CN103259561A - 一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，属于建筑物变形监测技术领域。为了实现消除多址干扰的目的，采用以下方法：在信标机端采用相差整数码片宽度的扩频码之差的组合作为信标机的扩频码，使任意两个信标机的扩频码互相关等于0，完全正交；信标机采用上述正交扩频码调制同频同相射频载波，生成扩频调制信号；遥测接收机捕获跟踪同步信标机扩频码，在同步后进行相关解扩，恢复出各信标机的载波信号，消除多址干扰。本方法克服了现有技术中存在的不足，通过合理设计发端信标机的扩频调制地址码，以及改进收端的接收机相关解扩电路，保证了伪码捕获与跟踪的可靠性，完全解决了现有技术中的多址干扰问题，从而提高了变形监测系统的测量精度。

Description

一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法

技术领域

本发明属于建筑物变形监测技术领域，涉及一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法。

背景技术

在自然界中建筑物会在各种影响因素的作用下，其形状，大小，位置会在时域空间中发生变化，如高层建筑物的摆动，大坝变形等。而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时，则会给人类的生产生活带来严重灾难，因此对物体进行变形监测具有重要意义。

专利CN101349753A提出了一种变形遥测技术与方法，其基本工作原理是，在被测物上安装无线电信标机，远处布置遥测接收机，信标机使用不同的伪码调制同频同相的载波信号，遥测接收机在达到伪码同步后，分离出各信标机的载波信号，对载波信号进行鉴相，可以监测出建筑物的形变量。很明显，码的正交性和以及多址干扰问题直接关系到载波的分离效果，和测量精度。

多址干扰产生的根源是扩频码间的不完全正交性，如果扩频码集能在任何时刻完全正交，那么多址干扰就会不复存在。专利CN101349753A提出采用Walsh码和Gold码作为标识信标机的伪码。Walsh码的优点是：码间完全正交，理论上相互干扰为零；Walsh码可以作为地址码。但是Walsh码的自相关特性差，即自身与自身延时做相关时，结果不是0，这不利于伪码的捕获与跟踪；同时，数量较少，例如一个16bitWalsh码只有16个；随机性差，Walsh码的各码组由于所占频谱带宽不同等原因，不能作为扩频码。同样，Gold码也存在多址干扰的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，该方法通过对正交扩频码进行设计，实现变形遥测技术中多址干扰抵消。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，使用信标机和遥测接收机构成变形遥测系统，信标机包括位置固定设置的参考信标机和设置在建筑物上的观测点信标机，为了实现消除多址干扰，采用以下方法：在信标机端采用相差整数码片宽度的扩频码之差的组合作为信标机的扩频码，使任意两个信标机的扩频码互相关等于0，完全正交；信标机采用上述正交扩频码调制同频同相射频载波，生成扩频调制信号；遥测接收机捕获跟踪同步信标机扩频码，在同步后进行相关解扩，恢复出各信标机的载波信号，消除多址干扰。

进一步，所述信标机端正交扩频码的设计方法具体包括：将基准扩频码延迟生成多个不同相位的原始扩频码，使用2个相差整数码片宽度的原始扩频码序列之差的组合构造信标机新扩频码，任一原始扩频码1与其它两个相差整数码片宽度的原始序列码2、3的相关值相等。

进一步，所述基准扩频码采用m序列码。

进一步，所述信标机的工作过程为：使用构造的正交扩频码调制到中频载波上，然后通过上变频电路变换到射频，通过天线发射给遥测接收机。

进一步，所述遥测接收机的工作过程为：遥测接收机天线接收混合扩频信号，通过低噪声放大器和混频器和带通滤波器之后，将射频信号变换为低中频信号，然后在本地再生参考信标机扩频码信号，即同时调整构成参考信标机新扩频码的2个原始扩频码信号的相位，分别与此中频信号做相关运算并进行包络检波，当这2个包络都大于捕获门限时转入跟踪阶段，使用非相干延迟锁定环路实现参考信标机扩频码的精确同步，由于各信标机扩频码之间的相位关系是固定的，因而也实现了其它信标扩频码的精确同步，使用本地再生的其它信标机扩频码与低中频信号做相关运算，恢复出各信标机的载波信号，使用鉴相器比较观测点信标机与参考信标机之间的相位差，然后送给变形曲线形成模块，将相位差信息转变为建筑物形变信息。

