CN103983967B - 多目标微变形分时遥测方法与系统 - Google Patents

多目标微变形分时遥测方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多目标微变形分时遥测方法与系统，系统由信标机及发射天线和接收机及接收天线构成。采用CDMA技术分别产生载波相同的2路扩频调制信号。将参考点信标机信号直接送往参考点发射天线，将观测点信标机信号通过单刀多掷开关SPMT依次送往n个观测点发射天线。接收机天线任意时刻只接收到2路混合扩频调制信号，使用相关解扩技术分别分离出参考点信标机和观测点信标机的载波信号，计算观测点信标机与参考点信标机之间的载波相位差，根据开关控制逻辑信号计算出各观测点天线与参考点天线之间的相对位移量。与现有方法相比，该方法具有如下优点：(1)减少了多址干扰，提高了测量精度；(2)减小了重量体积，降低了系统造价。

Description

多目标微变形分时遥测方法与系统
技术领域
本发明属于变形监测技术领域，涉及一种多目标微变形分时遥测方法与系统。
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变形量。但这种方法的缺点是：(1)产生大量正交伪码十分困难，多址干扰大，从而系统测量精度低；(2)每个观测点对应一个无线电信标机，设备体积大，成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多目标微变形分时遥测方法与系统，该方法通过各观测点天线共用无线电信标机分时发射无线电遥测信号，实现各观测点天线的微变形测量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多目标微变形分时遥测方法，该方法在被测物体上安装n个观测点发射天线，在稳定位置安装参考点发射天线，参考点发射天线直接发射参考信标机的扩频调制信号，n个观测点发射天线共享一个观测点信标机，分时发射观测点信标机的扩频调制信号；接收机接收混合扩频调制信号，在伪码同步后，分离出来自于参考信标机的载波信号和来自于观测点信标机的载波信号，然后识别出该信号具体来自于哪个观测点发射天线，使用鉴相器计算出来自于任一观测点发射天线与来自于参考点发射天线之间的载波相位差，得到视线方向位移量，使用数据拟合算法得到建筑物变形曲线。
进一步，参考信标机与观测点信标机采用正交伪码(如m序列码和Gold码)调制同频同相的本地载波，产生2路扩频调制信号。
进一步，观测点信标机产生的扩频调制信号分时地分别送给n个观测点发射天线，可通过单刀多掷开关来实现。
进一步，接收机使用解调出来的开关控制逻辑信号来识别恢复的中频载波信号具体来自于哪个观测点发射天线。
进一步，开关控制逻辑信号可直接使用单独的无线发送模块发送，也可直接经参考信标机伪码调制后生成扩频调制信号经参考点发射天线向接收机发送。
本发明还提供了一种多目标微变形分时遥测系统，该系统由信标机电路及其发射天线，接收机电路及其接收天线构成：参考信标机电路产生的扩频调制信号直接送往参考点发射天线辐射出去；观测点信标机电路产生的扩频调制信号通过单刀多掷开关分时地送往n个观测点发射天线辐射出去；接收机电路对接收天线收到的混合扩频调制信号进行处理，恢复出来自于各观测点发射天线与来自于参考点发射天线的中频载波信号，计算载波相位差，得到各观测点视线方向位移量。
进一步，所述观测点信标机的工作过程为：中频本振信号经分频电路产生两路时钟信号，一路送给参考信标机伪码PNR和观测点信标机伪码PNT生成电路，一路送给开关控制逻辑信号D产生电路；参考信标机伪码PNR对开关控制逻辑信号D进行扩频调制，生成参考信标机基带信号，然后将其调制在中频本振信号上，将此中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波放大后生成射频扩频调制信号，直接送往参考点发射天线；观测点信标机伪码PNT直接调制在中频本振信号上，然后将此中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波放大后生成射频扩频调制信号，该射频信号通过单刀多掷开关送往n个观测点天线，单刀多掷开关的切换受开关控制逻辑信号D控制。
