CN102253379B - 基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统。本发明在滑坡区域布设监测单元，监测单元由至少4个位于同一平面的节点组成；监测单元中4个节点组成1个测量组合，其中2个发射节点和1个接收节点位于稳定坡面，1个接收节点位于滑动坡面；测量组合在测量周期内利用无线电干涉技术在N个测量频率上进行M次干涉测量获得2个接收节点的相位差；利用偏差搜索函数计算干涉距离从而根据不同测量周期间干涉距离的变化推导滑动坡面的变化或者利用不同测量周期间相位差的变化推导滑动坡面的变化。本发明通过充分利用节点测量带宽和多次测量的方法提高了干涉测距的精度，具有成本低、自动化程度高的优点，适合长期、连续、实时地监测。

Description

基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统

技术领域

本发明涉及一种山体滑坡监测系统，特别涉及一种基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统。 

背景技术

山体滑坡是我国最为严重的地质灾害之一，它严重威胁人民的生命财产安全，破坏建筑、公路、铁路等设施，给国家造成了巨大的经济损失。山体滑坡的成因复杂，包括地震、地壳运动、降水、河流冲刷、地下水活动、人为因素等，但其表现主要是斜坡上的岩石或土体在重力的作用下，沿着一定的滑动面或滑动带，整体或分散地下滑。因此，这就需要对山体滑坡进行实时监测。 

山体滑坡监测可结合雨情、水情和滑坡体的形变等多个方面综合判断，但最重要的信息是滑坡体的形变，即滑坡体位移的变化。常用的山体滑坡位移监测方法可以分为以下两类：内观法和外观法。但这二种方法均很难做到低成本、高精度、高自动化。昂贵的硬件设施限制了高精度技术在山体滑坡监测中的广泛使用。 

在本发明之前，已经有无线电干涉测距的应用。所谓无线电干涉测距中，是采用两个源节点A、B同时发射频率相近的高频正弦波信号，两正弦信号在接收节点C、D产生干涉现象，C、D节点将高频干涉信号倍频处理并低通滤波后取出干涉信号低频包络并计算包络相位 

两个接收节点包络的相位的差 

对应着一个四元距离组合d_ABCD，d_ABCD＝d_AD-d_BD+d_BC-d_AC。距离组合d_ABCD称为四元组ABCD对应的干涉距离；其中，d_XY(X，Y∈{A，B，C，D})表示节点X、Y的距离。利用测量 

估计d_ABCD，根据d_ABCD估计节点位置，如图1所示。 

无线电干涉测距技术巧妙之处在于发端采用高频信号，接收端提取高频信号混频后的低频包络，且采用了两个接收端，利用两个接收端的相位差得到距离差的差而不是传统的距离差。 

通过这样巧妙的发端和收端设计，无线电干涉测距技术具有以下优点： 

一是对时钟同步要求低：将两个接收端信号的相位差再次作差能消除发端时钟同步误差，发端不需要同步；而接收端测量的是低频包络信号的相位，仅需要 微秒级的时钟同步精度就可以实现精确测量。微秒级别的时钟同步精度在微型节点上通过网络的时间同步协议即可实现。 

二是硬件成本低：由于接收端仅需对几百赫兹低频包络信号进行采样并计算相位，对A/D采样器件和相应硬件电路要求低，硬件成本低。 

三是测距精度高：与低成本对应的是，无线电干涉测距技术的测距精度目前可达到厘米级。 

因此，利用无线电干涉测距技术监测山体滑动坡面与稳定坡面之间的距离变化，即可达到有效监测山体滑坡并及时预报山体滑坡目的。 

但是，目前的无线电干涉测距技术直接应用于山体滑坡监测还存在下列问题： 

一是测距精度还不够高。目前无线电干涉技术的测距精度是厘米级，这对于山体滑坡监测来说是不够的。山体滑坡在匀速变形阶段日变化只有1-5mm，而在加速变形阶段日变化也只有5-10mm。因此对于山体滑坡监测，其监测精度要做到毫米级。 

二是易受多径效应的影响。在任何类型的天线远场中，辐射波都是球面波。发射节点发送的正弦波信号可通过直线传播到接收节点，也可从地面、建筑等物体反射然后到达接收节点，那么接收节点得到的干涉信号是这些信号叠加后的结果。在这种情况下测得的包络相位存在较大误差，从而导致较大的测距误差。 

