CN105929393A - 大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法及测量装置，包括信号发送与接收装置、信号处理单元。本发明根据雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离，利用图像配准技术对监测点位置进行配准，根据观测站的初始坐标、监测点的初始坐标以及目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离计算监测点的位移变化值。本发明化了大型人工建筑物实际三维形变的测量，测量精度高，可靠性好，易于工程实现。

Description

大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量形变的装置与方法，尤其涉及一种大型人工建筑物三维形变的测量方法与测量装置。

背景技术

大型人工建筑物(如高层建筑、桥梁等)不可避免的受环境条件、负荷影响而引起结构遭受破坏，这一破坏若不及时发现，将引起严重的性能、经济以及生命财产安全问题。因此，对此类建筑物微小形变的监测变得尤为重要。近年来，对于雷达技术的研究快速发展。运用雷达技术，可实现对目标物体进行连续、精确的监测，得到被测物的形变量。

现有利用雷达技术测量大型人工建筑物形变的技术只能在先验知识或假设方向下，将视线位移进行投影，获取单一方向上的形变，而不能获得建筑物的真实三维形变。现有涉及利用雷达技术进行三维形变测量的技术，所采用的装置、处理方法较为复杂，成本较高，且不适于快速测量。

因此，在实际应用中，用一种结构简单，高精度、高可靠性和易于工程实现的三维形变测量系统来获取大型人工建筑物真实形变值具有更重要意义。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法及测量装置，用于解决现有技术中测量三维形变较为复杂的问题，实现大型人工建筑物三维形变的测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，设置信号发送与接收装置，所述信号发送与接收装置包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站，所述观测站用于向设置于目标建筑物上的监测点发射雷达信号，并接收来自监测点的回波信号；所述大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法包括如下步骤：

1)测量观测站和监测点的初始位置；

2)利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准；

3)计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离；

4)根据所述观测站的初始位置、监测点的初始位置以及目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离计算监测点的位移变化值。

通过图像配准技术对发生形变后的监测点位置进行配准，可以保证观测目标的唯一性。

上述的技术方案中，所述步骤1)中，利用雷达干涉技术、卫星定位技术测量观测站和监测点的初始位置。

上述的技术方案中，所述步骤3)中，根据所述雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离。

上述的技术方案中，所述步骤3)中，计算目标建筑物发生形变后的监测点与观测站之间的距离时，将所述距离在所述监测点的初值处按泰勒级数展开并取一次项。

上述的技术方案中，所述步骤4)中，计算监测点的位移变化值所采用的方法为最小二乘法拟合方法。

本发明还提供一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置，其特征在于：包括信号发送与接收装置、信号处理单元，其中：

信号发送与接收装置，包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站，所述观测站用于向设置于目标建筑物上的监测点发射雷达信号，并接收来自监测点的回波信号；

信号处理单元，用于测量观测站和监测点的初始位置；根据所述雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离，利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准，根据观测站的初始位置、监测点的初始位置以及目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离计算监测点的位移变化值。

进一步地，所述信号发送与接收装置还包括与所述观测站通过空间基线进行连接的雷达装置，所述观测站发射的雷达信号是由观测站接收来自雷达装置发射的信号并发射。

本发明具有的优点和积极效果是：一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法及测量装置，简化了大型人工建筑物实际三维形变的测量，测量精度高，可靠性好，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置的结构示意图；

图2是本发明的信号发送与接收装置示意图，图2(a)是信号发送与接收装置的第一种组成方案，图2(b)是信号发送与接收装置的第二种组成方案；

图3是本发明的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法的流程图；

图4是本发明的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法的计算示意图，其中Δx、Δy、Δz分别为监测点在x、y、z轴上的位移变化量，A_i(x_i,y_i,z_i)为观测站A_i的坐标，其中i为整数且i≥3；监测点T的坐标为监测点T(x,y,z)，监测点的初始位置为T₀(x₀,y₀,z₀)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

1、大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法

如图1—图4所示，本发明提供一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，设置信号发送与接收装置，所述信号发送与接收装置包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站A_i，其中i为整数且i≥3；所述观测站A_i用于向设置于目标建筑物上的监测点T发射雷达信号，并接收来自监测点T的回波信号。该雷达测量方法的流程图如图3所示，所述雷达测量方法的具体步骤包括：

(1)监测点T在所建立的三维坐标系中的初始位置为T₀(x₀,y₀,z₀)，计算各观测站A_i的三维坐标为A_i(x_i,y_i,z_i)；

(2)雷达信号发送至目标建筑物的监测点T，各观测站A_i收到的回波信息，然后将其发送至信息处理单元，利用雷达干涉技术或卫星技术获取目标建筑物的监测点的初始位置与各观测站的距离R_i；

(3)某一时刻目标建筑物发生形变，提取该时刻信息处理单元的回波信号；

(4)利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准。其中图像配准技术为现有技术。通过图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准，可以保证观测目标的唯一性。图像配准的具体方法为：以一个观测站获得的回波信号为参考信号，计算另一个观测站获取的回波信号与参考信号的相关函数，寻找相关函数最大值对应的距离偏移量，将另一个观测站的回波信号反方向移动该距离偏离量，完成监测点的配准。从而保证两个观测站的雷达回波信号在同一距离上对应同一目标。

(5)目标建筑物监测点的位置为T(x,y,z)，通过雷达干涉技术或卫星技术获取各观测站A_i与目标建筑物的监测点T(x,y,z)在该时刻的距离R_i′，此时的ΔR_i＝R_i′-R_i，ΔR_i为目标建筑物监测点发生位移前后与各个观测站间的距离变化量。