进一步，所述遥测接收机的工作过程为：接收天线接收到射频扩频调制信号后，经过低噪声放大后与射频本振信号混频，经带通滤波后下变频至中频，使用伪码捕获跟踪环路在本地再生出同步的参考信标机伪码PNR，使用载波跟踪环路和相干解调电路得到开关控制逻辑信号D和来自于参考点天线的中频载波信号，利用参考信标机伪码PNR与观测点信标机伪码PNT同步的性质得到观测点信标机伪码PNT，使用此伪码对中频信号进行相关解扩，恢复出来自于观测点信标机的中频载波信号，根据开关控制逻辑信号D判断该中频载波信号具体对应于哪个观测点天线，使用鉴相器得到来自于任一观测点天线的中频载波信号与来自于参考点天线的中频载波信号之间的相位差，送往数据处理系统做进一步处理，将前后两次测量的相位差转换为观测点的位移量，将多个观测点的位移量通过数据拟合算法得到整个建筑物的变形曲线。
本发明的有益效果在于：(1)降低了微变形监测系统正交码的设计难度，减少了多址干扰，提高了测量精度(原来是从n+1路混合扩频调制信号中恢复观测点的载波信号，而现在是从2路混合扩频调制信号中恢复观测点的载波信号)；(2)减小了整个监测系统的重量体积，降低了整个系统的造价(原来是n个观测点需要n个信标机，而现在是n个观测点只需要1个信标机，成本变为原来的1/n)。
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为本发明的系统结构总体框图；
图2为本发明的各信号波形示意图；
图3为信标机电路结构框图；
图4为接收机电路结构框图。
具体实施方式
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为本发明的系统结构总体框图。如图所示，变形监测系统由信标机及其发射天线和接收机及其接收天线组成。信标机只有2个，分别为参考信标机和观测点信标机。参考信标机与观测点信标机采用码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)技术分别产生2路扩频调制信号，这两路扩频调制信号的载波同频同相。参考信标机的扩频调制信号直接送往参考点发射天线，观测点信标机使用单刀多掷开关SPMT(Single Port MultipleTurn)将扩频调制信号依次送往n个观测点天线。接收机天线接收参考点天线和观测点天线发来的混合扩频调制信号，使用相关解扩技术分离载波，恢复出来自于参考点和任一观测点天线的载波信号，使用鉴相器计算二者相位差，经过前后两次测量可得相位差变化量，据此可以计算出各观测点天线在视线方向上的位移量。
图2为本发明的各信号波形示意图(以系统总共有n＝2个观测点天线，连续两次测量为例说明)。图中s1(t)为参考信标机扩频调制信号，直接送往参考点发射天线；s2(t)为观测点信标扩频调制信号；s3(t)为经过单刀多掷开关送往第1个观测点发射天线的信号，Td表示控制信号脉冲宽度，Tr表示脉冲重复周期，1次扫描周期为nTr；s4(t)为经过单刀多掷开关送往第i个观测点发射天线的信号(i≤n)；s5(t)为接收机接收到的混合扩频调制信号；s6(t)为恢复的来自于参考点发射天线的载波信号；s7(t)为恢复的来自观测点发射天线的载波信号；s8(t)为恢复的开关控制逻辑信号，对应于单刀多掷开关切换接通哪个观测点天线；s9(t)为来自于某观测点天线与参考点天线的载波信号相位差，表示来自于第i个观测点天线与参考点天线之间的载波相位差(第k次测量)；s10(t)为来自于某观测点天线与参考点天线的载波信号相位差的前后两次测量结果的变化量，表示来自于第i个观测点天线与参考点天线的载波信号相位差的前后两次(第k-1次，第k次)测量结果的变化量，利用的关系，得到第i个观测点天线的视线方向位移量Δdi(k)。
