CN103048656B - 基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，包括用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块将信息传送至上位机的围岩形变量测雷达终端，以及用于接收围岩形变量测雷达终端传送的位移信息，并根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警的上位机。本发明利用围岩形变量测雷达终端对隧道内围岩的微小位移进行测量，并将数据通过上位机进行分析处理，实现对隧道的地质监控量测和预警预报，能充分适应隧道内光线昏暗、噪音大、湿度大、粉尘多、干扰频繁的恶劣环境，测量精度稳定，降低了人工频繁查看所产生的劳动强度，提高了工作效率。

Description

基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道围岩形变量测预警系统及方法，尤其涉及一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统及方法。

背景技术

目前, 随着高速公路、铁路、水利、矿山、地铁及其它工程建设的飞速发展，我国的隧道施工已大量出现。在隧道的施工过程中，由于地质情况不明或复杂，经常会遇到形变、断层、裂隙、暗河等不利地质情况，常诱发坍塌、冒顶、透水等地质灾害。这些灾害的出现，往往会造成人员伤亡，影响施工进度，给施工单位、国家和人民带来严重的损失。因此不良地质监控量测和预警预报工作在隧道施工过程中的地位和作用十分重要。目前用于隧道地质监控量测和预警预报的方法很多，主要有目测、尺量、视频CCD、超声、激光、人测收敛计等测量方法。这些方法由于先天缺陷，难以在隧道环境下进行24小时365天的无人值守测量。

视频CCD：中国地质科学院探矿工艺研究所代福仲等(2000)研制了一种隧道塌方自动监测报警系统。该系统主要由三部分组成:第一部分是CCD远距离位移测量仪，第二部分是RS-1型变形监测仪，第三部分是PC机。用CCD摄像机自动测量距离15m以外的物体的法向位移，同时用RS-1型变形监测仪对研究目标的相关点进行测量，再由PC机对这些测量结果进行数据分析，生成动态报警门限值，实现趋势报警。系统为全自动工作方式，被测目标的位移随测量时刻的变化状况的日报表、周报表和月报表均可由PC机自动生成及随时提取和查询。

视频CCD的测量缺点：①需要光照支持；②受能见度影响，受环境影响大；③属于易碎设备，不适合隧道环境工作。

超声：超声测距在很多场合使用，如倒车雷达等，超声测距也存在很多优点，如价格低廉、可靠性较高等。但超声也存在明显的不足：①受温度、空气密度、气压等环境因素影响大。由于隧道位于地下，因此，超声传播过程中的空气温度、密度、气压等都是不均匀的，难以进行补偿。②测量距离较近。超声在空气中传播衰减大，测量距离较近。

激光、全站仪：隧道断面激光检测仪是建立在无合作目标激光测距技术和精密数字测角技术之上的专用隧道断面检测设备。采用专用掌上电脑控制仪器测量，测量时可实时将测量数据与标准断面进行比较，计算出超欠挖值，可以现场实时给出检测结果。

激光的测量精度很高，有很多优点，但是环境适应性较差，一般在室内或有人值守站使用，实际上不适合隧道无人值守站的使用，其缺点是：①受雾气、粉尘影响大。由于隧道处于地下，环境潮湿度高，雾气较大，且隧道内粉尘较大，对激光测量的影响非常大。此外，光线差、表面潮湿等条件都不适合激光使用。②属于精密、易碎设备，难以适应隧道环境。激光设备必须有专人维护、一旦镜头遇到灰尘或雾气，将无法正常工作，另外由于隧道环境下经常会有碎石，且有重型设备工作带来的震动都可能导致激光设备失效。因此除非有专人携带、维护，否则较难在隧道内长时间无人值守使用。③价格高、维护难度大、成本高。一台符合隧道使用的激光独立断面检测仪价格约为7万元左右，因属于精密设备，对使用人员要求高，维护难度较大，成本也较高。

