CN105783798A - 结构表面变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：至少三个微波探测器、数据采集传输单元、远程控制处理系统。所述至少三个微波探测器分别布置在不同高程位置且与所述待测结构互相通视。本发明同时还提供一种结构表面变形监测方法。利用本发明提供的结构表面变形监测系统及方法可以同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。

Description

结构表面变形监测系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑结构安全监测领域，尤其涉及建筑结构表面变形监测。

背景技术

结构安全监测主要包括变形监测、渗流监测、应力应变监测、温度监测等。其中，变形监测直观可靠，可基本反映在各种荷载作用下的结构安全性态，因而成为最为重要的监测项目。本发明主要关注的是结构表面变形。目前，结构表面变形监测技术主要包括：常规大地测量技术、测量机器人监测技术、地面三维激光扫描技术、摄影测量与遥感技术、GPS技术等。以上表面变形测量技术或多或少存在一些缺点，难以同时实现高精度测量、自动化测量、不间断测量的要求。

例如，常规大地测量技术利用传统的大地测量仪器，理论和方法较为成熟，测量数据可靠，观测费用相对较低。但该类方法观测所需要的时间长，劳动强度高，观测精度受到观测条件的影响较大，不能实现自动化观测等。测量机器人由带驱动马达和程控全站仪定位系统，结合激光、通讯及CCD技术组合而成，可以实现常规监测网测量的自动化。但是，单台测量机器人监测范围小，很难达到亚毫米级测量精度；多台联机又会出现设备利用率低的问题。激光雷达通过发射红外激光直接测量雷达中心到地面点的角度和距离信息，获取地面点的三维数据。但是激光雷达的测量精度在毫米至厘米之间，很难满足结构变形的监测精度。摄影测量与遥感技术是从摄影影像和其他非接触传感器系统获取结构的可靠信息，并对其进行记录、量测、分析与应用表达的科学和技术。摄影测量与遥感技术可以将变形体变形的特征信息全面地进行采集，具有快速、直观、全面的特点，但仍然存在测量精度不高的问题。GPS测量系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，利用距离变换求出结构的坐标，再通过长时间数据采集得到变形数据。GPS测量具有测站点无需通视、全天候观测、测量范围大等特点。但是GPS接收机在高山峡谷、密林深处等处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，监测精度和可靠性不高；误差源多，定位结果和观测值之间的关系复杂，数据处理过程中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度；GPS用于动态变形监测时，精度只能达到厘米级。合成孔径雷达干涉技术（SyntheticApertureRadarInterferometry，InSAR）可全天时、全天候、高精度地进行大面积地表变形监测，是变形监测的前沿技术和研究热点。基于星载InSAR的成功经验，近几年提出了地基InSAR（GroundBasedInSAR，GBInSAR）技术，该技术通过接收向变形体发射并返回的雷达波遥测信号，获取监测区域二维影像，通过合成孔径技术和步进频率连续波技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率，通过干涉技术实现优于毫米级的微变形监测。但它的缺点也很明显：无法同时测量结构三个方向的静态变形，更难以得到结构的振动特性，如振型、自振频率等。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种高精度、实时、可同时测量静态变形及动态振动特性的表面变形监测系统及方法。

一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：

三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面测点三个视线方向的回波信号；

三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；

远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性。

一种应用结构表面变形监测系统监测待测结构表面变形的方法，包括：

S1，在所述待测结构附近布设所述三个微波探测器，该三个微波探测器分别位于不同高程，获取该三个微波探测器的坐标；

S2，所述三个微波探测器向所述待测结构发射微波信号并接收该待测结构返回的回波信号；

S3，所述三个数据采集传输单元对所述位移回波进行数据采集，形成包含有时间信息的坐标数据；

S4，所述远程控制处理系统根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的三维变形。

与现有技术相比，本发明提供的结构表面变形监测系统及方法能够在满足监测精度的前提下同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的结构表面变形监测系统结构示意图。

图2为本发明实施例提供的微波探测器工作原理示意图。

图3为本发明实施例提供的数据采集传输单元工作原理图。

图4为本发明实施例提供的结构表面变形监测方法流程图。

主要元件符号说明

结构表面变形监测系统	100
		微波探测器	10
温控晶振器	111
		衰减器	112
第一功率分配器	113
		第二功率分配器	114
正交检波器	115
		上变频器	116
合成器	117
		发射天线	118
接收天线	119
		低噪音放大器	120
下变频器	121
		数据采集传输单元	20
信号调理模块	21
		A/D转换器	22
GPS授时模块	23
		数字信号处理器	24
信号发射模块	25
		电源与复位模块	26
第一无线天线	27
		远程控制处理系统	30
第二无线天线	31
		待测结构	80

