CN106154264A - 多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于地表和地下监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，其包含基带合成孔径雷达SAR子系统、用于发射和接收多个波的射频RF收发器子系统、用于地表和地下监测的扫描子系统及电源，所述电源包含用于给所述系统提供电力的电力管理模块。

Description

多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统

技术领域

本发明的实施例涉及监测地表地下变形技术且更特定地说，涉及用于远程监测滑坡易发区域且在滑坡发生之前预测即将到来的滑坡的方法及系统。

背景技术

传统上，存在常规方法来通过提前对即将到来的滑坡或涉及陆地移位的类似事件的潜在受影响区域提供警告来评估例如滑坡的危险状况。此外，归因于由滑坡、地形下沉以及建造及维护人造结构(例如桥梁、塔、建筑物、水坝及其它此类结构)时造成的不同类型的不稳定性引起的土地移动，可造成危害及灾害，其通常可造成相当大的人员损失及经济损失。结果，重要的是，实时监测土地移动以避免此类危害及灾害，且每当存在此类事件的迹象及发生概率时都通知公众。然而，实时监测滑坡的问题是，在大多数情况下，定期检查单个孤立的传感器同时进行视觉现场评估以确定滑坡的潜在风险，且没有足够多的或适当种类的传感器数据来实现对即将到来的事件的准确且及时预测。

多种类型的测量传感器能够测量例如土地的移位、倾斜、下沉等等的斜坡的小幅度移动，例如地下测斜仪、沉降测量装置、地表伸缩计、裂缝测量装置等等安装在斜坡中以执行测量，且当测量数据超过预设阈值时发送危险信号。在使用中，用于供电的供电电缆及用于将测量数据发射到数据记录器的通信电缆相互连接。然而，安装成本较高，这是因为当安装测量装置时需要许多熟练工人在地面钻出深孔。仍然存在以下问题：测量传感器难以广泛地安装在偏远地区。此外，必须给用于检测滑坡的测量传感器供电，且测量传感器必须连接到通信电缆。然而，此电缆布线处理工作难以在陡坡中进行，且必须在没有配备通信及电力基础设施的山区安装单独的通信及供电设备。

目前，在滑坡事件之前及期间实时收集及分析的数据尚不足以允许实现对潜在滑坡的路线及强度的逻辑预测。一般来说，可基于发生在特定区域中的以往事件或关于以往事件的时间及严重程度的有根据的猜测来发出滑坡警告。此外，对土地变形及结构移动的监测使用测地学方法，例如全站仪、水准测量及GPS勘测。特定地说，用于变形监测的测地学勘测方法包含经纬仪导线勘测、三角测量方法及全站仪方法。然而，此类方法在相异点进行观察的能力有限。此外，此类方法是没有效率的且大区域的测量速度缓慢。此外，其它常规的测地学勘测方法，其提供合理的准确度，但是需要有经验的专业人员现场进行工作，这造成沉重工作负担、高的人身危险及低效率。特定地说，归因于在夜晚或连续降雨时无法意识到的危害，此类方法的现场工作是高人身危险的工作。另一方面，激光扫描及摄影技术可覆盖更宽的区域，但是其只可应用于白天及良好的天气状况下，这是因为激光会受雾霾及降雨影响。

最新技术是利用通常称作InSAR的基于地面的干涉法合成孔径雷达。其是用于使用InSAR处理监测地表变形变化的遥感技术。尽管InSAR系统在全天候状况下都能以高的空间分辨率及高的地表检测变化准确度更有效率地监测大区域的移位，但其仍然具有许多缺点。现有基于地面的InSAR系统通常利用限于地表变形监测的毫米波频率系统。具有毫米数量级的短波长的毫米波信号不能穿透地表得到监测点的地下剖面图。然而，滑坡的主要原因起始于地下变形。因此，与表面变形相比，监测地下变形的能力也是极为重要的。此外，毫米波InSAR系统并不适合用于监测被森林树冠层及植被覆盖的地表。此是因为毫米波InSAR系统对细微的树叶移动极为敏感且其可在地表监测时产生虚假的返回信号。

此外，越来越需要使用非破坏性遥感技术以进行灾难监测、风险评估以及建立用于危害及灾害管理的早期警告框架。此外，与覆盖面积小的常规地面真实情况监测仪器相比，仍然需要大面积监测。

因此，所属领域中仍然需要系统及方法来解决以高的检测准确度实时地对土地及建筑物结构变形进行连续监测的无效率且最小化现场工作的风险。

发明内容

本发明的实施例通常揭示一种多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，其用于地球地表、地下及人造结构移动的区域的监测及剖面测量以实时确定发生在地下的任何种类的变形。特定地说，雷达剖面测量仪系统是高度紧凑的嵌入式雷达系统，所述嵌入式雷达系统可安装在地面或车辆上以监测地球地表、地下及人造结构移动及测量其剖面。