本发明的有益效果在于：本发明提供的大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法克服了现有技术中存在的不足，通过合理设计发端信标机的扩频调制地址码，以及改进收端的接收机相关解扩电路，保证了伪码捕获与跟踪的可靠性，完全解决了现有技术中的多址干扰问题，从而提高了变形监测系统的测量精度，当在信标机越多的时候，这个优点更加突出。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为变形遥测系统总体结构图；

图2为信标机电路结构框图；

图3为遥测接收机电路结构框图。

具体实施方式

在本发明中，变形遥测系统由信标机和遥测接收机组成，信标机分为两类，一类是参考信标机，安装位置固定不变；一类是观测点信标机，安装在被测物上，各信标机使用扩频码调制同频同相载波信号，通过天线发射给远端的遥测接收机；遥测接收机接收混合扩频信号，进行相关解扩分离载波，比较观测点信标机与参考信标机之间的相位差，形成变形曲线。

为了实现多址干扰抵消，采用以下方法构造信标机正交扩频码：1）基准伪码序列具有良好的自相关特性(为双值函数)，由基准伪码序列延迟生成多个原始伪码序列，原始序列扩频码1与其它两个相差整数码片宽度的原始序列码2、原始序列码3相差的相关值相等；2）使用2个相差整数码片宽度的原始扩频码序列之差的组合方法构造发端信标机新的扩频码；3）收端能唯一地识别捕获并跟踪到参考信标机伪码，即能区分出参考信标机伪码和观测点信标机伪码；4）信标机之间相邻的2个原始扩频码序列相差至少一个码片宽度；5）发端各信标机之间伪码的相位差关系是固定的；这样当收端在实现参考信标机伪码同步后，利用固定的相位差关系，也就很容易地实现各观测点信标机伪码同步。

在实现对各信标机的扩频码同步之后，各信标机的任一原始扩频码与其它信标机的2个原始扩频码的互相关数值相等(很小)，符号相反，刚好抵消，所以完全消除了变形监测系统中的多址干扰问题。

具体来说：假设要构造1个参考信标机和P个观测点信标机新的扩频码，则需要有2(P+1)个具有不同相位的原始扩频码。假设基准扩频码为PN(t)，码片宽度为T_c，码长为N，码的周期为NT_c，将基准扩频码分别延迟一定的时间τ_i生成相位不同的原始扩频码PN_i(t)=PN(t-τ_i),i=0,1,2,…2P+1。

如要满足1)，原始扩频码序列PN(t)可为m序列码,它的自相关函数为双值函数,即 ${\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}\mathrm{PN}\left(t\right)\·\mathrm{PN}\left(t\right)=A_{\max },$ ${\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}\mathrm{PN}\left(t\right)\·\mathrm{PN}(t-\mathrm{\τ})=A_{\min },\left|\mathrm{\τ}\right|>T_c,$ A_max很大，A_nin很小，为常数。

如要满足2)，选取第2i和第2i+1移相的原始扩频码PN_2i(t)和PN_2i+1(t)组合为信标新的扩频码PNB_i(t)=PN_2i(t)-PN_2i+1(t)=PN(t-τ_2i)-PN(t-τ_2i+1)，其中Δτ_(2i,2i+1)=τ_2i+1-τ_2i=k·T_c,k为自然数。PNB₀(t)为参考信标机新的扩频码，PNB_i(t),i=1,2,…,P为观测点信标机新的扩频码。

如要满足3)，构成参考信标机新扩频码PNB₀(t)的2个原始扩频码序列PN₀(t)与PN₁(t)的相位差Δτ_(0,1)不等于任意其他2个原始扩频码序列PN_i(t)与PN_j(t)的相位差Δτ_(i,j)。当满足这样的条件后，收端电路同时调整PN₀(t)与PN₁(t)，与收到的混合信号做相关运算，只有当两个相关运算均为峰值时，才能确定捕获了参考信标机的扩频码。