图3为信标机电路结构框图。如图所示，中频本振信号经分频电路产生两路时钟信号，一路送给参考信标机伪码PNR和观测点信标机伪码PNT生成电路，一路送给开关控制逻辑信号D产生电路；参考信标机伪码PNR对开关控制逻辑信号D进行扩频调制，生成参考信标机基带信号，然后将其调制在中频本振信号上，将此中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波和功率放大后生成射频扩频调制信号，直接送往参考点发射天线；观测点信标机伪码PNT直接调制在中频本振信号上，然后将此中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波和功率放大后生成射频扩频调制信号，该射频信号通过单刀多掷开关送往n个观测点天线，单刀多掷开关的切换受开关控制逻辑信号D控制。
参考信标机电路产生的扩频调制信号为：
sR(t)＝(D(t)·PNR(t))·cos(2πfRFt) (公式1)
上式中，fRF为射频载波频率，PNR(t)为参考信标机的扩频码，D(t)表示观测点信标机开关控制逻辑信号。参考信标机电路产生的射频扩频调制信号直接送往参考点天线辐射出去。
观测点信标机电路产生的扩频调制信号为：
sT(t)＝PNT(t)cos(2πfRFt) (公式2)
上式中，PNT(t)为观测点信标机伪码。观测点信标机电路产生的扩频调制信号经单刀多掷开关依次送往n个观测点天线辐射出去。第i个观测点天线辐射的信号为：
式中rect(·)表示矩形脉冲，Tr为脉冲重复周期，Td为脉冲宽度，Tr≥Td，Td≥MTc，Tc为码片宽度，M为扩频码长度，MTc为扩频码序列周期。
图4为遥测接收机电路结构框图。如图所示，接收天线接收到射频扩频调制信号后，经低噪声放大后与射频本振信号混频，经带通滤波后下变频至中频，使用伪码捕获跟踪环路在本地再生出同步的参考信标机伪码PNR，使用载波跟踪环路和相干解调电路得到开关控制逻辑信号D和来自于参考点天线的中频载波信号，利用参考信标机伪码PNR与观测点信标机伪码PNT同步的性质得到观测点信标机伪码PNT，使用此伪码对中频信号进行相关解扩，恢复出来自于观测点信标机的中频载波信号，根据开关控制逻辑信号判断该中频载波信号具体对应于哪个观测点天线，使用鉴相器得到来自于任一观测点天线的中频载波信号与来自于参考点天线的中频载波信号之间的相位差，送往数据处理系统做进一步处理，将前后两次测量的相位差转换为观测点的位移量，将多个观测点的位移量通过数据拟合算法得到整个建筑物的变形曲线。
接收机天线收到的混合射频信号为：
上式中，c为光速，d0为参考点天线到接收机天线之间的距离，di为第i个观测点天线到接收机天线之间的距离。
将此信号下变频到中频：
使用伪码捕获跟踪环路再生出同步的参考信标伪码使用载波跟踪环路与相干解调技术，得到观测点信标机开关控制逻辑与来自于参考点天线的载波信号：
sR(t)＝cos(2πfIFt-2πfRFd0/c) (公式6)
利用参考信标机伪码与观测点信标机伪码同步的性质，产生观测点信标机伪码使用此伪码与接收到的混合信号进行相关解扩运算，得到观测点信标机的中频载波信号：
利用识别出来自于第i个观测点天线的中频载波信号为：
计算出来自于第i个观测点天线与参考点天线之间的载波信号相位差：
φRTi＝2πfRF(di-d0)/c (公式9)
n个观测点一次扫描测量的时间为nTr，两次扫描完成一次相对位移测量。记前后两次测量相位差变化量为ΔφRTi，第i个观测点天线的相对位移量为Δdi，则有：
Δdi＝(ΔφRTi/2π)(c/fRF)＝(ΔφRTi/2π)λRF (公式10)
λRF为雷达载波波长。
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 (9)