根据本发明的实施例，雷达剖面测量仪系统包含基带合成孔径雷达(SAR)子系统、射频(RF)发射器及接收器(收发器)子系统、扫描子系统及电源，所述电源包含用于给雷达剖面测量仪系统供电的电力管理模块。在使用中，雷达剖面测量仪系统能够安装在至少一个平台上，所述至少一个平台可为机动化平台或位于地表上的固定平台。此外，雷达剖面测量仪系统可安装在移动车辆的平台上以提供对土地移动的连续监测。特定地说，射频(RF)收发器子系统发射及接收多个波，且射频(RF)收发器电连接到基带SAR子系统。扫描子系统包含用于地表和地下监测的扫描构件。

根据本发明的实施例，地表及地下的扫描可通过电子射束控制技术而以电子形式实现。

根据本发明的另一实施例，地表及地下的扫描可通过机动化平台控制而以机械方式实现。

根据本发明的实施例，雷达剖面测量仪系统可穿透到地表下大约10cm处以得到地下剖面图及地下移动机制。

根据本发明的实施例，一种用于监测区域及测量其剖面的方法包含以下步骤：通过发射多个信号以完成区域的扫描进行的雷达信号采集，及确定扫描是否是对区域的新扫描。特定地说，每一次扫描包含发射在至少一个载波频率的调频连续波(FMCW)信号的序列。此外，所述方法包含以下步骤：处理响应于所述多个信号中的每一信号作为数字化数据所接收的多个回波信号并将其存储在数据库中，其中每一次扫描包含多个数字文件且所存储的扫描是对区域的新扫描。

根据本发明的实施例，所述方法进一步包含以下步骤：将数据转换成多个合成孔径雷达(SAR)图像、将每一合成孔径雷达(SAR)图像存储在数据库中及确定所存储的合成孔径雷达(SAR)图像是否是区域的新的合成孔径雷达(SAR)图像。根据本发明的实施例，一种用于通过使用雷达剖面测量仪系统监测潜在危害区域中的自然灾害的方法包含以下步骤：将雷达剖面测量仪系统安装到远离潜在危害区域的平台上、以预定义时间间隔执行定期监测、以高精度变化检测能力生成场景的3D图像，及经由有线及/或无线通信网络将3D图像发送到数据中心及/或监测机构，所述有线及/或无线通信网络包含(但不限于)局域网(LAN)、广域网(WAN)及个人区域网(PAN)。

根据本发明的一个实施例，上面安装雷达剖面测量仪系统的平台是固定平台。

根据本发明的另一实施例，上面安装雷达剖面测量仪系统的平台是移动平台。

根据本发明的另一实施例，一种用于通过雷达时序控制器(RTC)及高速模数转换器(ADC)获取数据的方法包含以下步骤：通过由雷达时序控制器(RTC)获得对高速模数转换器(ADC)的控制处置来起始数据获取过程、等待来自外部时序控制单元的触发器信号，及以指定时钟速率及样本数目采样模数转换器(ADC)。

附图说明

为了使本发明的上文叙述的特征能够被详细地了解，可通过参考其中一些在附图中加以说明的实施例进行对上文简要概述的本发明的更特定描述。然而，应注意，附图只说明本发明的典型实施例且因此不应被视为限制其范围，这是因为本发明可允许其它同等有效的实施例。

图1说明根据本发明的一个实施例的地下雷达剖面测量仪系统的系统架构的功能方框图；

图2说明根据本发明的一个实施例的用于滑坡监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统的典型应用的图形表示；