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的结构表面变形监测方法及系统作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种结构表面变形监测系统100，用于监测待测结构80的表面三维变形。该结构表面变形监测系统100包括：三个微波探测器10、与所述三个微波探测器10对应的三个数据采集传输单元20、远程控制处理系统30。

所述三个微波探测器10用于发射与接收微波信号，并将接收到的微波回波信号传送给所对应的数据采集传输单元20。所述三个微波探测器10设置于待测结构80附近的坚固地基上，具体地，所述三微波探测器10分别布置在不同高程位置且与所述待测结构80互相通视。所述三个微波探测器10通过发射和接收微波信号获取待测结构80表面多个测点三个视线方向的回波信号。具体地，所述三个微波探测器10利用线性调频连续微波，干涉测量待测结构80表面测点的视线方向变形。可以理解，所述微波探测器10的数量可以根据具体测量需求而定，只需保证至少提供三个视线方向的回波信号，即所述微波探测器10的数量可以大于或等于3个。

进一步地，所述结构表面变形监测系统100还包括多个角反射器（图未示）。所述多个角反射器分别设置于待测结构80表面的各个测点，用于增强微波反射信号，便于所述微波探测器10准确的测量。

所述微波探测器10包括低频电路、高频电路以及发射接收天线。请参见图2，本实施例中所述微波探测器10具体包括：温控晶振器111，用于产生固定频率的信号；衰减器112，用于对所述温控晶振器111产生的固定频率的信号进行衰减；第一功率分配器113，用于将所述衰减器112衰减后的信号分成第一信号与第二信号，其中，所述第一信号作为正交检波器115的本地振荡信号输入，第二信号作为输入上变频器116的中频信号；合成器117，用于产生本地振荡信号；第二功率分配器114，用于将所述合成器117产生的本地振荡信号分成第三信号与第四信号，其中，所述第三信号进入所述上变频器116，所述第四信号进入下变频器121；上变频器116，用于将所述第二信号与所述第三信号混频，产生射频信号；发射天线118，用于向监测目标发射所述上变频器116产生的射频信号；接收天线119，用于接收来自监测目标的返回信号；低噪音放大器120，用于放大所述接收天线119接收到的返回信号；下变频器121，用于将低噪音放大器120放大后的返回信号和所述第四信号混频，产生中频信号；正交检波器115，用于将来自下变频器121的中频信号与来自所述第二功率分配器114的第一信号混频，产生基带I/Q信号，该基带I/Q信号被作为变形信号送入所述数据采集传输单元20。可以理解，实际应中中所述微波探测器10还可以进一步包括低通滤波器、放大器等元件，用于对信号进行低通滤波与放大。例如可以在所述衰减器112与所述第一功率分配器113之间以及所述下变频器121与所述正交检波器115之间增设低通滤波器，可以在所述上变频器116与所述发射天线118之间、所述第二功率分配器114与所述上变频器116之间以及所述第二功率分配器114与所述下变频器121之间增设放大器。

所述数据采集传输单元20接收与其对应的微波探测器10传输的回波信号，对该回波信号进行数字处理并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据。请参阅图3，所述数据采集传输单元20包括信号调理模块21、A/D转换器22、GPS授时模块23、数字信号处理器24、信号发射模块25、电源与复位模块26。

所述信号调理模块21对接收到的回波信号进行信号调理，所述信号调理使接收到的回波信号满足A/D转换器22对输入信号的要求。所述信号调理包括信号变换、程控放大等。所述信号调理模块21的具体配置由A/D转换器22决定。可以理解，当接收到的回波信号满足所述A/D转换器22的输入要求时，所述信号调理模块21可以被省略。

所述A/D转换器22对所述回波信号进行模数转换，转换后的数字回波信号被送入所述数字信号处理器24。

所述GPS授时模块23从GPS卫星上获取标准时间信号，并将该标准时间信号通过接口传输给所述数字信号处理器24，实现整个系统的时间同步。

所述数字信号处理器24对接收到的来自A/D转换器22的数字回波信号进行分析处理，从而获得每一测点的坐标数据，并在该坐标数据中加入来自GPS授时模块23的时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据。

