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Abstract

一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，包括发射装置，中继装置，接收装置，所述发射装置位于近端稳定坡面，所述中继装置位于中间滑动坡面，所述接收装置位于远端稳定坡面，所述中继装置接收所述发射装置的信号后，以固定的相位差转发信号至接收装置，所述中继装置和发射装置发射的电磁波具有相同的极化方向，接收装置通过无线网络连接终端装置。本发明无线监测系统具有结构简单、成本低、能耗低、部署点少、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测。该监测装置可靠性好，不受降雨、大雾等天气因素的影响，可实现全天候自动化测量，易于维护。

Description

一种用于山体滑坡监测的无线监测系统
技术领域
本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，涉及山体滑坡监测领域。 
背景技术
滑坡是指斜坡上的岩土体由于各种原因在重力的作用下沿着一定的软弱面（或软弱带）整体地向下滑动的现象。近年来，随着环境的恶化，滑坡灾害日益频繁，给国家造成了巨大的经济损失，成为我国最为严重的地质灾害之一。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，预测困难。对滑坡进行监测，可以了解和掌握滑坡体的演变过程，及时捕捉滑坡灾害的特征信息，为预防滑坡提供科学依据。目前，用于滑坡监测的技术方法中，人工测量技术不仅自动化程度低，劳动量大，而且不能实现实时监测。GPS测量系统虽然解决了实时动态监测问题，但精度不高，采用静态差分监测，系统造价昂贵。 
无线电滑坡监测技术能实现无人值守的自动化实时监测，监测装置简单，具有很高的性价比。无线电滑坡监测的原理是基于无线电的干涉测距。传统的方法是通过两个发射装置A、B同时发射频率相近的高频正弦波信号，在接收装置C、D处产生干涉现象，接收装置C、D将高频信号处理后取出干涉信号的低频包络并计算包络相位Φc、Φd，获取两个接收点包络的相位差Φcd=Φc-Φd，计算四元组合ABCD对应的干涉距离。其测距精度可以达到厘米的级别，这中精度不能满足滑坡监测的要求。现有专利”基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统”（专利号 201110091416.5）对上述方法进行了优化，通过N个频率上的M次干涉测量，结合偏差收索函数计算干涉距离的变化。这种方法在一定程度上改善了测量精度，但仍存在如下问题： 
1）、需要采用多个接收装置接收相干信号来消除相位误差，监测装置的配置数量大，运行成本高；各接收装置之间需要进行网络同步授时，协议校准，增加了接收装置硬件设计的复杂程度。
2）、采用四元组合计算干涉距离，算法复杂，对软硬件配置要求高。 
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术中无法在线精确测量山体滑坡及软硬件配置复杂的缺陷，提供一种能精确测量山体滑坡、结构简单的用于山体滑坡监测的无线监测系统。 
本发明采取的技术方案为：一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，包括发射装置，中继装置，接收装置，所述发射装置位于近端稳定坡面，所述中继装置位于中间滑动坡面，所述接收装置位于远端稳定坡面，所述中继装置接收所述发射装置的信号后，以固定的相位差转发信号至接收装置，所述中继装置和发射装置发射的电磁波具有相同的极化方向，接收装置通过无线网络连接终端装置。 
所述接收装置与中继装置之间的直线距离远大于滑动坡面允许的最大位移。 
一种山体滑坡监测的方法，包括以下步骤： 
1）、发射装置同时向中继装置、接收装置发射高频电磁波的正弦波信号；
2）、中继装置接收发射装置的信号后，以固定的相位差定向转发接收的信号；
3）、接收装置接收发射装置、中继装置的信号后，测量两组信号的之间的相位差，记录初始相位差；
4）、在后续测量周期内测量上述两组信号的相位差，和初始相位差比较，计算相位差的变化量；
5）、根据所述相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的变化。
在一个测量周期内，进行M次相位差变化量的测量，采取多次平均的方法，得到该周期内的最终相位差的变化值。 
所述的最终相位差△Φ的变化与滑动坡面的位移量L存在对应关系：△Φ=2pLcosq/l，其中：l为无线电波波长， q为中继装置与接收装置连线方向及其与滑移方向所形成的夹角。 
本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，有益效果如下： 
本发明利用无线电干涉技术，对山体滑坡区域滑坡面的位移进行实时地监测，为山体滑坡的监测及预警提供了一种新型的有效方法。监测系统中的监测装置中只使用1个发射装置，确保信号频率和初始相位的稳定；采用中继装置转发信号，避免多个发射装置之间的同步问题，提高测量精度。该监测装置具有结构简单、成本低、能耗低、部署点少、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测。该监测装置可靠性好，不受降雨、大雾等天气因素的影响，可实现全天候自动化测量，易于维护。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 
图1为本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统的结构示意图。
图2为本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统的典型布置图。 
具体实施方式
本发明的核心在于从干涉测距的原理出发，简化测距装置及其布置，提高干涉测距精度，避免多径效应和气候的等因素的影响。根据山体滑坡监测的特点，设计监测单元的布置方案，实现高精度测量。 
如图1、图2所示：一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，包括发射装置1，中继装置2，接收装置3，所述发射装置1位于近端稳定坡面4，所述中继装置2位于中间滑动坡面5，所述接收装置3位于远端稳定坡面6，所述中继装置2接收所述发射装置1的信号后，以固定的相位差转发信号至接收装置3，接收装置3检测相位差的变化，推算滑动位移量，将计算结果通过无线网络7发送给终端装置8。所述中继装置2和发射装置1发射的电磁波具有相同的极化方向，所述接收装置3与中继装置2之间的直线距离L2远大于滑动坡面允许的最大位移。发射装置1与接收装置3的直线距离为L1。 
本发明中采用的发射装置1、中继装置2和接收装置3不在一条直线上布置，构成一个测量组合。 
一种山体滑坡监测的方法，包括以下步骤： 
1）：发射装置1向中继装置2和接收装置3发射2.4GHz的正弦波信号；
2）：中继装置2接收发射装置1的信号后，以固定的相差定向转发接收的信号；
3）：接收装置3接收发射装置1、中继装置2的信号并进行解调，记录信号的初始相位差Φ0；
4）：在测量周期内对基带信号进行M=10次测量，取平均的相位差Φn，和初始相位差Φ0比较，计算相位差的变化量△Φn=Φn—Φ0；
5）：根据相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的变化，具体步骤如下：
根据干涉测距原理，干涉距离与相位差的变化量、基带信号的波长存在如下关系：
Figure 2013105003020100002DEST_PATH_IMAGE001
当中间滑动坡面5的发射装置2的位置发生变化，干涉距离就会发生变化，从而相位差也将发生变化。由于滑移方向可能与中继装置2和接收装置3的连线方向不一致，若存在夹角q，那么所测得的滑移量L=△d12/cosq。
由接收装置3接收到的来自发射装置1和中继装置2的电磁波极化方向的夹角以及中继装置2与接收装置3连线方向及其与滑移方向所形成的夹角q等都对测量精度有直接影响。当这两个夹角越小时，测量精度越高。 
当选择基带信号的频率为2.4GHz时，电磁波波长为0.125m。当相位变化的探测精度达到1°时，滑移量的监测精度为0.35mm，通过多次平均测量能有效减小随机误差。山体滑坡在加速变形阶段日变化量为5~10mm，大的可以达到80mm，只有在临滑急剧变形阶段的日变化量才会达到100mm以上，这都在允许的监测范围之内（小于一个波长）。 