收敛计：人工测量收敛计，其优点是成本低，缺点是施工干扰大，精度低，测量速度慢，非自动化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统及方法，能够不受外界光、水雾、粉尘、温度、湿度等因素影响，适应极其恶劣的隧道等地下作业环境，实现精确测量。

本发明采用下述技术方案：

一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，包括

围岩形变量测雷达终端，用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块将信息传送至上位机；

上位机，用于接收围岩形变量测雷达终端传送的位移信息，并根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警；

所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和通讯模块，射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块包括发射天线和接收天线。

所述的天线模块采用微带贴片天线。

所述的射频模块发射K波段电磁波。

所述的通讯模块采用GPRS无线传输模块。

所述的围岩形变量测雷达终端设置在隧道侧拱顶沉降点底部。

所述围岩形变量测雷达终端的天线模块由步进电机控制转动。

一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警方法，包括以下步骤

A:利用围岩形变量测雷达终端发射K波段电磁波测量被监测点，接收天线接收监测点所反射的回波；

B: 基于杂波的强度建立杂波幅度图和杂波轮廓图，对杂波所在区域根据杂波幅度图来对目标进行检测，对杂波边缘采用选大恒虚警处理；

C: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块对输入的数据进行求模处理，得到的数据分别送到两个并行的支路进行处理；

D: 第一支路利用杂波轮廓图将数据分为杂内和杂外两个部分，杂内的数据通过与特定门限比较从而得出目标信息，门限是由杂波幅度图对应单元的幅值决定；杂外数据利用慢门限恒虚警进行处理得出目标信息，慢门限恒虚警的门限由接收机内部的噪声的估计值决定；数据经处理第一支路最终得出目标信息A；第二支路将回波信号做非相干积累后再进行选大恒虚警处理，最终得出目标信息B；

E: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将目标信息A和目标信息B综合处理后得到围岩监测点回波的差拍信号，然后通过对有效时间段内的差拍信号进行离散化处理, 对每个重复周期内的数据进行频谱分析, 得到多普勒频率；

F: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块利用得到的多普勒频率计算出监测点的径向速度、与其矢量正交的是切向速度、监测点的微小位移和到雷达终端的距离信息；

G: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将计算出监测点的径向速度、监测点的微小位移和到雷达终端的距离信息发送至上位机，上位机根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警。

本发明利用围岩形变量测雷达终端对隧道内围岩的微小位移进行测量，并将数据通过上位机进行分析处理，实现对隧道的地质监控量测和预警预报，能充分适应隧道内光线昏暗、噪音大、湿度大、粉尘多、干扰频繁的恶劣环境，测量精度稳定，降低了人工频繁查看所产生的劳动强度，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为实施例1的雷达位移测量精度蒙特卡罗分析图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统包括通过通讯模块进行信息传递的围岩形变量测雷达终端和上位机，围岩形变量测雷达终端用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息；上位机用于接收围岩形变量测雷达终端传送的位移信息，并根据此位移信息进行对比、分析，实现隧道围岩形变的量测预警。通讯模块可采用GPRS无线传输模块。

所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和通讯模块，射频模块可发射K波段的电磁波。射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块可采用微带贴片天线，包括发射天线和接收天线。

信号处理模块通过第一解调器产生的振荡信号与本地振荡器产生的振荡信号，在第一镜像抑制混频器作用下生成线性调频信号，再经带通滤波器产生K波段线性调频信号，一路经功放放大后由发射天线发射出去，另一路通过发射信号耦合电路、光耦隔离模块、第二镜像抑制混频器和中频本地振荡器，耦合到第三镜像抑制混频器作为本振信号；K波段线性调频信号遇到目标后发生反射，并由接收天线接收，再通过低噪声放大器放大后送入第三镜像抑制混频器与本振信号进行混频，产生差拍信号，差拍信号经过中频放大器和第二调制器及模数转化器后送入现场可编程门阵列和数字信号处理器进行分析处理。