所述信号发射模块25接收来自所述数字信号处理器24的包含有时间信息的坐标数据，对该包含有时间信息的坐标数据进行打包，使其符合特定的传输协议。本实施例中所述信号发射模块25基于TCP/IP协议并与第一无线天线27相连，所述包含有时间信息的坐标数据被打包成符合TCP/IP协议的数据包，并据通过该第一无线天线27发送至所述远程控制处理系统30。

所述电源与复位模块26用于对所述数字信号处理器24进行供电及复位。

所述远程控制处理系统30包括远程计算机，本实施例中所述远程计算机连接有第二无线天线31，该第二无线天线31可以与所述第一无线天线27远程传输数据。所述远程控制处理系统30一方面控制所述微波探测器10的监测工作，另一方面对所述数据采集传输单元20采集的包含有时间信息的坐标数据进行解算、分析，获得所述待测结构80的静态变形特性和\或动态振动特性。

所述远程控制处理系统30按照外部需求确定计算时段，提取该计算时段的数据并对数据按不同的测点分组。所述远程控制处理系统30可以选择三维变形计算模式，根据所选择的三维变形计算模式设置采样间隔，计算所述待测结构80的静态变形特性和\或动态振动特性。所述采样间隔可以根据实际需求设定。一般情况下，用于计算静态变形特性的静态采样间隔可以大于1分钟，用于计算动态振动特性的动态采样频率通常为10-100Hz。

请参阅图4，本发明进一步提供一种利用所述结构表面变形监测系统100监测待测结构80表面变形的方法，包括以下步骤：

S1，在所述待测结构80附近布设所述三个微波探测器10，该三个微波探测器10分别位于不同高程，并获取该三个微波探测器10的坐标；

S2，所述三个微波探测器10向所述待测结构80发射微波信号并接收该待测结构80的回波信号；

S3，所述三个数据采集传输单元20对所述回波信号进行数据采集，形成包含有时间信息的坐标数据；

S4，所述远程控制处理系统30根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构80的三维变形。

步骤S1中，所述待测结构80的种类不限，可以为大坝、桥梁、隧道等。该待测结构80的表面按需设置多个附带角反射器的测点。在测点处布设角反射器可以增强反射信号强度。

所述三个微波探测器10布设完成后，需要对每个三个微波探测器10的位置信息进行测量。所述位置信息包括水准坐标和高程坐标，其测量方法不限。本实施例中通过常规大地测量技术实现，具体为：首先到两个基准点，然后以这两个基准点为基准测出每个测站位置的水准坐标和高程坐标。为了保证测量精度，后期测量中需要定期对每个测站的位置信息进行校准。

步骤S3中，所述回波信号为模拟信号，需要将该模拟信号转换为数字信号以方便计算与传输。所述回波信号自身并不包含时间信息，因此需要加入接收时间以区分不同时间段接收到的回波信号。具体地，所述三个数据采集传输单元20对所述回波信号进行数据采集进一步包括：

S31，所述GPS授时模块23初始化；

S32，所述信号调理模块21对接收到的回波信号进行信号调理；

S33，所述A/D转换器22对调理后的回波信号进行模数转换；

S34，所述数字信号处理器24对来自A/D转换器22的数字信号进行分析处理并加入来自所述GPS授时模块23的时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；

S35，所述信号发射模块25打包并发射所述包含有时间信息的坐标数据。

步骤S4中，所述三维变形包括静态变形特性与动态振动特性。所述静态变形为待测结构某一时间点的三维变形；所述动态振动特性为待测结构在某一时间段的动态振动特性，如振型、自振频率等。所述远程控制处理系统30计算各个测点的三维变形包括以下步骤：

