本發(fā)明涉及管道探測(cè)，特別涉及一種用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市地下管網(wǎng)的快速發(fā)展，燃?xì)?、水?wù)、電力、通信等多種管道并行敷設(shè)，地下空間環(huán)境日益復(fù)雜，對(duì)管道探測(cè)技術(shù)的精度與可靠性提出了更高要求。目前常用的管道探測(cè)方法如電磁感應(yīng)、地質(zhì)雷達(dá)等，受限于探測(cè)深度、材質(zhì)適應(yīng)性和電磁干擾等因素，在復(fù)雜環(huán)境中存在定位誤差大、探測(cè)失敗率高等問(wèn)題。

2、多頻通信探測(cè)技術(shù)因其信號(hào)穿透性強(qiáng)、抗干擾能力高，被逐步應(yīng)用于地下管道探測(cè)領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)大多采用固定頻率配置，缺乏對(duì)環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，特別在面對(duì)信號(hào)混合干擾、頻率漂移等情況時(shí)，易導(dǎo)致通信鏈接失敗或探測(cè)誤判。同時(shí)，當(dāng)前多頻信號(hào)的處理方法多停留在簡(jiǎn)單濾波和解調(diào)，未能充分挖掘信號(hào)的時(shí)頻域特征，限制了信號(hào)識(shí)別精度。

3、此外，復(fù)雜管道環(huán)境下信道特性變化劇烈，導(dǎo)致通信信號(hào)頻率偏移明顯，現(xiàn)有方法通常依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，缺乏系統(tǒng)化的頻率補(bǔ)償模型，影響系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。

4、因此，亟需一種可實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征提取、混合信號(hào)分解、數(shù)據(jù)通道動(dòng)態(tài)匹配及頻率補(bǔ)償?shù)亩囝l通信探測(cè)控制方法，以提升終端間通信穩(wěn)定性和地下管道探測(cè)的準(zhǔn)確性與適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法。

2、本發(fā)明第一方面提供了一種用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法，包括：

3、對(duì)多頻通信探測(cè)終端在各工作頻率下的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)的信號(hào)特征進(jìn)行提取，構(gòu)建信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)；

4、獲取目標(biāo)管道探測(cè)區(qū)域的混合多頻微波信號(hào)，根據(jù)所述信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)將所述混合多頻微波信號(hào)分解為單頻信號(hào)流，確定所述單頻信號(hào)流信息；

5、根據(jù)所述單頻信號(hào)流信息將多頻信號(hào)發(fā)射端與接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接；

6、若存在數(shù)據(jù)鏈接失敗終端，獲取管道環(huán)境特征對(duì)信號(hào)頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補(bǔ)償模型；

7、根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接失敗終端探測(cè)管道的環(huán)境信息和頻率漂移補(bǔ)償模型對(duì)分解的單頻信號(hào)流進(jìn)行頻率補(bǔ)償，根據(jù)頻率補(bǔ)償后的單頻信號(hào)流將發(fā)射端與接收端進(jìn)行重連操作。

8、本方案中，所述對(duì)多頻通信探測(cè)終端在各工作頻率下的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)的信號(hào)特征進(jìn)行提取，構(gòu)建信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，具體為：

9、按時(shí)間序列采集多頻通信探測(cè)終端在各工作頻率下發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)，得到原始信號(hào)矩陣，其中每行表示一個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)，每列表示一個(gè)工作頻率的采樣數(shù)據(jù)；

10、對(duì)所述原始信號(hào)矩陣進(jìn)行中心化處理，計(jì)算每個(gè)頻率通道數(shù)據(jù)的均值，將原始信號(hào)矩陣的每個(gè)元素減去對(duì)應(yīng)通道的均值，得到中心化信號(hào)矩陣；

11、引入奇異值分解算法，根據(jù)所述奇異值分解算法將中心化信號(hào)矩陣分解為左奇異向量矩陣、奇異值對(duì)角矩陣和右奇異向量矩陣的乘積形式，其中左奇異向量矩陣的列向量表示時(shí)間維度上的信號(hào)特征模式，右奇異向量矩陣的行向量表示頻率維度上的信號(hào)特征模式，奇異值對(duì)角矩陣的對(duì)角元素表示各特征模式的能量權(quán)重；