图3说明根据本发明的一个实施例的雷达剖面测量仪系统的可再配置信号合成器的简化方框图；

图4说明根据本发明的一个实施例的雷达剖面测量仪系统的嵌入式合成孔径雷达(SAR)处理器的方框图；

图5说明根据本发明的一个实施例的雷达剖面测量仪系统的射频(RF)收发器子系统的方框图；

图6说明根据本发明的一个实施例的通过雷达剖面测量仪系统的雷达时序控制器(RTC)及高速模数转换器(ADC)进行的数据获取方法的图形流程图；

图7说明根据本发明的另一实施例的太阳能供电雷达剖面测量仪系统；

图8说明根据本发明的一个实施例的由雷达剖面测量仪系统生成的数据的远程数据控制及检索系统的方框图；

图9说明根据本发明的一个实施例的信号的时域标绘图的图形表示；

图10说明根据本发明的一个实施例的基带信号的频率分布图；

图11A说明根据本发明的一个实施例的低频带雷达信号的样本频率频谱；

图11B说明根据本发明的一个实施例的高频带雷达信号的样本频率频谱；

图12说明根据本发明的一个实施例的用于通过使用雷达剖面测量仪系统监测地表及地下的方法的流程图；

图13说明根据本发明的一个实施例的用于合成孔径雷达(SAR)图像处理的方法的流程图；

图14说明根据本发明的一个实施例的用于对合成孔径雷达(SAR)图像进行干涉法合成孔径雷达(InSAR)处理的方法的流程图；及

图15A及图15B说明根据本发明的一个实施例的处理原始数据所需的多个设计参数的表格；

虽然本文中通过举例针对若干实施例及示意图描述了用于地下变形监测的方法及系统，但是所属领域的技术人员将认识到，用于监测地表及地下以确定任何变形的方法及系统不限于所描述的实施例或图。应了解，各图及其详述不旨在将实施例限于所揭示的特定形式。实情是，本发明将涵盖落在如随附权利要求界定的用于计算最优产品用途的方法及设备的精神和范围内的所有修改、等效物及替代物。本文中使用的任何标题只是为了组织目的，且并无限制所述描述或权利要求的范围的意图。如本文中使用，词语“可”是以允许意义使用(即，意指具有……的可能性)，而不是强制意义(即，意指必须)。类似地，词语“包含(include、including及includes)”意指包含但不限于。

具体实施方式

本文中揭示的用于地下变形监测的多频带雷达剖面测量仪系统的各个实施例为公众提供早期警告。雷达系统能够产生用于人造结构及地球环境监测的高分辨率成像，且特别适用于土地剖面测量应用。此外，本发明是高度紧凑的嵌入式雷达系统，其可安装在地面或车辆上以监测地球地表、地下及人造结构移动并测量其剖面。所使用的核心技术包含微波遥感、干涉合成孔径雷达(InSAR)处理、射频(RF)电路设计、嵌入式信号处理、现场可编程门阵列(FPGA)设计及其相关技术。

此外，本系统包含多频带雷达剖面测量仪处理算法，所述算法是干涉合成孔径雷达(InSAR)算法及合成孔径雷达图像形成算法的组合。所述方法通过使用本发明的基于雷达的系统提供对地表及地下区域的实时监测。特定地说，所述系统及方法解决了土地及建筑物结构变形的连续监测的无效率。本发明的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统组合低频微波(例如UHF、L、S频带)及高频微波(例如C、X、Ku频带)雷达收发器子系统以在相同时间同时监测地表及地下。本系统可穿透到地表下大约10cm处以获得地下剖面图及地下移动机制。此外，本系统包含3D合成孔径雷达(SAR)扫描器，所述扫描器具有平台的双轴运动以进行垂直及水平测量。

此外，所述测量生成地下剖面图及干涉图。土地剖面图是通过雷达穿透到地球表面下大约10cm处而生成，土地剖面图提供关于如滑坡的事件的发生概率的有用信息。

在以下详述中，陈述许多特定细节以提供对所主张标的物的完全理解。然而，所属领域的技术人员将了解，所主张标的物可在无此类特定细节的情况下实践。在其它实例中，没有详细描述将为所述领域的一般技术人员了解的方法、设备或系统以免混淆所主张标的物。

以下详述的一些部分是依据对存储在特定设备或专用计算装置或平台的存储器内的二进制数字信号的操作的算法或符号表示而呈现。在此特定说明书的背景中，只要服务器、客户端装置等等经编程以作为专用计算机依据来自程序软件的指令执行特定功能，术语服务器、客户端装置等等就可包含通用计算机。算法描述或符号表示是由熟悉信号处理及相关领域的一般技术人员使用来向所述领域的其它技术人员传达其工作实质的技术的实例。算法在这里被视为且通常被视为造成所需结果的自一致操作序列或类似信号处理。在此背景中，操作或处理涉及物理量的物理操控。通常，虽然不一定必须，此类量可采取能够被存储、传送、组合、比较或以其它方式操控或变换的电信号或磁信号的形式。已证实主要由于习惯用语的原因，将此类信号称作位、数据、值、元素、符号、字符、项、数目、数字等等通常是方便的。然而，应了解，所有此类或类似术语将与适当的物理量相关联且仅仅是出于方便性的标签。除非另有具体说明，否则从以下讨论显而易见的是，将了解在本说明书全文中，利用例如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”等等的术语的讨论是指例如专用计算机或类似专用电子计算装置的特定设备的动作或处理。因此，在本说明书的背景中，专用计算机或类似专用电子计算装置能够操控或变换信号，所述信号通常被表示为专用计算机或类似专用电子计算装置的存储器、寄存器或其它信息存储装置、发射装置或显示装置内的物理性电子或磁量。

图1说明根据本发明的一个实施例的用于监测地表及地下的区域的地下雷达剖面测量仪系统100的系统架构的功能方框图。雷达剖面测量仪系统100包含：用于生成、接收雷达信号并以数字形式处理雷达信号的基带合成孔径雷达(SAR)子系统101、用于发射及接收多个波的射频(RF)收发器子系统155、包含用于地表及地下监测的扫描构件160的扫描子系统110，及包含用于给系统100供电的电力管理模块的电源165。特定地说，基带合成孔径雷达(SAR)子系统101电连接到射频(RF)收发器子系统155及扫描子系统控制器160。