(6)如图4所示，当目标建筑物监测点的位置从T₀(x₀,y₀,z₀)移动到T(x,y,z)位置时，发生了位移，将位移在x、y、z轴分解为三个部分Δx、Δy、Δz，此时目标建筑物的监测点T(x,y,z)与各观测站A_i的距离可表达为

$R_i^{\′}=R_i+{\mathrm{\ΔR}}_i=\sqrt{{\[(x_0+\mathrm{\Δ}x)-x_i\]}^2+{\[(y_0+\mathrm{\Δ}y)-y_i\]}^2+{\[(z_0+\mathrm{\Δ}z)-z_i\]}^2}.$

由于目标建筑物的形变非常小，以上非线性方程组可近似化为线性方程组，因此目标建筑物与各观测站A_i的距离在监测点的初值处T(x₀,y₀,z₀)的泰勒级数展开式可表示为：

$R_i^{\′}=R_i+{\mathrm{\ΔR}}_i=R_i+\frac{(x_0-x_i)}{R_i}\mathrm{\Δ}x+\frac{(y_0-y_i)}{R_i}\mathrm{\Δ}y+\frac{(z_0-z_i)}{R_i}\mathrm{\Δ}z,$

假设ΔR＝(ΔR₁,ΔR₂,…ΔR_n)^T，则上述方程的线性表达式为由于坐标(x₀,y₀,z₀)和坐标(x_i,y_i,z_i)已知，因此已知，而ΔR_i＝R′_i-R_i的值也已获得，即可计算出的值，即可得到目标建筑物的三维变化量Δx、Δy、Δz。

(7)为了减小测量误差，利用最小二乘法对ΔR变化值进行拟合，以确保目标建筑物的三维形变量更接近真实值。

另外，若只选择三个不在同一直线上的观测站，利用观测站A_i的坐标以及各观测站A_i到目标建筑物监测点T的初始距离、发生形变后各观测站A_i到目标建筑物监测点T的距离，亦可联立方程组解出目标建筑物监测点T在三坐标方向上的位移值，即为目标建筑物监测点T的高精度三维形变量。

2、大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置

本发明还提供一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置，结构示意图如图1所示。该雷达测量装置包括信号发送与接收装置、信号处理单元。目标建筑物的监测点为T，所述雷达测量装置包括信号发送与接收装置、信号处理单元：

(1)信号发送与接收装置，包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站A_i，所述观测站A_i用于向设置于目标建筑物上的监测点T发射雷达信号，并接收来自监测点T的回波信号。信号发送与接收装置可以采用2种方案，如图2(a)、2(b)所示。

对于图2(a)所示的方案，各观测站A_i分别设置雷达装置，向监测点T发射信号：由观测站A_i接收回波信号，并进行处理。各个观测站A_i均安装雷达发射装置，信号由天线发射出去，遇到监测点T后雷达信号返回，各观测站A_i接收天线收到回波信号。

对于图2(b)所示的方案，监测点T设置雷达装置，向各观测站A_i发射信号：由监测点T接收回波信号，并进行处理。这种方案，可将雷达装置设置于方便安装的任意地方，该地方方便与各个观测站A_i通过空间基线进行连接，各个观测站A_i收到由雷达装置发射的信号后通过天线发射出去，遇到监测点T后雷达信号返回，各观测站A_i接收天线收到回波信号。

(2)信号处理单元，用于测量观测站A_i和监测点T的初始位置；利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点T的位置进行配准，根据所述雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点T与观测站A_i之间的距离，根据观测站A_i的初始位置、监测点T的初始位置以及目标建筑物发生形变前后的监测点T与观测站A_i之间的距离计算监测点T的位移变化值。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，其特征在于：设置信号发送与接收装置，所述信号发送与接收装置包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站，所述观测站用于向设置于目标建筑物上的监测点发射雷达信号，并接收来自监测点的回波信号，所述大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法包括如下步骤：

1)测量观测站和监测点的初始位置；

2)利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准；

3)计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离；

4)根据所述观测站的初始位置、监测点的初始位置以及目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离计算监测点的位移变化值。

2.根据权利要求1所述的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，利用雷达干涉技术、卫星定位技术测量观测站和监测点的初始位置。

3.根据权利要求1所述的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据所述雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离。

4.根据权利要求1所述的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，计算目标建筑物发生形变后的监测点与观测站之间的距离时，将所述距离在所述监测点的初始位置处按泰勒级数展开并取一次项。

5.根据权利要求1所述的大型人工建筑物三维形变的雷达测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，计算监测点的位移变化值所采用的方法为最小二乘法拟合方法。

6.一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置，其特征在于：包括信号发送与接收装置、信号处理单元，其中：

信号发送与接收装置，包括至少3个设置于目标建筑物周围且不在同一条直线上的观测站，所述观测站用于向设置于目标建筑物上的监测点发射雷达信号，并接收来自监测点的回波信号；

信号处理单元，用于测量观测站和监测点的初始位置；利用图像配准技术对目标建筑物发生形变后的监测点位置进行配准；根据所述雷达信号和回波信号计算目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离；根据观测站的初始位置、监测点的初始位置以及目标建筑物发生形变前后的监测点与观测站之间的距离计算监测点的位移变化值。

7.根据权利要求6所述的一种大型人工建筑物三维形变的雷达测量装置，其特征在于：所述信号发送与接收装置还包括与所述观测站通过空间基线进行连接的雷达装置，所述观测站发射的雷达信号是由观测站接收来自雷达装置发射的信号并发射。