发明内容

本发明的目的就是要克服上述缺陷，基于无线电干涉测距技术的山体滑坡监测系统。 

本发明的技术方案是： 

基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于在稳定坡面和滑动坡面分别设置监测单元；监测单元通过汇聚节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；所述的监测单元由4个及以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；监测单元内所有发射节点、接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或在同一平面上但不在该平面的同一直线上；二个发射节点、一个位于稳定坡面的接收节点和其它任何一个位于滑动坡面的接收节点组成 一个测量组合；二个发射节点在选择好的频率上周期性地在同一时刻发送正弦波；接收节点测量干涉波的相位通过汇聚节点传送至控制台；控制台计算每一个测量组合的相位差；控制台利用相位差计算干涉距离，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化或者直接利用相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化；所述汇聚节点是一个具有无线通信功能的节点，它收集测量单元中接收节点发送的相位差数据，将收集的数据通过无线网络发送至控制台。 

本发明的另一技术方案是： 

上述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其步骤在于： 

(1)在所使用节点支持的带宽基础上，根据测量时间的限制，在尽可能宽的带宽上均匀地选择最大数目的测量频率； 

(2)在同一时刻，一个监测区域内只有一个监测单元进行干涉测量过程； 

(3)在同一个测量周期内，监测单元进行连续、多次的干涉测量过程，每次测量结束后，接收节点将数据发送至汇聚节点，汇聚节点利用无线网络将数据发送至控制台； 

(4)控制台在一个测量周期内计算单次干涉测量过程中接收节点测得的N个测量频率上相位的相位差数据； 

(5)根据接收节点之间相位差利用偏差搜索函数得到单次测量的干涉距离； 

(6)根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化； 

(7)或者在步骤(4)后直接根据相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化。 

本发明具有如下优点和积极效果： 

本发明利用无线传感器网络及无线电干涉技术，对山体滑坡监测区域滑动坡面的位移进行实时地监测，这为山体滑坡的监测及预警提供了一种新型的有效的方法。 

本发明的无线传感器网络具有成本低、能耗低、部署方便、实时性好、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测； 

本发明的山体滑坡监测系统自动化程度高，一旦布设到指定监测区域后，就 可以高度自动化地进行工作，易于维护。 

本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。 

附图说明

图1——本发明无线电干涉测距收发节点配置示意图。 

图2——本发明监测单元布设示意图。 

图3——本发明测量组合布设示意图。 

图4——本发明无线电干涉测距原理方框示意图。 

图5——本发明测量组合典型位置关系示意图。 

图6——本发明室内实验场景及相位差误差分布图，分(a)室内实验场景、(b)初始位置相位差误差分布、(c)D移动3mm后相位差误差分布示意图。 

图7——本发明室内实验相位差误差概率分布示意图。 

图8——本发明干涉距离误差与测量频率数目、相邻测量频率间间隔的关系示意图。 

图9——本发明中某具体室内实验中测得的干涉距离分布示意图。 

图10——本发明中某具体室内实验中测得的干涉距离与理论拟合值的对比示意图。 

图11——本发明室外实验时T1、T2测量周期内测得的干涉距离的分布示意图， 

分(a)T1周期内测得的干涉距离、(b)T2周期内测得的干涉距离示意图。 

图12——本发明采用两种计算位移量的方法得到的结果的对比示意图。 

具体实施方式

本发明思路简介： 

本发明考虑到山体滑坡应用的特点及无线电干涉测距技术的优势，提出了一种高精度、低成本、自动化的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统。本发明的本质核心在于从干涉测距的原理出发，提出了提高干涉测距精度的方法；结合山体滑坡监测特点提出了削弱多径效应对干涉测距影响的方法；根据山体滑坡监测应用特点，设计了监测单元的布设方案，从而实现了高精度的位移监测。 

如图2所示： 

在滑坡区域的稳定坡面和滑动坡面设置监测单元；所述的监测单元通过汇聚 节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；本例中，在2个滑坡区域分别布设了监测单元；每个监测单元分别通过各自的汇聚节点将数据发送至远程控制台。 

如图3所示： 

稳定坡面和滑动坡面设置监测单元；所述的监测单元由4个及以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；本例中采用4个节点，2个发射节点、1个接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或在同一平面上但不在该平面的同一直线上；2个发射节点和1个位于稳定坡面的接收节点与其它任何一个接收节点组成一个测量组合。 

下面是本发明应用过程说明： 

第一步，根据测量时间的限制，在所使用节点支持的带宽上均匀地选择最大数目的测量频率。 

在实际的测量过程中往往对一个周期的测量时间有所限制，而每增加一个测量频率则会增加总的测量时间，因此可以根据测量时间的限制确定最大测量频率的数目，然后在节点支持的带宽上均匀的选择测量频率。例如，节点支持的带宽为400MHz至460MHz，如果在测量时间的限制下可选择61个测量频率，则选择的测量频率为400MHz、401MHz......459MHz、460MHz，共计61个。 