12、根據(jù)所述奇異值對(duì)角矩陣的奇異值大小，選擇前k個(gè)最大奇異值對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征模式，將左奇異向量矩陣的前k列作為時(shí)間特征基向量，右奇異向量矩陣的前k行作為頻率特征基向量，構(gòu)建降維后的信號(hào)特征投影空間；

13、將所述時(shí)間特征基向量和頻率特征基向量按工作頻率分類(lèi)存儲(chǔ)，對(duì)每個(gè)工作頻率的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)，提取其在時(shí)間特征基向量上的投影系數(shù)作為時(shí)域特征，在頻率特征基向量上的投影系數(shù)作為頻域特征，生成每個(gè)工作頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征向量；

14、將所有工作頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征向量與對(duì)應(yīng)的發(fā)射端標(biāo)識(shí)、通信頻率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，構(gòu)建信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，其中每個(gè)條目包含發(fā)射端標(biāo)識(shí)、通信頻率、時(shí)域特征、頻域特征及能量權(quán)重。

15、本方案中，所述獲取目標(biāo)管道探測(cè)區(qū)域的混合多頻微波信號(hào)，根據(jù)所述信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)將所述混合多頻微波信號(hào)分解為單頻信號(hào)流，確定所述單頻信號(hào)流信息，具體為：

16、獲取目標(biāo)管道探測(cè)區(qū)域的混合多頻微波信號(hào)，對(duì)混合多頻微波信號(hào)采用滑動(dòng)時(shí)間窗截取信號(hào)段并執(zhí)行零均值歸一化，生成標(biāo)準(zhǔn)化混合信號(hào)矩陣；

17、基于獨(dú)立成分分析算法構(gòu)建解混模型，將混合信號(hào)矩陣輸入解混模型，通過(guò)非高斯性最大化準(zhǔn)則計(jì)算獨(dú)立成分的分離權(quán)重矩陣，根據(jù)所述分離權(quán)重矩陣對(duì)所述標(biāo)準(zhǔn)化混合信號(hào)矩陣進(jìn)行分解操作，得到解混矩陣；

18、根據(jù)所述解混矩陣對(duì)所述多頻微波信號(hào)分解為獨(dú)立的單頻信號(hào)流，對(duì)分離后的單頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域特征提取，計(jì)算每個(gè)單頻信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)特征和頻域功率譜特征，生成待匹配信號(hào)特征向量；

19、將待匹配信號(hào)特征向量與信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征向量進(jìn)行相關(guān)性分析，若單頻信號(hào)的時(shí)域特征與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)域特征的相關(guān)系數(shù)大于設(shè)定閾值且頻域特征能量分布相似度高于匹配閾值，則將該單頻信號(hào)標(biāo)定為有效單頻信號(hào)流，并關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的發(fā)射端標(biāo)識(shí)與通信頻率數(shù)據(jù)；

20、若單頻信號(hào)的時(shí)域特征相關(guān)系數(shù)小于設(shè)定閾值或頻域能量分布相似度低于匹配閾值，則將單頻信號(hào)標(biāo)定為異常信號(hào)流，對(duì)異常信號(hào)流執(zhí)行小波變換分析并提取多尺度能量分布特征，若最大能量尺度對(duì)應(yīng)的頻帶寬度超過(guò)預(yù)設(shè)范圍則判定為環(huán)境干擾信號(hào)并予以剔除，若能量分布呈現(xiàn)窄帶特性則判定為未注冊(cè)信號(hào)源，提取其信號(hào)特征并更新至信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)；

21、當(dāng)所有單頻信號(hào)流與信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征向量匹配完成后，輸出每個(gè)有效單頻信號(hào)流的發(fā)射端標(biāo)識(shí)、通信頻率，得到單頻信號(hào)流信息。

22、本方案中，所述根據(jù)所述單頻信號(hào)流信息將多頻信號(hào)發(fā)射端與接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，具體為：