如要满足4)，构成相邻信标机PNB_i(t)的原始序列扩频码PN_2i+1(t)与PNB_i+1(t)的原始序列扩频码PN_2(i+1)(t)之前相差Δτ_{(2i+1,2(i+1))}≥T_c。

如要满足5)，在系统工作过程中，构成信标机新扩频码PNB_i(t)的原始扩频码PN_2i(t)，PN_2i+1(t)与基准序列扩频码PN(t)之间的相位差τ_2i与τ_2i+1一直保持不变。

接收端参考信标机PN码的同步方法如下：在接收端滑动构成参考信标机

的原始扩频码

与将这2个扩频码与接收到的混合扩频信号做相关运算并做包络检波，只有当这两个包络均超过捕获门限时，才认为参考信标机伪码捕获成功，然后转入伪码跟踪阶段，构造

的超前滞后码如

和

使用非相干延迟锁定环路实现伪码的精密跟踪，从而实现了参考信标机PN码的精确同步。当参考信标机伪码同步后，利用各信标机之间伪码相位差是固定的关系，可实现各观测点信标机

的伪码同步。

多址干扰抵消原理如下：

各信标机的发射信号为：

s_{bti_RF}(t)=PNB_i(t)·cos(2πf_Rt)   (1)

上式中，f_R为射频载波频率。

遥测接收机收到的混合信号为：

$s_{\mathrm{br}\_\mathrm{RF}\left(t\right)}\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^P{s}_{\mathrm{bri}\_\mathrm{RF}}\left(t\right)---\left(2\right)$

遥测接收机收到的各信标机信号为：

$s_{\mathrm{bri}\_\mathrm{RF}}\left(t\right)={\mathrm{PNB}}_i(t-\frac{r_i}{c})\·\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_R(t-\frac{r_i}{c})\right)={\mathrm{PNB}}_i(t-\frac{r_i}{c})\·\cos (2\mathrm{\π}{f}_{R}t+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(3\right)$

上式中，c表示电磁波传播速度，r_i表示观测点信标机与遥测接收机之间的距离，

将此信号下变频至中频，有

$s_{\mathrm{br}\_\mathrm{IF}}\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^P{s}_{\mathrm{bri}\_\mathrm{IF}}\left(t\right)---\left(4\right)$

$s_{\mathrm{bri}\_\mathrm{IF}}\left(t\right)=\mathrm{PN}{B}_i(t-\frac{r_i}{c})\·\cos (2\mathrm{\π}{f}_{I}t+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(5\right)$

当收端已经实现伪码同步时

使用

与混合信号s_{br_IF}(t)相关，得到参考信标机的载波信号为：

$\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{br}0\_\mathrm{IF}}\left(t\right)=({\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_0(t-\frac{r_0}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_1(t-\frac{r_0}{c}))\cos (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+{\mathrm{\θ}}_0)+\\ {\mathrm{\Σ}}_{i=1}^P({\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2i}(t-\frac{r_i}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2i+1}(t-\frac{r_i}{c}))\cos (2\mathrm{\π}{f}_{I}t+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(6\right)\end{array}$

由于

与

相差kT_c， ${\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2i}(t-\frac{r_i}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_0(t-$ $\mathrm{\τPN}2i+1t-\mathrm{ric}=0;$

由此恢复出的参考信标机信号为

s_{bro_IF}(t)=(A_max-A_min)cos(2πf_It+θ₀)   (7)

同样地：使用

与混合信号相关，得到第i个观测点信标机的载波信号为：

$\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{bri}\_\mathrm{IF}}\left(t\right)=({\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2i}(t-\frac{r_i}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i+1}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2i+1}(t-\frac{r_i}{c}))\cos (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+{\mathrm{\θ}}_i)+\\ {\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^P({\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2j}(t-\frac{r_j}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2j+1}(t-\frac{r_j}{c}))\cos (2\mathrm{\π}{f}_{I}t+{\mathrm{\θ}}_j)---\left(8\right)\end{array}$

