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

背景技術(shù)：

1、隨著城市地下管網(wǎng)的快速發(fā)展，燃氣、水務(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，對管道探測技術(shù)的精度與可靠性提出了更高要求。目前常用的管道探測方法如電磁感應(yīng)、地質(zhì)雷達等，受限于探測深度、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、探測失敗率高等問題。

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

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

4、因此，亟需一種可實現(xiàn)信號特征提取、混合信號分解、數(shù)據(jù)通道動態(tài)匹配及頻率補償?shù)亩囝l通信探測控制方法，以提升終端間通信穩(wěn)定性和地下管道探測的準確性與適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

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

3、對多頻通信探測終端在各工作頻率下的標準微波信號的信號特征進行提取，構(gòu)建信號特征數(shù)據(jù)庫；

4、獲取目標管道探測區(qū)域的混合多頻微波信號，根據(jù)所述信號特征數(shù)據(jù)庫將所述混合多頻微波信號分解為單頻信號流，確定所述單頻信號流信息；

5、根據(jù)所述單頻信號流信息將多頻信號發(fā)射端與接收端進行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進行數(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)境特征對信號頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補償模型；

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

8、本方案中，所述對多頻通信探測終端在各工作頻率下的標準微波信號的信號特征進行提取，構(gòu)建信號特征數(shù)據(jù)庫，具體為：

9、按時間序列采集多頻通信探測終端在各工作頻率下發(fā)射的標準微波信號，得到原始信號矩陣，其中每行表示一個采樣時間點，每列表示一個工作頻率的采樣數(shù)據(jù)；

10、對所述原始信號矩陣進行中心化處理，計算每個頻率通道數(shù)據(jù)的均值，將原始信號矩陣的每個元素減去對應(yīng)通道的均值，得到中心化信號矩陣；

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矩陣分解為左奇異向量矩陣、奇異值對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間維度上的信號特征模式，右奇異向量矩陣的行向量表示頻率維度上的信號特征模式，奇異值對角矩陣的對角元素表示各特征模式的能量權(quán)重；

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

13、將所述時間特征基向量和頻率特征基向量按工作頻率分類存儲，對每個工作頻率的標準微波信號，提取其在時間特征基向量上的投影系數(shù)作為時域特征，在頻率特征基向量上的投影系數(shù)作為頻域特征，生成每個工作頻率的標準信號特征向量；

14、將所有工作頻率的標準信號特征向量與對應(yīng)的發(fā)射端標識、通信頻率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，構(gòu)建信號特征數(shù)據(jù)庫，其中每個條目包含發(fā)射端標識、通信頻率、時域特征、頻域特征及能量權(quán)重。

15、本方案中，所述獲取目標管道探測區(qū)域的混合多頻微波信號，根據(jù)所述信號特征數(shù)據(jù)庫將所述混合多頻微波信號分解為單頻信號流，確定所述單頻信號流信息，具體為：

16、獲取目標管道探測區(qū)域的混合多頻微波信號，對混合多頻微波信號采用滑動時間窗截取信號段并執(zhí)行零均值歸一化，生成標準化混合信號矩陣；

17、基于獨立成分分析算法構(gòu)建解混模型，將混合信號矩陣輸入解混模型，通過非高斯性最大化準則計算獨立成分的分離權(quán)重矩陣，根據(jù)所述分離權(quán)重矩陣對所述標準化混合信號矩陣進行分解操作，得到解混矩陣；

18、根據(jù)所述解混矩陣對所述多頻微波信號分解為獨立的單頻信號流，對分離后的單頻信號進行時頻域特征提取，計算每個單頻信號的時域包絡(luò)特征和頻域功率譜特征，生成待匹配信號特征向量；

19、將待匹配信號特征向量與信號特征數(shù)據(jù)庫中的標準信號特征向量進行相關(guān)性分析，若單頻信號的時域特征與標準信號時域特征的相關(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，則將該單頻信號標定為有效單頻信號流，并關(guān)聯(lián)對應(yīng)的發(fā)射端標識與通信頻率數(shù)據(jù)；

20、若單頻信號的時域特征相關(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，則將單頻信號標定為異常信號流，對異常信號流執(zhí)行小波變換分析并提取多尺度能量分布特征，若最大能量尺度對應(yīng)的頻帶寬度超過預(yù)設(shè)范圍則判定為環(huán)境干擾信號并予以剔除，若能量分布呈現(xiàn)窄帶特性則判定為未注冊信號源，提取其信號特征并更新至信號特征數(shù)據(jù)庫；

21、當(dāng)所有單頻信號流與信號特征數(shù)據(jù)庫中的標準信號特征向量匹配完成后，輸出每個有效單頻信號流的發(fā)射端標識、通信頻率，得到單頻信號流信息。