S41，根据计算需求确定计算时段，提取所述计算时段的数据，对所述数据按不同的测点分组；

S42，选择三维变形计算模式，根据所选择的三维变形计算模式设置采样间隔；

S43，计算各个测点在选定计算时段内各个采样点的位置坐标，获得该待测结构80的三维变形。

具体地，设计算时段为T₀~T₁，提取该计算时段T₀~T₁的数据并对该数据按不同的测点分组。对于任意一个测点A，在T₀~T₁时段某一采样时刻t₀，所述三个微波探测器10测得测点A距测站的距离分别为L₁、L₂、L₃，分别以所述三个测站所在位置为圆心，L₁、L₂、L₃为半径画出三个球面，该三个球面相交于两个点，根据实际情况舍去一个点，剩下一个点即为测点A的位置，根据测点A的位置及三个微波探测器10的坐标，可以计算出测点A在t₀时刻的坐标。同理可以计算出测点A在下一采样时刻t₁的坐标，将测点A两次测得的坐标值相减得到测点A的位移，该位移即测点A在t₁时刻的静态变形特性。进一步地，通过减小采样间隔可以得到测点的动态振动特性，此时采样频率可以为10-100Hz。重复上述计算过程可以获得待测结构80表面多个测点的静态变形特性和\或动态振动特性，根据该多个测点的静态变形特性和/或动态振动特性获得待测结构80的静态变形特性和/或动态振动特性。

本发明提供的结构表面变形监测系统及方法能够在满足监测精度的前提下同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，其特征在于，包括：

三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面测点三个视线方向的回波信号；

三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；

远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性。

2.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，进一步包括多个角反射器设置于所述待测结构表面的各个测点。

3.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述三个数据采集传输单元与所述远程控制处理系统通过无线天线进行数据传输。

4.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述三个数据采集传输单元中每一数据采集传输单元包括：

温控晶振器，用于产生固定频率的信号；

衰减器，用于对所述温控晶振器产生的固定频率的信号进行衰减；

第一功率分配器，用于将所述衰减器衰减后的信号分成第一信号与第二信号；

合成器，用于产生本地振荡信号；

第二功率分配器，用于将所述合成器产生的本地振荡信号分成第三信号与第四信号；

上变频器，用于将所述第二信号与所述第三信号混频，产生射频信号；

发射天线，用于向所述待测结构发射所述上变频器产生的射频信号；

接收天线，用于接收来自所述待测结构的返回信号；

低噪音放大器，用于放大所述接收天线接收到的返回信号；

下变频器，用于将所述低噪音放大器放大后的返回信号和所述第四信号混频，产生中频信号；

正交检波器，用于将来自所述下变频器的中频信号与来自所述第二功率分配器的第一信号混频，产生基带I/Q信号，该基带I/Q信号被作为变形信号送入所述数据采集传输单元。

5.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述数据采集传输单元包括：

A/D转换器，对所述回波信号进行模数转换形成数字回波信号；

GPS授时模块，从GPS卫星上获取标准时间信号；

数字信号处理器，接收来自所述A/D转换器的数字回波信号进行分析处理，获得每一测点的坐标数据，并在该坐标数据中加入来自所述GPS授时模块的时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；

信号发射模块，对来自所述数字信号处理器的包含有时间信息的坐标数据进行打包并发送至所述远程控制处理系统；

电源与复位模块，用于对所述数字信号处理器进行供电及复位。

6.如权利要求5所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述信号发射模块基于TCP/IP协议，所述包含有时间信息的坐标数据在所述信号发射模块中打包成符合TCP/IP协议的数据包。

7.如权利要求5所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述数据采集传输单元进一步包括：信号调理模块，用于对接收到的回波信号进行信号变换与程控放大，使该回波信号满足所述A/D转换器对输入信号的要求。

8.一种应用权利要求1至7任一权利要求所述的结构表面变形监测系统监测待测结构表面变形的方法，包括：

S1，在所述待测结构附近布设所述三个微波探测器，该三个微波探测器分别位于不同高程，获取该三个微波探测器的坐标；

S2，所述三个微波探测器向所述待测结构发射微波信号并接收该待测结构返回的回波信号；

S3，所述三个数据采集传输单元对所述位移回波进行数据采集，形成包含有时间信息的坐标数据；

S4，所述远程控制处理系统根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的三维变形。

9.如权利要求8所述的监测待测结构表面变形的方法，其特征在于，所述三个微波探测器向所述待测结构发射的微波信号为线性调频连续微波。

10.如权利要求8所述的监测待测结构表面变形的方法，其特征在于，步骤S4中所述远程控制处理系统根据所述包含有时间信息的坐标数据计算测点的三维变形的方法包括：

S41，根据计算需求确定计算时段，提取所述计算时段的数据，对所述数据按不同的测点分组；

S42，选择三维变形计算模式，根据所选择的三维变形计算模式设置采样间隔；

S43，计算各个测点在选定计算时段内各个采样点的位置坐标，获得该待测结构的三维变形。