本发明在使用时，围岩形变量测雷达终端通过发射的K波段电磁波来测量被监测点，接收天线接收监测点所反射的回波，回波中包含有受隧道环境光线昏暗、噪音大、湿度大、粉尘多、干扰频繁等因素影响所产生的杂波，基于杂波的强度建立杂波幅度图和杂波轮廓图，对杂波所在区域，根据杂波幅度图来对目标进行检测；而对杂波边缘，采用选大恒虚警处理。信号处理模块首先对输入的数据进行求模处理。求模处理以后所得到的数据要分别送到两个并行的支路进行处理。第一个支路的处理是利用杂波轮廓图将数据分为杂内和杂外两个部分。杂内的数据通过与特定门限比较从而得出目标信息。门限是由杂波幅度图对应单元的幅值所决定的。杂外数据则利用慢门限恒虚警进行处理从而得出目标信息。慢门限恒虚警的门限是由接收机内部的噪声的估计值所决定的。第一个支路的处理结果定为目标信息A，第二个支路的处理是将回波信号做非相干积累后再进行选大恒虚警的处理得出目标信息B。在获得了目标信息A和目标信息B后，将这两个目标信息进行综合处理后得到围岩监测点回波的差拍信号，通过对有效时间段内的差拍信号进行离散化处理, 对每个重复周期内的数据进行频谱分析, 求得多普勒频率, 从而得到监测点的径向速度、与其矢量正交的是切向速度、监测点的微小位移（以远离雷达天线的方向为正方向，以监测点设置的位置体现隧道围岩水平收敛位移和拱顶沉降位移的变化）和到雷达终端的距离等信息，并将这些采集到的信息通过GPRS无线传输模块发送至上位机。上位机通过监听与围岩形变量测雷达终端约定的地址和端口来接收、解析、存储数据。上位机有通讯检测及预警管理系统软件，监测软件采用MVC三层架构，使用Web2.0和WebGIS技术，使用Flash技术进行图表展现，预警管理系统包含量测地点、量测设备、实时形变、报警形变、形变查询、形变分析、短信报警、短信查询、机构设置、用户管理、参数设置等模块，可进行多样化的查询统计与决策分析功能，借助于数据挖掘等技术实现。

为了降低系统成本和发射功率，围岩形变量测雷达终端采用调频连续波体制。同脉冲多普勒雷达相比，调频连续波雷达省掉了收发组件，降低了雷达发射信号的峰值功率，从而大大降低了系统成本。连续波雷达的主要缺点是需要分离的收发天线，探测远距离目标时需要很高的收发隔离度，但由于民用雷达的探测距离和探测精度要求都较低，连续波雷达的缺点在围岩探测领域表现的并不明显。

本发明采用数字信号处理器和现场可编程门阵列组成的双处理器，通过采用脉冲压缩、谱分析和超分辨算法对围岩位移测量进行仿真，实时监测围岩的距离、X、Y、Z方向位移变化。本实施例中，以24G波段为例，带宽为500MHz，对距离为26.0013米的目标进行测量，信噪比为20dB情况下，经过蒙特卡罗分析得到雷达位移测量精度蒙特卡罗分析图，如图2所示，单次测量精度为±4mm，但经过100次积累平均后精度优于1mm。而在实际围岩测量中，可以通过进行更长时间地测量达到更好的精度。

围岩形变量测雷达终端的测量距离可达数百米甚至更远，但基于隧道高度有限，若测量点与架设点距离过远，根据勾股定律，测量所得到的位移精度将变差。所以尽可能地保证测量距离为隧道高度的3-4倍内。围岩形变量测雷达终端架设点选择在侧拱顶沉降点底部，一方面不妨碍正常的隧道通行，一方面保证较好的测量角度。架设好围岩形变量测雷达终端后，通过步进电机控制天线模块转动，可以对隧道断面的各个测量点进行测量，每个测量点的测量时间约为1秒，若测量100米范围（前后各50米）内，每隔2米一个测量点，则对50个测量点测量一次的时间约为50秒。

