基于软件无线电的树木雷达探测系统及方法

1.本发明属于树木测量技术领域，具体涉及基于软件无线电的树木雷达探测系统及方法。


背景技术：

2.我国北方地区多属于温带和寒带气候，冬季有较长时间的冰霜期，这些区域中有大面积的经济和生态林木每年都会面临比较严重的寒害威胁。低温胁迫下树木水分生理响应规律的研究对了解树木的抗寒性能有着重要的意义。越冬期树木枝干冻融信息不仅是园林管理工作所急需的参考依据，同时也是树木抗寒分子调控机制研究的宏观反馈信息。树木枝干介电特征信息不仅是农林生产者和生态维护人员迫切需要的生产指导信息，也是植物生理学家长期关注的研究对象。
3.树木枝干中树皮、韧皮部、形成层、木质部等径向分层结构之间的水分含量差异明显，因此，各分层结构的介电特征也不尽相同。由于形成层和韧皮部厚度为紧密相邻的较薄分层，并且含水量都相对较高，这里将其归为一层，故从外到内可为分为四层：空气、树皮、韧皮部和形成层、木质部。
4.近些年来，树木在经济发展中越来越重要。而且环境治理、防风固沙的规模显著增加，为满足其日常维护需求，对树木枝干介电特征信息的监测愈加重视。现有技术中，对树木枝干介电特征信息的获取需破坏树木枝干，而且工作量大、周期长、速度慢，无法大规模地逐个检测。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供基于软件无线电的树木雷达探测系统及方法。
6.为了达到上述目的，本发明第一方面的技术方案如下：基于软件无线电的树木雷达探测系统，包括：用于发射和接收电磁波的雷达波收发器、用于解调雷达波信号的匹配滤波器、用于增强特定方向上电磁波强度的两个定向天线和用于存储电磁波回波并处理回波信号的pc机，雷达波收发器、匹配滤波器、两个定向天线依次连接，pc机与雷达波收发器连接。
7.进一步的，所述雷达波收发器采用limesdr，limesdr基于lms7002芯片为核心，进行电磁波的发送和接收。
8.进一步的，所述pc机内置与gnu radio开源软件无线电，通过其进行自定义设置信号的类型、频率、周期、增益等参数，并能够对接收到的信号进行频域、时域、瀑布图、星座图等方面的分析，也可利用自带模块对波形进行保存。
9.进一步的，所述匹配滤波器使雷达波信号输出信噪比最大，利用匹配滤波器的脉冲响应对雷达回波信号进行匹配滤波，获得滤波信号，实现对信号的最佳接收。
10.本发明的第二方面提供了基于软件无线电的树木雷达探测方法，包括以下步骤：
s1、两个定向天线对着待检测树木的方向设置；s2、开始发射电磁波，该电磁波通过匹配滤波器使雷达波信号输出信噪比最大，再经过一定向天线进行前向放大后，发射至待检测树木，雷达波穿透树木内部并不同介质分层界面产生电磁波回波；s3、另一定向天线对经过检测树木反射回传的电磁波进行后向抑制，再通过匹配滤波器的脉冲响应对回波信号进行匹配滤波，获得滤波信号，然后将接收的电磁波回波存储在pc机上；s4、通过pc机内置的octave利用基于过完备字典稀疏分解算法对回波信号进行处理，获得信号更为简洁的表示方式；s5、信号处理后利用剥层算法并根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数，与当前树种的介电常数范围进行比对，对当前层位进行识别，从而完成树木枝干径向分层结构的介电特征解析；s6、建立不同树木的数据库，对木制体内部的异常位置的定位与判断采取自适应阈值的方式。
11.步骤s3中还能进行：寻找滤波信号中的最大值以及所对应的时间延迟；比较滤波信号中的最大值与阈值的关系，并记录信号中大于阈值的点所对应的时间延迟，然后减去在带宽内的初始信号；根据最大的时间延迟，推出层位每个层位的时间延迟；把被检测到的探测波段回波信号内置为0，重复以上步骤，进而推断出每个反射层位的信息。
12.步骤s5中的根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数，是通过回波信号时延和幅度变化根据电磁波传播模型逐层反演出目标参数。