23、獲取接收端當(dāng)前可用頻率列表以及各接收頻率對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量權(quán)重，根據(jù)單頻信號(hào)流信息將發(fā)射端通信頻率與接收端可用頻率進(jìn)行頻點(diǎn)對(duì)齊；

24、當(dāng)發(fā)射端通信頻率的能量權(quán)重高于接收端可用頻率列表中對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的能量權(quán)重閾值時(shí)，將發(fā)射端與接收端在該頻率下建立數(shù)據(jù)通道并執(zhí)行雙向握手協(xié)議，若握手協(xié)議響應(yīng)時(shí)間小于預(yù)設(shè)時(shí)延且校驗(yàn)碼匹配成功則確認(rèn)數(shù)據(jù)鏈接有效；

25、當(dāng)發(fā)射端通信頻率在接收端可用頻率列表中無(wú)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)時(shí)，切換至接收端可用頻率列表中下一頻點(diǎn)重新執(zhí)行頻點(diǎn)對(duì)齊操作，直至找到匹配頻點(diǎn)；

26、若多個(gè)發(fā)射端通信頻率與同一接收端頻率匹配時(shí)，根據(jù)各發(fā)射端信號(hào)的時(shí)域特征差異度分配時(shí)分復(fù)用通道，當(dāng)時(shí)域特征差異度低于復(fù)用閾值且信號(hào)能量分布正交性滿(mǎn)足預(yù)設(shè)條件時(shí)，為各發(fā)射端分配正交子載波頻段形成獨(dú)立數(shù)據(jù)通道；

27、根據(jù)所述數(shù)據(jù)通道或獨(dú)立數(shù)據(jù)通道對(duì)將多頻信號(hào)發(fā)射端與接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接。

28、本方案中，所述若存在數(shù)據(jù)鏈接失敗終端，獲取管道環(huán)境特征對(duì)信號(hào)頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補(bǔ)償模型，具體為：

29、獲取目標(biāo)場(chǎng)所中多頻通信探測(cè)終端的數(shù)據(jù)鏈接情況，若存在數(shù)據(jù)鏈接失敗終端，獲取多頻通信探測(cè)終端對(duì)不同環(huán)境特征管道進(jìn)行探測(cè)的發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)和接收信號(hào)數(shù)據(jù)，將所述發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻率差異性，根據(jù)所述頻率差異性確定接收信號(hào)在不同管道環(huán)境特征下信號(hào)頻率漂移情況；

30、根據(jù)接收信號(hào)在不同管道環(huán)境特征下信號(hào)頻率漂移情況構(gòu)建環(huán)境特征-頻率漂移矩陣，對(duì)所述環(huán)境特征-頻率漂移矩陣進(jìn)行相關(guān)性分析，確定管道環(huán)境特征對(duì)信號(hào)頻率漂移的影響，得到影響數(shù)據(jù)；

31、根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)確定各管道環(huán)境特征對(duì)接收信號(hào)造成頻率漂移的損傷項(xiàng)目和損傷程度，根據(jù)所述損傷項(xiàng)目和損傷程度確定對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率漂移的頻率修復(fù)補(bǔ)償參數(shù)；

32、基于決策樹(shù)算法構(gòu)建頻率漂移補(bǔ)償模型，分別將管道環(huán)境特征、頻率修復(fù)補(bǔ)償參數(shù)作為模型的輸入特征向量和輸出特征向量，將各環(huán)境特征的頻率修復(fù)補(bǔ)償參數(shù)導(dǎo)入所述頻率漂移補(bǔ)償模型中進(jìn)行訓(xùn)練；

33、遞歸構(gòu)建決策樹(shù)分支節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處計(jì)算不同管道環(huán)境特征劃分條件下的頻率補(bǔ)償參數(shù)方差，選擇方差最小化對(duì)應(yīng)的特征劃分閾值作為節(jié)點(diǎn)分裂條件，逐層生成決策樹(shù)結(jié)構(gòu)；