1.一种多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：在被测物体上安装n个观测点发射天线，在稳定位置安装参考点发射天线，参考点发射天线直接发射参考信标机所产生的含有开关控制逻辑信号的扩频调制信号，n个观测点发射天线共享一个观测点信标机，分时发射观测点信标机的扩频调制信号；接收机接收混合扩频调制信号，使用伪码捕获跟踪环路、载波跟踪环路、相干解调电路分离出来自于参考信标机的载波信号和来自于观测点信标机的载波信号以及开关控制逻辑信号，然后根据开关控制逻辑信号识别出观测点信标载波信号具体来自于哪个观测点发射天线，使用鉴相器计算出来自于任一观测点发射天线与来自于参考点发射天线之间的载波相位差，得到各观测点视线方向位移量，使用数据拟合算法得到建筑物变形曲线。
2.根据权利要求1所述的多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：参考信标机电路与观测点信标机电路所产生的扩频调制信号的载波同频同相，扩频码正交，扩频码可选m序列码或Gold码。
3.根据权利要求1所述的多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：使用开关控制逻辑信号控制单刀多掷开关SPMT，将观测点信标机电路的扩频调制信号依次送往n个观测点发射天线，任一时刻，只有一个观测点天线辐射信号。
4.根据权利要求1所述的多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：观测点信标机控制逻辑信号可经参考信标机伪码调制后形成参考信标机扩频调制信号发往接收机。
5.根据权利要求1所述的多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：接收机天线接收2路混合扩频调制信号，使用伪码捕获跟踪环路得到同步的参考信标机伪码，采用相干解调电路解调出开关控制逻辑信号，用于判断接收机恢复的观测点信标机载波信号具体对应于哪个观测点天线。
6.根据权利要求1所述的多目标微变形分时遥测方法，其特征在于：采用3个以上的接收机，可计算出各观测点3个以上视线方向上的位移量，以实现建筑物的3维变形监测。
7.一种多目标微变形分时遥测系统，其特征在于：该系统由信标机电路及其发射天线，接收机电路及其接收天线、单刀多掷开关SPMT构成；信标机电路包括参考信标机电路和观测点信标机电路，参考信标机电路产生的含有开关控制逻辑信号的扩频调制信号直接送往参考点发射天线辐射出去；观测点信标机电路产生的扩频调制信号通过单刀多掷开关SPMT分时地送往n个观测点发射天线辐射出去；接收机电路对接收天线收到的混合扩频调制信号进行处理，接收机接收混合扩频调制信号，使用伪码捕获跟踪环路、载波跟踪环路、相干解调电路恢复出来自于观测点发射天线与来自于参考点发射天线的载波信号以及开关控制逻辑信号，然后根据开关控制逻辑信号识别出观测点信标载波信号具体来自哪个观测点发射天线，计算载波相位差，得到各观测点视线方向位移量。
8.根据权利要求7所述的多目标微变形分时遥测系统，其特征在于：所述信标机电路由中频本振电路、分频电路、开关控制逻辑信号D产生电路、参考信标机伪码PNR生成电路、观测点信标机伪码PNT生成电路、调制电路、射频本振电路、混频器、带通滤波器、功率放大器构成；该信标机电路的工作过程为：中频本振信号经分频电路产生两路时钟信号，一路送给参考信标机伪码PNR生成电路和观测点信标机伪码PNT生成电路，一路送给开关控制逻辑信号D产生电路；参考信标机伪码PNR对开关控制逻辑信号D进行扩频调制，生成参考信标机基带信号，然后将其调制在中频本振信号上，将该调制后得到的中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波和功率放大后生成射频扩频调制信号，直接送往参考点发射天线；观测点信标机伪码PNT直接调制在中频本振信号上，然后将该调制后得到的中频扩频调制信号与射频本振信号混频，经带通滤波和功率放大后生成射频扩频调制信号，该射频扩频调制信号通过单刀多掷开关送往n个观测点天线，单刀多掷开关的切换受开关控制逻辑信号D控制。
9.根据权利要求7所述的多目标微变形分时遥测系统，其特征在于：所述接收机电路由低噪声放大器、射频本振电路、混频器、带通滤波器、参考信标机伪码捕获跟踪环路、载波跟踪环路和相干解调电路、观测点信标机相关解扩电路、鉴相器、数据处理系统构成；该接收机电路的工作过程为：接收天线接收到射频扩频调制信号后，经低噪声放大器后与射频本振信号混频，经带通滤波器后下变频至中频，使用参考信标机伪码捕获跟踪环路在本地再生出同步的参考信标机伪码PNR，使用载波跟踪环路和相干解调电路得到开关控制逻辑信号D和来自于参考点天线的中频载波信号，利用参考信标机伪码PNR与观测点信标机伪码PNT同步的性质得到观测点信标机伪码PNT，使用此伪码对中频信号进行相关解扩，恢复出来自于观测点信标机的中频载波信号，根据开关控制逻辑信号D判断该中频载波信号对应于哪个观测点天线，使用鉴相器得到来自于任一观测点天线的中频载波信号与来自于参考点天线的中频载波信号之间的相位差，送往数据处理系统做进一步处理，将前后两次测量的相位差转换为观测点的位移量，将多个观测点的位移量通过数据拟合算法得到整个建筑物的变形曲线。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhang Pan

Inventor after: Xie Zhimao

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Inventor after: Yang Lisheng

Inventor after: Liao Yong

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Inventor after: Gao Yexia

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Inventor before: Yang Lisheng

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Inventor before: Gao Yexia

GR01 Patent grant
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