第二步，测量单元周期性地进行干涉测量，干涉测量的过程如图4所示，分为以下几个步骤： 

a)节点时间同步 

干涉测距中并不使用网络范围的全局时间同步，而是仅同步当前测距组合中参与的节点并且只保持在一次测量期间。干涉测距中，两个发射节点一个为主节点，另一个为从节点。主节点通过广播消息发起测量，消息中含有另一个发送节点、测量类型(微调或测距)、发送功率，同时也指定了一个将来的时刻(以主节点的本地时间指定)，在这一时刻发起测量。消息发出前打上精确的时间戳。接收者将时间戳转换为本地时间，用转换后的本地时间设置定时器，同时转发广播消息。通过该协议可以使节点在同一时刻开始测距操作。 

b)发射信号校准 

当两个发射节点同时发射频率相近的正弦波信号时，接收端形成干涉信号，且所形成的干涉信号的拍频为干涉源信号的频率之差。计算干涉信号包络的相位时，将其通过低通滤波器后对信号强度进行采样。产生好的干涉信号关键是干涉源节点能够精确发射指定频率的正弦波。 

如果发射节点的晶振的稳定度不够高，使得发射信号的实际频率与指定频率不符，此时可采用频率校准的方法。干涉测距中，频率校准的目的使得两个发射节点的频率差为精确可控值。 

以低成本节点Mica2传感器节点为例，Mica2采用的CC1000芯片内部的温补晶振易受环境因素的影响而产生频率偏移。为此，在干涉测量过程前须进行频率调整以降低干涉源节点频率的差值。干涉源信号的频率计算公式为： 

f＝430.1+0.526×channel+65·10^-6×tuning(MHz)     (1) 

式中：channel——当前测量的频段序号； 

tuning——相应频段上的频率调整值。 

此处，430.1MHz为CC1000电台的基准频率，0.526MHz为相邻测量频段的间隔，65Hz为频率调整的基本单位。在调整过程中，一个干涉源节点的频率保持不变，不断改变另外一个源节点的频率调整值，接收节点测量干涉信号包络的频率，当包络的频率接近零时，接收节点选择出相应的最优校准值并报告给发射节点，后者依据接收到的校准值对自身频率寄存器的设置进行调整，频率校准过程结束。 

c)干涉测量 

发射节点A、B在事先选定的多个测量频率上发射正弦信号，接收节点对干涉信号处理进行混频、平方倍频和低通滤波处理，并对低通滤波后低频正弦信号进行采样。接收节点利用样本估算出正弦信号的相位和频率。例如，接收节点C、D在第i个测量频率上分别可得到干涉信号的相位 

(i)和 

(i)。 

估算正弦波信号的相位和频率方法很多，在低成本器件上可采用时域方法。在运算资源丰富器件上可采用频域方法。 

时域估计方法首先对原始数据进行滑动平均，将当前RSSI实际测量值与前M次历史数据的平均值作为当前RSSI读数。其次，通过前24个RSSI读数判断干涉信号强度的最大值R_max与最小值R_min，其差值定义为干涉信号的幅度 Amp＝|R_max-R_min|。设置上门限为R_max-0.2×Amp，下门限为R_min+0.2×Amp。对随后的RSSI读数进行分类：大于上门限的读数标识为高值，小于下门限的标识为低值。当RSSI读数由低值变为高值随后又变为非高值时，将对应的高值读数的中间位置作为波峰位置。两个相邻的波峰位置确定正弦信号的周期及频率。接收节点C和D的波峰位置的偏移大小对应相位差。 

干涉测量过程结束后，接收节点将测得的干涉信号的相位通过汇聚节点传送至控制台。 

第三步，利用前后两个测量周期得到的干涉信号的相位数据估算滑动坡面的位移量，具体步骤如下： 

a)对于每一个测量组合，控制台利用该测量组合的二个接收节点测得的相位数据得到相位差数据，例如，接收节点C、D在第i个测量频率上测得的相位数据分别为 

(i)和 

(i)，那么可得它们的相位差为 

根据干涉测距原理，干涉距离d_ABCD与相位差 

(i)、测量频率的波长λ_i存在如下关系： 

其中，n_i为整数。 

可见，当测量组合中位于滑动坡面的节点位置发生变化时，干涉距离就会发生变化，从而相位差也将发生变化。 

b)确定测量组合中节点之间的关系。在不同的节点关系下，位于滑动坡面的节点的位置变化对干涉距离的变化影响是不同的。 

两种典型的测量组合节点间的位置关系如图5所示： 

第一种测量组合：2个发射节点与位于滑动坡面的接收节点在同一条直线上，如图5测量组合ABCD。在这种情况下，干涉距离变化直接反映滑动坡面的位移量，且当滑动坡面移动Δd时(即D沿着滑坡方向移动Δd时)，干涉距离的变化量与滑动坡面位移量存在下述关系： 