根据一个实施例，基带SAR子系统101进一步包含：用于对所有子系统提供时序及控制信号的雷达时序控制器(RTC)103、用于接收传入雷达信号数据并将其记录在记录数据库120中的数据记录器115，及用于实时处理雷达信号数据的嵌入式雷达处理器。此外，信号合成器105是将所需雷达波形提供给射频(RF)收发器子系统155的基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字信号合成器。扫描子系统110的扫描构件包含高精度3D合成孔径雷达(SAR)扫描器以在垂直及水平方向上对关注区域进行连续雷达测量，以生成地下剖面图及干涉图。具体地说，在大约1km到2km的传感距离处，调频连续波(FMCW)信号的一或多个载波频率的穿透深度是地表下大约10cm。

特定地说，扫描子系统110是机动化双轴扫描平台以在两个方向上扫描，且扫描子系统进一步包含用于电动机控制且与雷达时序控制器(RTC)103串行通信的嵌入式扫描控制器160。具体地说，系统100安装在沿着大约1.5m的方位距离移动的扫描平台110上。当两次图像采集之间的时间内发生地形移位时，目标的相位相应地改变。本系统100中使用干涉合成孔径雷达(InSAR)处理技术以连续地监测区域中的移位。因此，连续监测提供早期警告信号且适用于提供关于滑坡的及时信息。

在一个实施例中，信号合成器105是基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字信号合成器。其用于合成将通过射频(RF)收发器子系统155发射的基带调频连续波(FMCW)信号。

根据一个实施例，雷达剖面测量仪系统100安装在机动化平台上以提供对土地移动的连续监测。雷达剖面测量仪系统100的输出数据(呈经处理图像的形式)是经由通信网络560传达到服务器555及多个客户端装置565。

在一个实施例中，电力管理模块165是机电电源。

根据另一实施例，当不能接入主电源(尤其在偏远地区)时，如图7中说明的小型太阳能电力管理系统450被集成到嵌入式雷达系统100中。

根据一个实施例，射频(RF)收发器子系统155包含配置成超外差配置的多频带、高线性度且低相噪的调频连续波(FMCW)信道。

根据一个实施例，当地表的土壤类型有利时，可实现载波频率的进一步穿透。

根据一个实施例，所述一或多个载波频率是选自包含由C、X及Ku频率频带组成的多个高频微波、由UHF、L、S频率频带组成的多个低频微波及其组合的群组。

图2说明根据本发明的一个实施例的用于滑坡监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统100的典型应用的图形表示200。在步骤205处，将嵌入式雷达系统100安装到远离潜在危害区域的固定平台上。特定地说，雷达剖面测量仪系统100以大约每小时一到两次扫描的预定义间隔执行对地球环境及人造结构的定期监测。在步骤210处，雷达剖面测量仪系统的嵌入式合成孔径雷达(SAR)处理器125以高精度变化检测能力生成地表的场景的3D图像。在步骤215处，经由通信网络560将所生成的3D图像传达到服务器555及客户端装置565。经由服务器555对机构或数据中心的在线报告提供了数据以供进一步分析及风险评估。特定地说，通信网络560是无线通信网络。在操作中，无线通信网络560可使用不同的标准化通信协议，例如全球移动通信系统(GSM)及通用移动电信系统(UMTS)。此类标准化通信协议中的每一者可指定允许由无线通信网络同时服务于多个移动无线通信装置的接入技术。

在步骤220处，如果在由数据中心经由服务器555分析数据之后检测到潜在危害事件，那么触发早期警告信号以警示所述区域的人群进行疏散。类似设备可安装在各个潜在危害区域中以监测例如桥梁、塔、建筑物、水坝等等的人造结构，这可形成全国性的早期警告网络以拯救生命并防止相当大的经济损失。

图3说明根据本发明的一个实施例的雷达剖面测量仪系统100的可再配置基带信号合成器105的简化方框图。可再配置基带信号合成器105包含输入106、数字逻辑平台107及至少一个高速数模转换器108。数字逻辑模块107包含用于提供再配置能力的多个内部寄存器113。在操作中，对于可再配置特征，若干内部寄存器113包含控制寄存器(CR0到CR2)及参数寄存器(PR0到PR5)，所述寄存器可通过连接到嵌入式控制器103或处理器系统125的预定义串行接口112再配置。数字逻辑模块107进一步包含直接数字合成器(DDS)核心114、频率分布图生成器116、有限状态机(FSM)117、时序控制单元(TCU)118及时钟分配器119。输入模块106包含参考时钟111及串行接口112。特定地说，频率分布图生成器116生成直接数字合成器(DDS)核心114所需的调谐字，且因此产生所需基带输出信号。DDS核心114的输出是在数字域中，且被使用两个数模转换器108转换成模拟表示。此外，有限状态机(FSM)117同步整个信号合成器105的操作序列。所需的所有时钟信号都生成于时序及控制单元(TCU)118内部且通过时钟分配器119进行分配。时序及控制单元(TCU)电连接到输入模块106的参考时钟111。