本发明所述基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警方法，包括以下步骤：

A:利用围岩形变量测雷达终端发射K波段电磁波测量被监测点，接收天线接收监测点所反射的回波；

B: 基于杂波的强度建立杂波幅度图和杂波轮廓图，对杂波所在区域根据杂波幅度图来对目标进行检测，对杂波边缘采用选大恒虚警处理；

C: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块对输入的数据进行求模处理，得到的数据分别送到两个并行的支路进行处理；

D: 第一支路利用杂波轮廓图将数据分为杂内和杂外两个部分，杂内的数据通过与特定门限比较从而得出目标信息，门限是由杂波幅度图对应单元的幅值决定；杂外数据利用慢门限恒虚警进行处理得出目标信息，慢门限恒虚警的门限由接收机内部的噪声的估计值决定；数据经处理第一支路最终得出目标信息A；第二支路将回波信号做非相干积累后再进行选大恒虚警处理，最终得出目标信息B；

E: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将目标信息A和目标信息B综合处理后得到围岩监测点回波的差拍信号，然后通过对有效时间段内的差拍信号进行离散化处理, 对每个重复周期内的数据进行频谱分析, 得到多普勒频率；

F: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块利用得到的多普勒频率计算出监测点的径向速度、与其矢量正交的是切向速度、监测点的微小位移（以远离雷达天线的方向为正方向，以监测点设置的位置体现隧道围岩水平收敛位移和拱顶沉降位移的变化）和到雷达终端的距离等信息；

G: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将计算出监测点的径向速度、监测点的微小位移和到雷达终端的距离等信息发送至上位机，上位机根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警。

Claims (7)

1.一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：包括

围岩形变量测雷达终端，用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块将信息传送至上位机；

上位机，用于接收围岩形变量测雷达终端传送的位移信息，并根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警；

所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和通讯模块，射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块包括发射天线和接收天线。

2.根据权利要求1所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：所述的天线模块采用微带贴片天线。

3.根据权利要求2所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：所述的射频模块发射K波段电磁波。

4.根据权利要求3所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：所述的通讯模块采用GPRS无线传输模块。

5.根据权利要求4所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：所述的围岩形变量测雷达终端设置在隧道侧拱顶沉降点底部。

6.根据权利要求5所述的基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统，其特征在于：所述围岩形变量测雷达终端的天线模块由步进电机控制转动。

7.一种基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警方法，其特征在于：包括以下步骤

A:利用围岩形变量测雷达终端发射K波段电磁波测量被监测点，接收天线接收监测点所反射的回波；

B: 基于杂波的强度建立杂波幅度图和杂波轮廓图，对杂波所在区域根据杂波幅度图来对目标进行检测，对杂波边缘采用选大恒虚警处理；

C: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块对输入的数据进行求模处理，得到的数据分别送到两个并行的支路进行处理；

D: 第一支路利用杂波轮廓图将数据分为杂内和杂外两个部分，杂内的数据通过与特定门限比较从而得出目标信息，门限是由杂波幅度图对应单元的幅值决定；杂外数据利用慢门限恒虚警进行处理得出目标信息，慢门限恒虚警的门限由接收机内部的噪声的估计值决定；数据经处理第一支路最终得出目标信息A；第二支路将回波信号做非相干积累后再进行选大恒虚警处理，最终得出目标信息B；

E: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将目标信息A和目标信息B综合处理后得到围岩监测点回波的差拍信号，然后通过对有效时间段内的差拍信号进行离散化处理, 对每个重复周期内的数据进行频谱分析, 得到多普勒频率；

F: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块利用得到的多普勒频率计算出监测点的径向速度、与其矢量正交的是切向速度、监测点的微小位移和到雷达终端的距离信息；

G: 围岩形变量测雷达终端的信号处理模块将计算出监测点的径向速度、监测点的微小位移和到雷达终端的距离信息发送至上位机，上位机根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警。

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