d_AD′＝d_AD+Δd 

d_BD′＝d_BD-Δd 

$\⇒{d_{\mathrm{ABCD}}}^{\′}-d_{\mathrm{ABCD}}=2\mathrm{\Δd}---\left(2\right)$

第二种测量组合：2个发射节点与位于滑动坡面的接收节点不在同一条直线上，如图5测量组合ABCE。在监测单元所在的平面上以A为原点、以A、B所在直线为x轴构建直角坐标系，那么A、B、E的坐标分别为(0，0)、(xB，0)和(xE，yE)。当滑动坡面移动Δd时(即D沿着x轴方向移动Δd时)，干涉距离的变化量与滑动坡面的位移量存在下述关系： 

${d_{\mathrm{ABCE}}}^{\′}-d_{\mathrm{ABCE}}=\sqrt{{y_E}^2+{(x_E+\mathrm{\Δd})}^2}-\sqrt{{y_E}^2+{(x_B-x_E-\mathrm{\Δd})}^2}-\sqrt{{y_E}^2+{x_E}^2}+\sqrt{{y_E}^2+{(x_B-x_E)}^2}---\left(3\right)$

c)控制台根据收集的测量组合中接收节点间的相位差数据和测量组合的位置关系，确定滑动坡面中接收节点所在点的位移量。 

在本发明中，当获得测量组合的相位差数据、确定测量组合节点间的位置关系后，有两种计算滑动坡面位移量的方法可供选择： 

第一种方法，根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化。首先计算出前后两个周期同一测量组合的干涉距离，然后根据前后测得的两次干涉距离做差计算出干涉距离的变化，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化，具体如下： 

1)利用测量周期T1内获得的测量组合ABCD在N个测量频率上的M组相位差数据，根据偏差搜索函数(如公式4所示)利用每一组相位差数据获得M个干涉距离，这M个干涉距离是对同一测量组合ABCD重复进行M次测量得到的结果； 

其中，q_range为根据 

(i)估计的干涉距离，round{}表示取整。本发明中将公式(4)称为偏差搜索函数。 

2)对这M个干涉距离取中位数，得到对该测量组合ABCD干涉距离的最终估计d_ABCD； 

3)在测量周期T1的下一个测量周期T2内，同样利用上述方法获得对测量组合ABCD的干涉距离d_ABCD’； 

4)根据测量组合内节点的位置关系利用公式(2)或(3)计算得到滑动坡面的位移量。 

第二种方法，根据相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化。利用滑动坡面滑动前后测量单元中接收节点相位差的变化来推导干涉距离的变化而不计算干涉距离，然后根据测量单元中节点的位置关系利用公式(2)或(3)计算得到滑动坡面的位移量。 

对于第二种方法，根据公式(1)有： 

山体滑坡在加速变形阶段日变化一般为5-10mm，大的可达80mm，而在临滑急剧变形阶段日变化才会达到100mm以上。因此，在本发明监测山体滑坡的过程中只监测滑动面的位移量不太大的情况，位移量较大的情况下山体滑坡预警已经发出或山体滑坡可能已经发生，这时已经失去了山体滑坡监测的意义。令|d_ABCD’-d_ABCD|＜λ_i，在这种情况下可以证明只需要满足Δd＜λ_i/2，即相邻测量周期滑动坡面的位移量小于λ_i/2，证明过程如下： 

首先证明下式： 

$\sqrt{{y_D}^2+{(x_D+\mathrm{\&Delta;d})}^2}-\sqrt{{y_D}^2+{(x_B-x_D-\mathrm{\&Delta;d})}^2}-\sqrt{{y_D}^2+{x_D}^2}+\sqrt{{y_D}^2+{(x_B-x_D)}^2}<2\mathrm{\&Delta;d}---\left(7\right)$