图4说明根据本发明的一个实施例的实时处理传入原始数据的雷达剖面测量仪系统100的嵌入式合成孔径雷达(SAR)处理器125的方框图。特定地说，嵌入式SAR处理器125通过组合嵌入式处理器及可编程的现场可编程门阵列(FPGA)的优点而利用混合结构执行实时雷达信号处理。具体地说，嵌入式SAR处理器125包含：用于将多个已接收FMCW中频(IF)信号转换成数字样本的双信道模数转换器(ADC)131、用于将传入样本变换成1D压缩距离域样本的基于FPGA的距离相关器132，及用于将多个压缩距离域样本变换成2D压缩方位域样本的基于FPGA的方位相关器133。特定地说，基于FPGA的距离相关器132是通过以下动作来实行：首先将传入同相(I)及正交相位(Q)样本组合为复数形式，且执行快速傅立叶变换(FFT)以将样本转换到对应于所接收的FMCW信号的距离分布图的频域。特定地说，基于FPGA的方位相关器133是通过以下动作来实行：将距离样本分为多个子距离分格，在所述子距离分格中距离迁移小于一个像素；且将方位样本分为多个子孔径分格，其中每一子孔径与其对应参考信号相关，且最后所有子孔径被相干性地相加以获得高分辨率的目标响应。通过使用此子孔径架构，可对每一子孔径应用专用的基于FPGA的处理单元以实现实时并行处理。在每次完整扫描结束时，嵌入式SAR处理器125的输出是2D SAR图像134，所述图像134是由距离及方位域中的每一像素的幅度及相位信息组成。此外，将2D SAR图像134覆盖到场景的数字高程模型(DEM)上以获得受观察区域的3D图像剖面图。

图5说明根据本发明的一个实施例的雷达剖面测量仪系统100的射频(RF)收发器子系统155的方框图。特定地说，实施具有可再配置波形类型的多频带雷达以实现地表及地下监测两者。在本射频(RF)收发器子系统155中使用FMCW(调频连续波)雷达配置。射频(RF)收发器子系统155包含高分辨率斜坡生成器锁相环(PLL)142以提供具有次赫兹级分辨率的高线性度FMCW波形。使用宽频带电压控制振荡器(VCO)143，其中VCO输出相位被馈送到可编程小数分频器144。特定地说，PLL 142包含低噪声相频检测器，其比较VCO相位与参考相位141，并调整VCO以保持相位为匹配的。VCO的输出是高度线性的，、低相噪FMCW波形，且其中心频率在例如从500MHz到6000MHz的宽频率频带内可编程。倍频器145用于将频率范围扩大例如4的因子，且因此系统可提供例如从2000MHz到24000MHz的多频带可再配置扫频。此外，FMCW信号由高功率放大器(HPA)146放大且通过多频带发射天线147发射。返回信号由接收天线接收，通过低噪声放大器(LNA)148放大，且通过使用正交混频器149混频传入的接收信号与发射信号的一部分而降频转换成中频(IF)信号。中频(IF)信号由模数转换器(ADC)131转换成数字样本，并存储在数据记录器115中以供进一步处理。

根据本发明的一个实施例，可在多频带频率上以高线性度及低相噪数字式地再配置所述调频连续波FMCW信号的扫频，所述多频带频率例如从低微波频率(UHF、L、S频带)到高微波频率(C、X、Ku频带)。因此，雷达剖面测量仪能够生成及接收多频带信号以用于地下剖面测量。

图6说明根据本发明的一个实施例的通过雷达剖面测量仪系统100的雷达时序控制器(RTC)子系统103及高速ADC 131进行的数据获取方法的图形流程图300。方法300开始于步骤305。在步骤305处，激活并初始化高速模数转换器(ADC)131。方法300进行到步骤307。在步骤307处，RTC 103获得对高速ADC 131的控制处置。方法300进行到步骤308。在步骤308处，RTC 103等待来自基带信号合成器105的触发器信号。因此，收集原始SAR采样数据。方法300进行到步骤312。在步骤312处，将所采样数据存储在板载存储器中。

方法300从步骤312进行到步骤315。在步骤315处，从高速总线检索具有指定时钟速率及样本数目的ADC采样数据。具体地说，在每次触发时同时采样I信道处的信号及Q信道处的信号两者。方法300进行到步骤320。在步骤320处，将数据存储在数据记录器115的固态硬盘(SSD)中。此外，传送所存储数据以供处理。

根据本发明的一个实施例，方法300从步骤320进行到步骤325。在步骤325处，确定是否存在新采样数据。如果确定存在新采样数据，那么方法300从步骤325进行到步骤315。

根据本发明的另一实施例，如果确定不存在新采样数据，那么方法300从步骤325进行到步骤330。在步骤330处，停用ADC 131且方法进行到步骤335。在步骤335处，方法300结束。

根据本发明的又另一实施例，方法300从步骤312进行到步骤316。在步骤316处，确定是否存在由3D合成孔径雷达(SAR)扫描器160扫描的任何原始样本数据。如果确定原始样本数据可用，那么方法300从步骤316进行到步骤308。