22、本方案中，所述根據(jù)所述單頻信號流信息將多頻信號發(fā)射端與接收端進行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進行數(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應(yīng)的信號能量權(quán)重，根據(jù)單頻信號流信息將發(fā)射端通信頻率與接收端可用頻率進行頻點對齊；

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應(yīng)頻點的能量權(quán)重閾值時，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)時間小于預(yù)設(shè)時延且校驗碼匹配成功則確認數(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對應(yīng)頻點時，切換至接收端可用頻率列表中下一頻點重新執(zhí)行頻點對齊操作，直至找到匹配頻點；

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

27、根據(jù)所述數(shù)據(jù)通道或獨立數(shù)據(jù)通道對將多頻信號發(fā)射端與接收端進行數(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)境特征對信號頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補償模型，具體為：

29、獲取目標場所中多頻通信探測終端的數(shù)據(jù)鏈接情況，若存在數(shù)據(jù)鏈接失敗終端，獲取多頻通信探測終端對不同環(huán)境特征管道進行探測的發(fā)射信號數(shù)據(jù)和接收信號數(shù)據(jù)，將所述發(fā)射信號與接收信號進行對比，判斷接收信號與發(fā)射信號之間的頻率差異性，根據(jù)所述頻率差異性確定接收信號在不同管道環(huán)境特征下信號頻率漂移情況；

30、根據(jù)接收信號在不同管道環(huán)境特征下信號頻率漂移情況構(gòu)建環(huán)境特征-頻率漂移矩陣，對所述環(huán)境特征-頻率漂移矩陣進行相關(guān)性分析，確定管道環(huán)境特征對信號頻率漂移的影響，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)境特征對接收信號造成頻率漂移的損傷項目和損傷程度，根據(jù)所述損傷項目和損傷程度確定對接收信號進行頻率漂移的頻率修復(fù)補償參數(shù)；

32、基于決策樹算法構(gòu)建頻率漂移補償模型，分別將管道環(huán)境特征、頻率修復(fù)補償參數(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)補償參數(shù)導(dǎo)入所述頻率漂移補償模型中進行訓(xùn)練；

33、遞歸構(gòu)建決策樹分支節(jié)點，在每個節(jié)點處計算不同管道環(huán)境特征劃分條件下的頻率補償參數(shù)方差，選擇方差最小化對應(yīng)的特征劃分閾值作為節(jié)點分裂條件，逐層生成決策樹結(jié)構(gòu)；

34、通過交叉驗證方法對初始決策樹進行剪枝優(yōu)化，消除過擬合分支，根據(jù)剪枝后的決策樹提取管道環(huán)境主特征與頻率修復(fù)補償參數(shù)之間的映射規(guī)則，形成頻率漂移補償規(guī)則庫，將所述頻率漂移補償規(guī)則庫作為所述頻率漂移補償模型的數(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)鏈接失敗終端探測管道的環(huán)境信息和頻率漂移補償模型對分解的單頻信號流進行頻率補償，根據(jù)頻率補償后的單頻信號流將發(fā)射端與接收端進行重連操作，具體為：

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

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

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

39、對多頻通信探測終端在各工作頻率下的標準微波信號的信號特征進行提取，構(gòu)建信號特征數(shù)據(jù)庫；

40、獲取目標管道探測區(qū)域的混合多頻微波信號，根據(jù)所述信號特征數(shù)據(jù)庫將所述混合多頻微波信號分解為單頻信號流，確定所述單頻信號流信息；

41、根據(jù)所述單頻信號流信息將多頻信號發(fā)射端與接收端進行數(shù)據(jù)通道匹配，根據(jù)匹配的數(shù)據(jù)通道進行數(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)境特征對信號頻率漂移的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)所述影響數(shù)據(jù)構(gòu)建頻率漂移補償模型；

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

44、本發(fā)明公開了一種用于管道探測的多頻通信探測終端控制方法。該方法通過構(gòu)建多頻通信探測終端的標準微波信號特征數(shù)據(jù)庫，對目標管道區(qū)域的混合多頻微波信號進行特征匹配與分解，實現(xiàn)單頻信號流的精準分離。基于分解后的單頻信號流信息建立發(fā)射端與接收端的數(shù)據(jù)通道動態(tài)匹配機制，結(jié)合管道環(huán)境特征對頻率漂移的影響建模，構(gòu)建具備環(huán)境適應(yīng)性的頻率漂移補償模型。當(dāng)發(fā)生通信鏈路異常時，通過實時環(huán)境數(shù)據(jù)采集與頻率補償算法對信號流進行自適應(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)定性問題，顯著提升了管道探測系統(tǒng)的可靠性和探測精度。