根据三角形两边之差小于第三边，则有： 

d_AD′-d_AD＜Δd 

d_BD-d_BD′＜Δd 

$\&DoubleRightArrow;d_{{\mathrm{AD}}^{\&prime;}}-d_{{\mathrm{BD}}^{\&prime;}}+d_{\mathrm{AD}}-d_{\mathrm{BD}}<2\mathrm{\&Delta;d}$

即式(7)得证。 

根据公式(2)(3)可得在任何情况下只要满足Δd＜λ_i/2就有|d_ABCD’-d_ABCD|＜λ_i。 

当0≤d_ABCD’-d_ABCD＜λ_i时，根据公式(6)有： 

由于相位差的范围为[0，2*π]，那么就有： 

结合公式(8)(9)，可得n_i’-n_i存在两种可能，即n_i’-n_i＝0或者n_i’-n_i＝1。当n_i’-n_i＝0时，得到： 

当n_i’-n_i＝1时，得到： 

那么在测量过程中，当滑动坡面沿滑动方向滑动时使测量组合的干涉距离逐渐增大时，即0≤d_ABCD’-d_ABCD＜λ_i时，如果得到 

那么就有： 

如果得到 

那么就有： 

同理当-λ_i＜d_ABCD’-d_ABCD＜0时，即滑动坡面的滑动方向使测量单元的干涉距离逐渐减小时，当得到 

时，按公式(11)计算；当得到 时，就有： 

通过上述方法，可以在N个测量频率上获得N个干涉距离变化量Δq_i，采用取均值的方法获得干涉距离变化量Δq的最终估计值： 

$\mathrm{\&Delta;q}=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{q}_i\right)/N---\left(13\right)$

根据上述描述，在本发明中，第二种计算滑动坡面的位移量的方法具体如下： 

1)在测量周期T1内，获得测量组合ABCD在N个测量频率上的M组相位差数据； 

2)在每一个测量频率上，取M组相位差的中位数，获得在每一个测量频率上相位差的最终估计 

(i)； 

3)在测量周期T1的下一个测量周期T2内，同样利用上述方法获得在每一个测量频率上相位差 

(i)’； 

4)根据节点布设时，滑动坡面沿滑动方向滑动时测量组合干涉距离的变化方 向区分两种情况： 

当0≤d_ABCD’-d_ABCD＜λ_i时，即滑动坡面滑动时测量组合干涉距离变大。在这种情况下，当 

时，使用公式(11)计算得到Δq_i；当 

时，使用公式(10)计算得到Δq_i； 

当-λ₁＜d_ABCD’-d_ABCD＜0时，即滑动坡面滑动时测量组合干涉距离变小。在这种情况下，当 

时，使用公式(11)计算得到Δq_i；当 

时，使用公式(12)计算得到Δqi； 

5)利用公式(13)获得干涉距离变化量Δq的最终估计值； 

6)根据测量组合内节点的位置关系利用公式(2)或(3)计算得到滑动坡面的位移量。 

下面从两个方面对本发明的效果加以说明：提高干涉测距精度的方法、两种计算滑动坡面位移量方法实例。 

一、提高干涉测距精度的方法 

无线电干涉测距的精度受随机因素、量化因素和多径效应的影响。影响测距精度的随机因素包括发射节点发射的正弦波信号的频率误差、接收节点间的时间同步误差等，这些随机因素导致接收节点对干涉信号相位估计存在随机误差，从而导致干涉测距中存在随机误差。量化因素则与节点对RSSI采样时所采用的编码的位数相关，例如Mica2节点在对RSSI采样时采用8位编码，那么在测量相位的过程中Mica2对相位的分辨率为2*π/256，这会导致量化误差。多径效应则是由于无线电波通过其他物体的反射形成的次径与直线到达接收节点的主径相互叠加，使接收节点对相位的测量引入误差。当节点间相对位置固定时，由于在一个固定的环境中，次径的反射路径是固定的，因此多径效应会产生系统性的偏差。 

对于随机误差与量化误差，利用Mica2节点在431.152MHz的频率下测量2600次，实验在室内进行，节点分布如图6(a)所示，相位误差分布如图6(b)所示。从图6(b)中可以看到：相位误差的分布是离散的，这正是由于量化的作用；同时，可以看到相位误差的分布比较符合离散化的正态分布，利用正态概率图对其进行检验，如图7，从图中看到相位误差不符合正态分布，这是由于量化将连续分布离散化了。事实上，从图7中可以看到，如果没有量化过程，那么此时相位 误差的分布是正态分布。利用相位差计算干涉距离是使用公式(4)，其本质是在一定范围内以一定的步进进行穷举搜索，因此，各个测量频率下产生的随机误差和量化误差无法对应到干涉距离的误差。 

