接有發(fā)射天線，第一平衡連接桿的上端連接有第一配重塊，第二平衡連接桿的底端連接有接收天線，第二平衡連接桿的上端連接有第二配重塊，發(fā)射天線和接收天線均位于目標(biāo)體的上方。

5、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：發(fā)射天線和接收天線結(jié)構(gòu)相同，發(fā)射天線包括喇叭段和波導(dǎo)段，喇叭段連接在波導(dǎo)段的底端，喇叭段的內(nèi)部設(shè)有呈十字狀的第一天線脊、第二天線脊、第三天線脊和第四天線脊，且第一天線脊、第二天線脊、第三天線脊和第四天線脊分別位于喇叭段的四個側(cè)邊內(nèi)壁中間部位，波導(dǎo)段上開設(shè)有饋電端口和饋電端口。

6、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：發(fā)射天線的喇叭段內(nèi)層以及四個天線脊開口的外層導(dǎo)電體為碳納米管薄層，碳納米管薄層的背襯材料為聚丙烯泡沫。

7、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：地形識別探頭位于載荷平臺的底端一側(cè)，地形識別探頭與探地雷達(dá)主控器呈信號傳輸連接，地形識別探頭包括第一地識超聲收發(fā)器、第二地識超聲收發(fā)器和第三地識超聲收發(fā)器，第一地識超聲收發(fā)器、第二地識超聲收發(fā)器和第三地識超聲收發(fā)器兩兩之間互呈固定角度狀分布。

8、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：平行檢測探頭與探地雷達(dá)主控器呈信號傳輸連接，平行檢測探頭包括第一平檢超聲收發(fā)器和第二平檢超聲收發(fā)器，第一平檢超聲收發(fā)器固定在發(fā)射天線一側(cè)的滑軌端點(diǎn)處，第二平檢超聲收發(fā)器固定在接收天線一側(cè)的滑軌端點(diǎn)處。

9、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：地形識別探頭對地形的識別方法具體包括：

10、由無人機(jī)飛行高度和系統(tǒng)連接順序可以求得超聲收發(fā)器的位置坐標(biāo)s，三組超聲收發(fā)器互成固定角度，以每組探頭的傾斜角為斜率建立空間坐標(biāo)直線，與選取的參考平面分別相交于a，b，c三點(diǎn)，與sa、sb、sc對應(yīng)的三組空間直線方程分別為：

11、

12、令a′坐標(biāo)為(x0′,y0′,z0′)、b′坐標(biāo)為(x1′,y1′,z1′)，c′坐標(biāo)為(x2′,y2′,z2′)，

13、設(shè)|sa′|＝l1、|sb′|＝l2、|sc′|＝l3，其長度可由三組超聲收發(fā)器直接測量，sa對應(yīng)的直線方程，代入未知參數(shù)，可得下列方程：

14、

15、

16、由上述方程可以求出a′的坐標(biāo)值，同理，可列出相應(yīng)的方程求出b′

17、和c′的坐標(biāo)值；

18、令水平面的法向量為測量平面的法向量為由向量叉積關(guān)系得：

19、

20、最后可以計算出兩平面的夾角θ，其余弦為：

21、

22、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：發(fā)射天線和接收天線的姿態(tài)調(diào)整具體包括：

23、s1、探地雷達(dá)主控器按照探測要求，通過移動第一導(dǎo)電滑塊和第二導(dǎo)電滑塊來實(shí)現(xiàn)調(diào)整發(fā)射天線和接收天線之間的距離；

24、s2、調(diào)整舵機(jī)的角度，使得發(fā)射天線和接收天線的開口豎直向下；利用地形識別器測量地面的傾斜狀況，如果地面傾斜角度大于設(shè)定的閾值，則需要將舵機(jī)的角度調(diào)整和地面的傾斜角一致；再者，判斷發(fā)射天線和接收天線連線是否與斜面平行，平行檢測探頭中的第一平檢超聲收發(fā)器用于發(fā)射天線一側(cè)的地面測距、第二平檢超聲收發(fā)器用于接收天線一側(cè)的地面測距；

25、s3、根據(jù)測距結(jié)構(gòu)，舵機(jī)進(jìn)行順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，且舵機(jī)僅可以順時針或逆時針轉(zhuǎn)動360°，同時導(dǎo)電滑軌跟著轉(zhuǎn)軸水平轉(zhuǎn)動，在此過程中第一平檢超聲收發(fā)器和第二平檢超聲收發(fā)器發(fā)射超聲波并接收回波；

26、s4、當(dāng)兩條超聲行程差小于設(shè)定閾值時，轉(zhuǎn)軸停止轉(zhuǎn)動；最后，對傾斜地面進(jìn)行目標(biāo)體探測，啟動發(fā)射天線發(fā)射電磁波，接收天線接收途經(jīng)目標(biāo)體的回波信號，探地雷達(dá)主控器進(jìn)行信號調(diào)理和采集，通過計算機(jī)計算分析目標(biāo)體參數(shù)特性、繪制目標(biāo)體結(jié)構(gòu)模型。

27、本發(fā)明的有益效果是：

28、1)通過設(shè)置有姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，使得天線探頭能夠適應(yīng)不同的地形、地貌進(jìn)行探測；

29、2)選用薄層碳納米管作為導(dǎo)電體、聚丙烯泡沫為背襯的天線結(jié)構(gòu)，在保證導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度的情況下，達(dá)到降低重量的效果；

30、3)配重塊和天線通過平衡連接桿連接，達(dá)到扭矩平衡的效果，保持無人機(jī)飛行穩(wěn)定的效果；

31、4)地形識別探頭通過三組互成固定角度的超聲回波信號，達(dá)到測量地面傾斜狀況的效果；

32、5)平行檢測探頭通過測量兩組超聲行程，達(dá)到判別出收發(fā)天線連線是否與斜面平行的效果，可應(yīng)用于復(fù)雜地形、地貌條件下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘察。