[发明专利]基于软件无线电的树木雷达探测系统及方法

说明书

本发明公开了基于软件无线电的树木雷达探测系统及方法，所述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。本发明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。同时本发明方法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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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；