在本发明中，采用如下方法来消除随机误差和量化误差对干涉测距的影响： 

第一、增加测量频率数和相邻测量频率之间的间隔。在每一次的测量过程中，都需要在多个不同的测量频率上进行干涉测量，这些测量频率之间的间隔相等。通过增加测量频率的数目和测量频率之间的间隔可使干涉距离的误差明显下降。利用图6(b)所示的相位误差分布模型构建仿真模型，在同一条件下进行1000次的实验，结果如图8：在同一个带宽下，随着测量频率数目的增加，干涉距离的误差随之减小；而在频率数不变的情况下，随着相邻测量频率之间间隔的增加，干涉距离的误差也随之减小。 

第二、在选定的测量频率上多次测量，得到一组干涉距离；取这组干涉距离的中位数作为最终的干涉距离估计值。单次的测量值受随机误差和量化误差的影响较大，通过多次测量增加样本量可减小这些误差的影响。这是用统计的方法，来消除误差，因为从图7可以看出随机误差在本质上是符合正态分布的，只是量化将正态分布离散化了。然而如图9，在实际的环境中进行多次测量，干涉距离主要集中在某一值附近，而有时会存在整波长的偏差。这里的整波长约等于测量频率的中心频率所对应的波长，在实验过程中，测量频率的中心频率为430.1MHz，那么该中心频率的无线电波的波长λ≈69.75cm，从图9中可见主峰与次峰之间的距离约为70cm。那么，此时采用取中位数的方法可排除整波长的偏差。 

对于多径效应，当节点间相对位置不变且周围环境不变时，那么多径效应引起的系统性误差不会改变，这种误差也没有办法直接消除。如图6(b)，相位差的误差分布的均值并不是0，而是-0.6845弧度，这说明存在系统性的偏差，而这种系统性的误差就是多径效应引起的。但是，山体滑坡监测关心的是滑动坡面的位移量，并不关心滑动坡面的绝对位置。在微小的位移变化情况下，环境变化不大，那么此时多径效应引起的误差变化也不大。如图6(c)，节点D向C移动3mm后相位差的误差分布的均值变为-0.6755弧度，相位差的变化为0.009弧度。相位差的变化由两部分原因：D位置的变化和多径效应的变化。D位置的变化引起干涉距离的变化为6mm，相位差的变化应为0.0542弧度，而实际上相位差的 变化为0.009弧度，这说明多径效应引起的误差也发生了微小的变化。 

在本发明中，采用下述方法来减小多径效应的影响：根据节点特性及时间的限制，在尽可能宽的带宽上选择多个测量频率进行测量。为了验证这种方法的有效性，在多径环境恶劣的室内环境下进行实验，实验环境与图6(a)类似，节点间的距离有所变化，其中AC、CD、DB之间的距离分别为1.906m、3.923m、2.091m。测量频率为从409.06MHz开始到454.296MHz，间隔为1.052MHz的44个频率，在每个测量频率上测量约30次。D每次向C移动1cm，结果如图10。其中，拟合值直线是以测量值点为依据拟合的一条直线。按照节点的位置，当D在初始位置时，干涉距离d_ABCD应为7.846m，而实际测量值却为6.151m，说明多径效应确实引起了较大的误差。但是，当D移动时，d_ABCD的变化量比较准确，拟合直线的斜率为-0.022，那么干涉距离的平均误差约为2mm。 

二、两种计算滑动坡面位移量方法实例 

根据上述两种计算位移的方法，举一个具体的例子，节点布设于操场，布设方式与图6(a)类似，节点间距离AC、CD、DB间的距离分别为11m、18.213m、11.004m。在实验过程中，测量频率是以430.1MHz为中心频率、间隔为1.052MHz的41个频率，在每一组频率上测量约30个样本，即N＝41，M≈30。节点D在一个测量周期结束后，向同一个方向移动5mm，移动方向与图6(a)所示方向相反，共移动16次，总计8cm。那么在整个实验的过程中，共有17个测量周期，分别为T1、T2......T17。下面，采用上述两种计算方法，分别计算。 

第一种计算位移方法： 

在T1周期内，在41个测量频率上测量，每次测量接收节点C、D分别在41个频率上测得相位 

(i)、 

(i)，相位数据通过汇聚节点传送至控制台。控制台利用 

得到相位差 

(i)，根据公式(4)得到干涉距离d_ABCD(j)。通过在这些频率上多次测量获得了31组测量值，从而获得了31个干涉距离d_ABCD(1)......d_ABCD(31)，如图11(a)所示。取这组干涉距离的中位数，得到d_ABCD(T1)＝36.451m。 