34、通過(guò)交叉驗(yàn)證方法對(duì)初始決策樹(shù)進(jìn)行剪枝優(yōu)化，消除過(guò)擬合分支，根據(jù)剪枝后的決策樹(shù)提取管道環(huán)境主特征與頻率修復(fù)補(bǔ)償參數(shù)之間的映射規(guī)則，形成頻率漂移補(bǔ)償規(guī)則庫(kù)，將所述頻率漂移補(bǔ)償規(guī)則庫(kù)作為所述頻率漂移補(bǔ)償模型的數(shù)據(jù)輸出基礎(chǔ)，得到訓(xùn)練完成的頻率漂移補(bǔ)償模型。

35、本方案中，所述根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接失敗終端探測(cè)管道的環(huán)境信息和頻率漂移補(bǔ)償模型對(duì)分解的單頻信號(hào)流進(jìn)行頻率補(bǔ)償，根據(jù)頻率補(bǔ)償后的單頻信號(hào)流將發(fā)射端與接收端進(jìn)行重連操作，具體為：

36、獲取數(shù)據(jù)鏈接失敗終端進(jìn)行探測(cè)的管道的環(huán)境信息，將所述環(huán)境信息導(dǎo)入所述頻率漂移補(bǔ)償模型中，輸出數(shù)據(jù)鏈接失敗終端的單頻信號(hào)流的頻率漂移補(bǔ)償參數(shù)；

37、根據(jù)所述頻率漂移補(bǔ)償參數(shù)對(duì)分解的單頻信號(hào)流進(jìn)行頻率補(bǔ)償，根據(jù)頻率補(bǔ)償后的單頻信號(hào)流將發(fā)射端與接收端進(jìn)行重連操作。

38、本發(fā)明第二方面還提供了一種用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：存儲(chǔ)器、處理器，所述存儲(chǔ)器中包括用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法程序，所述用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如下步驟：

39、對(duì)多頻通信探測(cè)終端在各工作頻率下的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)的信號(hào)特征進(jìn)行提取，構(gòu)建信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)；

40、獲取目標(biāo)管道探測(cè)區(qū)域的混合多頻微波信號(hào)，根據(jù)所述信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)將所述混合多頻微波信號(hào)分解為單頻信號(hào)流，確定所述單頻信號(hào)流信息；

41、根據(jù)所述單頻信號(hào)流信息將多頻信號(hào)發(fā)射端與接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接；

42、若存在數(shù)據(jù)鏈接失敗終端，獲取管道環(huán)境特征對(duì)信號(hào)頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補(bǔ)償模型；

43、根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接失敗終端探測(cè)管道的環(huán)境信息和頻率漂移補(bǔ)償模型對(duì)分解的單頻信號(hào)流進(jìn)行頻率補(bǔ)償，根據(jù)頻率補(bǔ)償后的單頻信號(hào)流將發(fā)射端與接收端進(jìn)行重連操作。

44、本發(fā)明公開(kāi)了一種用于管道探測(cè)的多頻通信探測(cè)終端控制方法。該方法通過(guò)構(gòu)建多頻通信探測(cè)終端的標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)目標(biāo)管道區(qū)域的混合多頻微波信號(hào)進(jìn)行特征匹配與分解，實(shí)現(xiàn)單頻信號(hào)流的精準(zhǔn)分離?；诜纸夂蟮膯晤l信號(hào)流信息建立發(fā)射端與接收端的數(shù)據(jù)通道動(dòng)態(tài)匹配機(jī)制，結(jié)合管道環(huán)境特征對(duì)頻率漂移的影響建模，構(gòu)建具備環(huán)境適應(yīng)性的頻率漂移補(bǔ)償模型。當(dāng)發(fā)生通信鏈路異常時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與頻率補(bǔ)償算法對(duì)信號(hào)流進(jìn)行自適應(yīng)修正，完成通信鏈路的快速重構(gòu)。本發(fā)明有效解決了復(fù)雜管道環(huán)境中頻率漂移導(dǎo)致的通信穩(wěn)定性問(wèn)題，顯著提升了管道探測(cè)系統(tǒng)的可靠性和探測(cè)精度。