Claims (5)

1.一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，包括发射装置（1），中继装置（2），接收装置（3），其特征在于，所述发射装置（1）位于近端稳定坡面（4），所述中继装置（2）位于中间滑动坡面（5），所述接收装置（3）位于远端稳定坡面（6），所述中继装置（2）接收所述发射装置（1）的信号后，以固定的相位差转发信号至接收装置（3），所述中继装置（2）和发射装置（1）发射的电磁波具有相同的极化方向，接收装置（3）通过无线网络（7）连接终端装置（8）。
2.根据权利要求1所述一种用于山体滑坡监测的无线监测系统，其特征在于，所述接收装置（3）与中继装置（2）之间的直线距离（L2）远大于滑动坡面允许的最大位移。
3.采用权利要求1所述无线监测系统的一种山体滑坡监测的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、发射装置（1）同时向中继装置（2）、接收装置（3）发射高频电磁波的正弦波信号；
2）、中继装置（2）接收发射装置（1）的信号后，以固定的相位差定向转发接收的信号；
3）、接收装置（3）接收发射装置（1）、中继装置（2）的信号后，测量两组信号的之间的相位差，记录初始相位差；
4）、在后续测量周期内测量上述两组信号的相位差，和初始相位差比较，计算相位差的变化量；
5）、根据所述相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的变化。
4.根据权利要求3所述一种山体滑坡监测的方法，其特征在于，在一个测量周期内，进行M次相位差变化量的测量，采取多次平均的方法，得到该周期内的最终相位差的变化值。
5.根据权利要求4所述一种山体滑坡监测的方法，其特征在于，所述的最终相位差△Φ的变化与滑动坡面的位移量L存在对应关系：△Φ=2pLcosq/l，其中：l为无线电波波长， q为中继装置2与接收装置3连线方向及其与滑移方向所形成的夹角。
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