同样，当D移动5mm后，再次进行测量，这个测量周期为T2。重复上述的方法，得到31个干涉距离d_ABCD(1)......d_ABCD(31)，如图11(b)所示。取这组干涉距离的中位数，得到d_ABCD(T2)＝36.461m。 

由于是直线布设，根据公式(2)得到D的位移量为： 

$\mathrm{\&Delta;d}=\frac{d_{\mathrm{ABCD}}\left(T2\right)-d_{\mathrm{ABCD}}\left(T1\right)}{2}=\frac{36.461-36.451}{2}=0.005m$

即D的位移量为5mm，与真实值一致。 

同样，在T3...T17测量周期得到干涉距离d_ABCD(T3)......d_ABCD(T17)为：36.471m、36.481m、36.490m、36.502m、36.511m、36.521m、36.531m、36.541m、36.552m、36.561m、36.572m、36.583m、36.592m、36.603m、36.613m。从而，得到前后两个测量周期内节点D的位移量分别为：5mm、5mm、4.5mm、6mm、4.5mm、5mm、5mm、5mm、5.5mm、4.5mm、5.5mm、5.5mm、4.5mm、5.5mm、5mm。如图12所示，可见最大误差仅为1mm。 

第二种计算位移方法： 

在T1周期内，在41个测量频率上测量，每次测量接收节点C、D分别在41个频率上测得相位 

(i)、 

(i)，相位数据通过汇聚节点传送至控制台。控制台利用 

得到相位差 

(i)。通过多次测量，在每一个测量频率上可以获得31个测量值。取这31个测量值的中位数，得到在T1周期内41个测量频率上的相位差：4.1969714、5.0805444、5.988661、1.1780972、1.3744468、1.7180585、3.1661363、3.4852044、4.4424084、5.5223308、6.0868358、0.41724277、1.4971652、2.3807382、3.436117、4.3442336、3.828816、5.3259813、0.90811663、0.17180585、1.5707963、2.5280003、2.9943305、3.9024471、5.2523502、0.12271846、5.8413988、0.73631078、2.1353013、2.478913、3.2643111、4.6142142、4.4178647、6.1850105、0.3436117、0.95720401、2.2580197、3.1661363、2.9943305、4.3687773、4.9087385。 

同样，在T2周期内得到41个测量频率上的相位差：4.2951462、5.1787191、6.0377484、1.3008157、1.4235342、1.8162333、3.2888548、3.5833791、4.5405831、5.669593、6.1113795、0.46633016、1.5707963、2.478913、3.5342917、4.393321、3.9515345、5.3996124、0.9817477、0.29452431、1.59534、2.6261751、3.0679616、4.0006219、5.3014376、0.24543693、5.9395736、0.78539816、2.2825634、2.6507188、3.3379422、4.6878453、4.5651268、0.17180585、0.44178647、1.0308351、2.2825634、3.2888548、3.0434179、4.4914957、4.9823696。 

从而可以得到从T1到T2相位差的变化量为：0.0982、0.0982、0.0491、 0.1227、0.0491 0.0982、0.1227、0.0982、0.0982、0.1473、0.0245、0.0491、0.0736、0.0982、0.0982、0.0491、0.1227、0.0736、0.0736、0.1227、0.0245、0.0982、0.0736、0.0982、0.0491、0.1227、0.0982、0.0491、0.1473、0.1718、0.0736、0.0736、0.1473、-6.0132、0.0982、0.0736、0.0245、0.1227、0.0491、0.1227、0.0736。 

由于随着节点D的移动，测量组合干涉距离变大。因此，当相位差的变化量在[-2π，0]时，根据公式(10)计算干涉距离变化量。在上述数据中，只有-6.0132处于这个范围。当相位差的变化量在[0，2π]时，根据公式(11)计算干涉距离变化量。得到各个测量频率上测得的干涉距离变化量：0.0115、0.0114、0.0057、0.0142、0.0057、0.0113、0.0141、0.0113、0.0112、0.0168、0.0028、0.0056、0.0083、0.0111、0.0111、0.0055、0.0138、0.0082、0.0082、0.0137、0.0027、0.0109、0.0081、0.0108、0.0054、0.0135、0.0107、0.0054、0.0160、0.0187、0.0080、0.0080、0.0159、0.0290、0.0105、0.0079、0.0026、0.0131、0.0052、0.0130、0.0078。 