13.本发明的有益效果：该基于软件无线电的树木雷达探测系统，具备较强的抗干扰能力和穿透能力，能够轻松穿透树木枝干各分层结构，信号处理十分容易，具有较高的实时处理能力。同时通过建立不同树木的数据库，对木制体内部的异常位置的定位与判断采取自适应阈值的方式，监测精度更高。具体的，（1）通过雷达波探测技术能够快速、高效地对树木表面进行横向、纵向以及螺旋移动在内的整体扫描，大幅增加采集点数和采集效率，同时操作方便，不易受外界干扰，能够实现真正的非介入式、无损、在线连续探测树木内部结构；（2）通过雷达波收发器发射雷达波穿透树木内部并接收不同介质分层界面的响应回波，可实时传送或离线存储雷达图像，进行数据分析并识别成像，具有较高的实时处理能力；（3）采用limesdr作为电磁波发射机和接收机，具有很强的灵活性，把传统中用硬件实现的混频、滤波、放大、调制/解调、检波等通过软件实现；（4）通过gnu radio开源软件无线电进行自定义设置信号的类型、频率、周期、增益等参数，能够对接收到的信号进行频域、时域、瀑布图、星座图等方面的分析，也可利用自带模块对波形进行保存；（5）利用匹配滤波器使雷达波信号输出信噪比最大，利用匹配滤波器的脉冲响应对雷达回波信号进行匹配滤波，获得滤波信号，实现对信号的最佳接收；（6）利用稀疏分解算法对回波信号进行处理，在给定的超完备字典中用尽可能少的原子来表示信号，以获得信号更为简洁的表示方式，从而更容易地获取信号中所蕴含的
信息，更方便进一步对信号进行加工处理；（7）信号处理后使用剥层反演法对树木枝干径向分层结构的介电特征进行解析，主要利用回波信号时延和幅度变化根据电磁波传播模型逐层反演出目标参数，根据反演的介电常数，与当前树种的介电常数范围进行比对，从而对当前层位进行识别，方便快捷。
附图说明
14.图1为本发明实施例中基于软件无线电的树木雷达探测系统的结构示意图；图2为本发明实施例中基于软件无线电的树木雷达探测方法的流程图。
15.图中，1-雷达波收发器，2-匹配滤波器，3、3a、3b-定向天线，4-pc机。
具体实施方式
16.以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
17.基于软件无线电的树木雷达探测系统，如图1所示，包括：用于发射和接收电磁波的雷达波收发器1、用于解调雷达波信号的匹配滤波器2、用于增强特定方向上电磁波强度的两个定向天线3和用于存储电磁波回波并处理回波信号的pc机4，雷达波收发器1、匹配滤波器2、两个定向天线3a、3b依次连接，pc机4与雷达波收发器1连接。
18.本实施例中，雷达波收发器1采用limesdr，limesdr基于lms7002芯片为核心，进行电磁波的发送和接收。
19.本实施例中，匹配滤波器2使雷达波信号输出信噪比最大，利用匹配滤波器的脉冲响应对雷达回波信号进行匹配滤波，获得滤波信号，实现对信号的最佳接收。
20.本实施例中，pc机4内置与gnu radio开源软件无线电，通过其进行自定义设置信号的类型、频率、周期、增益在内的参数，并能够对接收到的信号进行频域、时域、瀑布图、星座图在内的方面的分析，也可利用自带模块对波形进行保存。
21.本发明的实施例中还提供了基于软件无线电的树木雷达探测方法，如图2所示，包括以下步骤：s1、两个定向天线对着待检测树木的方向设置；s2、开始发射电磁波，该电磁波通过匹配滤波器使雷达波信号输出信噪比最大，再经过一定向天线进行前向放大后，发射至待检测树木，雷达波穿透树木内部并不同介质分层界面产生电磁波回波；s3、另一定向天线对经过检测树木反射回传的电磁波进行后向抑制，再通过匹配滤波器的脉冲响应对回波信号进行匹配滤波，获得滤波信号，然后将接收的电磁波回波存储在pc机上；s4、通过pc机内置的octave利用基于过完备字典稀疏分解算法对回波信号进行处理，获得信号更为简洁的表示方式；s5、信号处理后利用剥层算法并根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数，与当前树种的介电常数范围进行比对，对当前层位进行识别，从而完成树木枝干径向分层结构的介电特征解析；s6、建立不同树木的数据库，对木制体内部的异常位置的定位与判断采取自适应
阈值的方式。
22.步骤s3中还能进行：寻找滤波信号中的最大值以及所对应的时间延迟；比较滤波信号中的最大值与阈值的关系，并记录信号中大于阈值的点所对应的时间延迟，然后减去在带宽内的初始信号；根据最大的时间延迟，推出层位每个层位的时间延迟；把被检测到的探测波段回波信号内置为0，重复以上步骤，进而推断出每个反射层位的信息。
23.步骤s5中的根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数，是通过回波信号时延和幅度变化根据电磁波传播模型逐层反演出目标参数。