根据本发明的又另一实施例，如果在步骤316处确定原始样本数据不可用，那么方法300从步骤316进行到步骤335。在步骤335处，方法300结束。

图7说明根据本发明的另一实施例的太阳能供电雷达剖面测量仪系统450的方框图。目标滑坡监测通常落在不具有适当电源的偏远地区。因此，在常规机电发电系统不可用的位置中，将太阳能供电系统用于多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统100。取决于系统450的功能及操作要求，需要特定組件，且其可包含一些主要组件。主要组件包含DC-AC电力逆变器470、电池组465、电池充电控制器460及多个指定电负载用具475。特定地说，指定电负载用具475可为电动机、雷达处理器、RF子系统、多个LED、荧光灯等等。

根据本发明的一个实施例，在开发主控制器板之后，需要建立与商用太阳能电池板455及其充电控制器460的集成。取决于太阳能电池板充电控制器，建立连接。所述连接可与太阳能电池板455串联或并联。

图8说明根据本发明的一个实施例的由雷达剖面测量仪系统100生成的数据的远程数据控制及检索系统550的方框图。特定地说，远程数据控制及检索系统550有助于减小维护时间及实地再访问频率。远程数据控制及检索系统550包含数据服务器555、通信网络560及一或多个客户端计算机565₁、565₂……565_N。实时收集的雷达数据被定期远程地发送到数据服务器555。

客户端计算机565研究由雷达系统100的嵌入式SAR处理器(ESP)125处理且经由通信网络560存储在服务器555中的雷达数据。在操作中，客户端计算机565₁、565₂……565_N发送数据到服务器555及从服务器555接收数据以监测并研究所处理数据的结果。在使用中，用户界面是客户端装置，且客户端装置为客户端计算装置565。

服务器555包含中央处理单元(CPU)、多个支持电路，及用于存储雷达数据的存储器。服务器555可操作以收集对应于所扫描区域的雷达数据，并经由通信网络560存储雷达数据。服务器555包含处理器557，处理器557经配置以执行至少一个指令集以经由客户端装置565将雷达数据提供到至少一个用户。支持电路可包含显示装置以及支持CPU的功能的其它电路。此类电路可包含时钟电路、缓存、电源、网卡、视频电路等等。存储器可包括只读存储器、随机存取存储器、可抽换式存储器、磁盘驱动器、光学驱动器及/或其它形式的数字存储装置。

通信网络560促进雷达系统100的嵌入式SAR处理器(ESP)125、服务器555与一或多个客户端计算机565之间的通信。通信网络560可为如通常在所属领域中已知的任何种类的有线或无线网络及其组合。在一些实施例中，通信网络560至少部分是分组交换网络，例如因特网。在一些实施例中，通信网络560是3G网络。3G网络可包含支持CDMA演变数据优化(EVDO)版本A标准的一或多个广域蜂窝网络、GPRS网络、或在支持高的下行链路数据速率(高于例如2.5Mbps的数据速率)的无线接口上操作的任何其它网络。

客户端计算机565将数据提供到服务器555及从服务器555接收数据。客户端计算机565包含多个计算装置，包含但不限于桌上型计算机、膝上型计算机、笔记型计算机、智能电话、平板计算机、及/或能够执行多个模块且与服务器555交互的任何其它计算装置。在通过某些软件编程时，客户端计算机565用作专用计算机，以用于发送及接收来自服务器555的数据的目的。

在一些实施例中，客户端计算机565是可运输到设施及从设施运输回以存取数据的便携式装置。

支持电路可包含显示装置以及支持CPU的功能的其它电路。此类电路可包含时钟电路、缓存、电源、网卡、视频电路等等。

在另一实施例中，一或多个环境传感器确定区域的环境状况，且经由通信网络560传达由环境传感器570感测的数据并将其存储在服务器555中。

在又另一实施例中，服务器555包含图形用户界面(GUI)模块、用于安装并执行GUI模块的单板计算机。此外，单板计算机包含用于执行指令集以从扫描构件收集实时雷达数据并经由通信网络560将所收集数据发送到嵌入式雷达处理器(ESP)子系统125的处理模块。特定地说，调制解调器连接到单板计算机。

在一个实施例中，调制解调器是GSM调制解调器。

图9说明根据本发明的一个实施例的信号的时域标绘图的图形表示。图10说明根据本发明的一个实施例的基带信号的频率分布图，图11A说明根据本发明的一个实施例的低频带雷达信号的样本频率频谱，且图11B说明根据本发明的一个实施例的高频带雷达信号的样本频率频谱。

图12说明根据本发明的一个实施例的用于通过使用雷达剖面测量仪系统100监测地表及地下的方法800的流程图。方法800开始于步骤802且进行到步骤805。在步骤805处，执行决定地表的关注区域的扫描是否是对区域的新扫描的确定。特定地说，通过发射信号以完成对区域的扫描来执行雷达信号采集。在操作中，每一次扫描包含发射一或多个载波频率的调频连续波(FMCW)信号的序列。