根据公式(13)得到干涉距离的变化量为0.0104m，由于是直线布设，得到节点D的位移量为5.2mm。 

同样，在T3......T17测量周期得到节点D的位移量为：4.8mm、4.5mm、5mm、6.3mm、4mm、4.9mm、4.9mm、4.9mm、5.8mm、4.4mm、5.8mm、5mm、5.2mm、5.2mm、4.8mm。如图12所示，可见最大误差仅为1mm。 

Claims (6)

1.基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于在稳定坡面和滑动坡面设置监测单元；监测单元通过汇聚节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；所述的监测单元由4个以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；监测单元内所有发射节点、接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或同一平面上但不在该平面的同一直线上；二个发射节点、一个位于稳定坡面的接收节点和其它任何一个位于滑动坡面的接收节点组成一个测量组合；二个发射节点在选择好的频率上周期性地在同一时刻发送正弦波；接收节点测量干涉波的相位，通过汇聚节点传送至控制台；控制台计算每一个测量组合的相位差；控制台利用相位差计算干涉距离，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化或者直接利用相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化；所述汇聚节点是一个具有无线通信功能的节点，它收集监测单元中接收节点发送的相位数据，将收集的数据通过无线网络发送至控制台。 

2.根据权利要求1所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于两个发射节点所发射的正弦波频率在10Hz到10GHz之间，频率差异在3Hz到300MHz之间。 

3.根据权利要求1所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其步骤在于： 

(1)根据测量时间的限制，在所使用节点支持的带宽上均匀地选择最大数目的测量频率； 

(2)在同一时刻，一个监测区域内只有一个监测单元进行干涉测量过程； 

(3)在同一个测量周期内，监测单元进行连续、多次的干涉测量过程，每次测量结束后，接收节点将数据发送至汇聚节点，汇聚节点通过无线网络将数据发送至控制台； 

(4)控制台在一个测量周期内计算单次干涉测量过程中接收节点测得的N个 测量频率上相位的相位差数据； 

(5)根据接收节点之间相位差利用偏差搜索函数得到单次测量的干涉距离； 

(6)根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化； 

(7)或者在步骤(4)后直接根据相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化。 

4.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于在一个测量周期内测量组合反复进行M次干涉测量，利用一个测量周期内计算得到的同一测量组合的M个干涉距离，采取取中位数的方法，得到对该测量组合干涉距离的最终数值。 

5.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于所述的干涉距离的变化与滑动坡面的位移量存在对应关系，包括： 

当测量组合的节点处于同一平面的同一直线上时，干涉距离的变化是滑动坡面位移量的两倍； 

当测量组合的节点处于同一平面但非同一直线上时，将处于滑动坡面的节点的位移投影到2个发射节点的连成的直线上，然后利用勾股定理得到干涉距离的变化与滑动坡面位移量之间的关系。 

6.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于利用相位差的变化计算干涉距离的变化，包括： 

(1)在N个测量频率上分别利用相位差的变化计算干涉距离的变化，干涉距离的变化满足|Δq_i|＜λ_i；根据节点布设时，滑动坡面沿滑动方向滑动时测量组合干涉距离的变化方向区分两种情况： 

(1-1)当滑动坡面滑动使测量组合干涉距离逐渐变大时，在测量频率i上前一测量周期内得到的相位差为φ_CD(i)，后一测量周期内得到的相位差为φ _CD(i)’，当Δφ_CD＝φ_CD(i)’-φ_CD(i)∈[0，2π]时，Δφ_CD乘以测量频率i的波长λ_i并除以2π，得到干涉距离变化量Δq_i；当Δφ_CD＝φ_CD(i)’-φ_CD(i)∈[-2π，0]时，Δφ_CD加上2π然后乘以测量频率i的波长λ_i并除以2π，得到干涉距离变化量Δq_i； 

(1-2)当滑动坡面滑动使测量组合干涉距离逐渐变小时，当Δφ_CD＝φ _CD(i)’-φ_CD(i)∈[-2π，0]时，Δφ_CD乘以测量频率i的波长λ_i并除以2π，得到干涉距离变化量Δq_i；当Δφ_CD＝φ_CD(i)’-φ_CD(i)∈[0，2π]时，Δφ_CD减去 2π然后乘以测量频率i的波长λ_i并除以2π，得到干涉距离变化量Δq_i；

(2)根据在N个测量频率上得到的干涉距离的变化量Δq_i，取这N个干涉距离变化量均值，得到前后两个测量周期内干涉距离变化的最终估计。 

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