由于 ${\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2j}(t-\frac{r_j}{c})-{\∫}_0^{{\mathrm{NT}}_c}{\mathrm{PN}}_{2i}(t-\widehat{\mathrm{\τ}}){\mathrm{PN}}_{2j+1}(t-\frac{r_j}{c})=0,$ 因而恢复出的第i个观测点信标机的载波信号为

s_{bri_IF}(t)=(A_max-A_min)cos(2πf_It+θ_i)   (9)

由此可见，完全消除了多址干扰，恢复出了各个信标机的载波信号。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为变形遥测系统总体结构图，如图所示，本系统包括信标机和遥测接收机两部分,信标机包括位置固定设置的参考信标机和设置在建筑物上的观测点信标机，信标机使用不同的伪码信号调制同频同相的载波信号,遥测接收机接收多路混合扩频调制信号，经分离载波比较相位后,形成变形曲线。

图2为信标机电路结构框图，信标机电路由公共电路和信标机模块构成。公共电路为中频本振，基准扩频码生成电路，射频本振等。每个信标机模块将由基准本振延迟之后生成的两个原始扩频码相减后调制到中频载波上，然后与射频本振信号混频，经过带通滤波器后上变频到射频，经功率放大后，通过发射天线辐射出去。

图3为遥测接收机电路结构框图，遥测接收机将天线接收到的射频信号经低噪声放大器与射频本振信号混频后通过宽带中频放大器，下变频到低中频信号，收端再生构成参考信标机新扩频码的两个原始扩频码信号，调节其相位，将这两个扩频码与中频信号做相关运算，使用平方环路和低通滤波器做包络检波，并与捕获门限比较，当这两路包络都超过门限后，转入跟踪阶段，使用其中一个原始扩频码的超前滞后码与中频信号做相关运算，平方包络检波电路之差送往环路滤波器，调节压控振荡器，从而精密调节本地再生的扩频码相位，达到参考信标机扩频码的精确同步。利用参考信标机与观测点信标机扩频之间相位差是固定的，实现观测点信标机的扩频码同步。将各相关解扩电路的包络检波出的电平经过门限判决用于判断信标机是否工作正常，将恢复的载波信号送往鉴相器电路，计算观测点信标机载波与参考信标机载波相位差，将相位差送往变形曲线形成模块。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，使用信标机和遥测接收机构成变形遥测系统，信标机包括位置固定设置的参考信标机和设置在建筑物上的观测点信标机，其特征在于：在信标机端采用相差整数码片宽度的扩频码之差的组合作为信标机的扩频码，使任意两个信标机的扩频码互相关等于0，完全正交；信标机采用上述正交扩频码调制同频同相射频载波，生成扩频调制信号；遥测接收机捕获跟踪同步信标机扩频码，在同步后进行相关解扩，恢复出各信标机的载波信号，消除多址干扰。

2.根据权利要求1所述的大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，其特征在于：所述信标机端正交扩频码的设计方法具体包括：将基准扩频码延迟生成多个不同相位的原始扩频码，使用2个相差整数码片宽度的原始扩频码序列之差的组合构造信标机新扩频码，任一原始扩频码1与其它两个相差整数码片宽度的原始序列码2、3的相关值相等。

3.根据权利要求2所述的大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，其特征在于：所述基准扩频码采用m序列码。

4.根据权利要求1所述的大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，其特征在于：所述信标机的工作过程为：使用构造的正交扩频码调制到中频载波上，然后通过上变频电路变换到射频，通过天线发射给遥测接收机。

5.根据权利要求1所述的大型建筑物变形遥测技术中多址干扰抵消方法，其特征在于：所述遥测接收机的工作过程为：遥测接收机天线接收混合扩频信号，通过低噪声放大器和混频器和带通滤波器之后，将射频信号变换为低中频信号，然后在本地再生参考信标机扩频码信号，调整构成2个原始扩频码信号的相位，与此中频信号做相关运算并进行包络检波，当2个包络都大于捕获门限时转入跟踪阶段，使用非相干延迟锁定环路实现参考信标机扩频码的精确同步，使用本地再生扩频码与低中频信号做相关运算，恢复出各信标机的载波信号，使用鉴相器比较观测点信标与参考信标机之间的相位差，然后送给变形曲线形成模块，将相位差信息转变为建筑物形变信息。

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