在一个实施例中，发射Ku频带(即，是从大约12GHz到大约18GHz的范围内的射频集合的频率)的FMCW信号的序列。

在一个实施例中，如果对地表的关注区域的扫描是对区域的新扫描，那么方法800进行到步骤810。在步骤810处，处理响应于所述多个信号中的每一信号作为数字化数据所接收的多个回波信号并将其存储在数据库120中。特定地说，处理并存储回波信号的步骤包含：通过将数字化数据保存在以日期及时间信息标记的文件夹中来创建数据分级结构，并将用于每个调频连续波(FMCW)信号的数据布置成两列格式。在使用中，两列格式包含用于I信道(同相)的第一列及用于Q信道(正交相位)的第二列，其中基于多个参数布置数据。在使用中，多个参数包含处理原始数据所需的各种系统配置及设计参数。如图15A及图15B中说明，已征集处理原始数据所需的各种此类参数。

所属领域的一般技术人员将明白，可根据要求进一步使用许多此类不同参数。具体地说，方位步进的每次扫描包含创建数字文件并将所述文件存储在数据库120中。然而，整个操作重复大约150次以形成完整区域扫描，且因此其对于每次区域扫描造成合计150个文件。

方法800进行到步骤815。在步骤815处，将所存储数据转换成多个合成孔径雷达(SAR)图像。方法800进行到步骤820。在820处，将每个合成孔径雷达(SAR)图像存储在数据库120中。方法800进行到步骤825。

在另一实施例中，如果对地表的关注区域的扫描不是对区域的新扫描，那么方法800进行到步骤825。在步骤825处，确定所存储的合成孔径雷达(SAR)图像是否是所述区域的新合成孔径雷达(SAR)图像。

在一个实施例中，如果所存储的合成孔径雷达(SAR)图像是所述区域的新合成孔径雷达(SAR)图像，那么方法800进行到步骤830。在步骤830处，对所述多个合成孔径雷达(SAR)图像中的每一合成孔径雷达(SAR)图像执行干涉法合成孔径雷达(InSAR)处理。方法800进行到步骤835。在步骤835处，通过经由通信网络560传达服务器555的数据库中的数据来更新区域的检测图。服务器555实时地接收数据到系统100的ESP 125及从系统100的ESP 125接收数据。

在一些实施例中，服务器555经由通信网络560维持最近监测的数据的记录。所属领域的一般技术人员将认识到将数据从系统100的ESP 125传送到服务器555的多种无线方法。

在另一实施例中，如果所存储的合成孔径雷达(SAR)图像不是所述区域的新合成孔径雷达(SAR)图像，那么方法800进行到步骤805。

图13说明根据本发明的一个实施例的用于合成孔径雷达(SAR)图像处理的方法900的流程图。方法900开始于步骤910。在步骤910处，由系统100的嵌入式SAR处理器(ESP)125的八核处理器(未展示)以每个方位步进检索存储在数据库120中的原始数据并将所述数据转换成时间序列信号。在使用中，方位步进的每次扫描包含创建数字文件并将所述文件存储在数据库120中。然而，整个操作重复大约150次以形成完整区域扫描，且因此其对于每次区域扫描造成合计150个文件。方法900进行到步骤915。在步骤915处，通过将调频连续波(FMCW)信号转换到频域并将频率改变为距离标度来执行距离压缩。在使用中，在这此步骤处使用快速傅立叶变换(FFT)。方法900进行到步骤920。在步骤920处，计算聚焦的所需合成长度且在方位域中执行补零。在步骤925处，评估距离信号参考并在2D频域中执行二次距离压缩。在步骤930处，计算方位信号参考且在多普勒域(Doppler domain)的范围中执行方位压缩。在步骤935处，将每一信号转换成空间域，且减小图像大小以具体观察所述区域的关注区。

图14说明根据本发明的一个实施例的用于对合成孔径雷达(SAR)图像执行干涉法合成孔径雷达(InSAR)处理的方法1000的流程图。方法1000开始于步骤1005且进行到步骤1010。在步骤1010处，从数据库120实时检索所述区域的当前合成孔径雷达(SAR)图像。因此，更新振幅弥散指数(ADI)。方法1000进行到步骤1015。在步骤1015处，基于振幅弥散指数(ADI)选择多个永久散射体(PS)及多个PS候选者(PSC)。方法1000进行到步骤1020。在步骤1020处，更新PS/PSC网络。方法1000进行到步骤1025。在步骤1025处，在数据库120中更新观察方差。此外，计算基于观察方差的歧义指数。方法1000进行到步骤1030。在步骤1030处，执行2D空间展开。方法1000进行到步骤1035。在步骤1035处，通过利用卡尔曼滤波器(Kalman filter)计算歧义的概率。此外，更新空间展开解。方法1000进行到步骤1040。在步骤1040处，确定是否已找到最优解。

根据本发明的另一实施例，如果确定没有找到最优解，那么方法1000进行到步骤1025。

根据本发明的一个实施例，如果确定已找到最优解，那么方法1000进行到步骤1045。在步骤1045处，进行永久散射体(PS)的空间整合且生成干涉法合成孔径雷达(InSAR)图像。方法1000进行到步骤1050。在步骤1050处，方法1000结束。

因此，本发明提供用于监测地球表面中的陆地变形、地下移动、建筑物变形及物体检测的高分辨率多频带地下剖面测量的方法及系统。本雷达系统实时确定在地下发生的任何种类的变形。本发明解决了对使用非破坏性遥感技术系统进行灾难监测及风险评估以及建立用于危害管理的早期警告框架的增加的需求。特定地说，本发明旨在解决对土地及建筑物结构变形的连续监测的低效率。

此外，本发明提供具有亚毫米级检测精确度的全天候(24/7)远程监测且最小化现场工作的风险。与其中覆盖面积为小的常规地面真实情况仪器相比，另一改进是使用本发明系统进行的大面积监测。因此，本系统是一种针对大面积的高风险滑坡或建筑物及桥梁结构监测的有效方法。特定地说，本雷达剖面测量仪系统可穿透到地表下大约10cm处以得到地下剖面图及地下移动机制，这是现有基于地面的InSAR系统不具备的。此外，由雷达穿透到地球表面下大约10cm处生成的土地剖面图提供了用于滑坡早期警告系统开发及分析的有用信息。此外，本系统具有紧凑的外壳设计且是便携式系统。

在使用中，本系统具有用于监测较低陆地变形的较低勘测成本。具体地说，本系统具有高速数据获取且易于使用。因此，本系统提供对陆地变形的小幅度变化的连续远程监测，其实时发生而不干扰陆地结构。

因此，虽然已展示及描述本发明的优选实施例，但是应明白，本发明可按除了本文中具体展示及描述以外的其它方式体现，且在所述实施例内，在不背离本文随附的权利要求书的范围的本发明的基本理念或原理的情况下可对部件的形式及布置作出某些改变。

Claims (35)

1.一种用于地表和地下监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，所述系统包括：

基带合成孔径雷达SAR子系统，其用于生成、接收雷达信号并以数字形式处理雷达信号；

射频RF发射器及接收器(收发器)子系统，其用于发射及接收多个波，所述射频RF收发器子系统电连接到所述基带SAR子系统；

扫描子系统，其包括用于地表和地下监测的扫描构件，所述扫描子系统电连接到所述基带SAR子系统及射频RF收发器子系统；以及

电源，其包括用于给所述系统提供电力的电力管理模块。

2.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述系统进一步包括：

可再配置基带信号合成器，其用于生成所需雷达波形及时序和控制信号；

数据记录器，其用于接收传入雷达信号数据并将其记录在数据库中；以及嵌入式合成孔径雷达SAR处理器子系统，其用于实时处理所述雷达信号数据。

3.根据权利要求2所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述嵌入式雷达处理器子系统包括：

双信道模数转换器ADC，其用于将多个已接收的FMCW中频IF信号转换成数字样本；

基于现场可编程门阵列FPGA的距离相关器，其用于将所述传入样本变换成1D压缩距离域样本；以及

基于现场可编程门阵列FPGA的方位相关器，其用于将多个压缩距离域样本变换成多个2D压缩方位域样本。

4.根据权利要求2所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述信号合成器子系统是基于现场可编程门阵列FPGA的数字信号合成器。

5.根据权利要求4所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述信号合成器是包括输入模块、数字逻辑模块及至少一个数模转换器的可再配置基带数字信号合成器。

6.根据权利要求5所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述输入模块包括参考时钟及串行接口。

7.根据权利要求5所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述数字逻辑模块包括：

多个内部寄存器，其用于提供再配置能力；

直接数字合成器DDS核心；

频率分布图生成器，其用于生成所述DDS核心所需的调谐字及产生所需基带输出信号；

有限状态机FSM，其用于同步所述信号合成器的操作序列；

时序控制单元TCU，其用于生成多个时钟信号，所述TCU电连接到所述输入模块的所述参考时钟；以及

时钟分配器，其用于分配所述多个时钟信号，

其中所述所需基带输出信号是呈将由所述至少一个数模转换器转换成模拟格式的数字格式。

8.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统包括多频带天线及射频RF收发器，所述射频RF收发器电连接到所述基带合成孔径雷达SAR子系统。

9.根据权利要求8所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统是多频带、高线性且低相噪调频连续波FMCW雷达系统。

10.根据权利要求8所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统包括调频连续波FMCW信道。

11.根据权利要求10所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括：

高分辨率斜坡生成器锁相环PLL，其用于提供高线性FMCW波形；

使用宽频带电压控制振荡器VCO，其中VCO输出相位被馈送到可编程小数分频器中；以及

倍频器，其用于将频率范围扩大至少一个因子以提供从大约2000MHz到大约24000MHz的范围中的多频带可再配置扫频；

其中电压控制振荡器VCO的所述输出是高度线性且低相噪FMCW波形，且电压控制振荡器VCO的所述输出的中心频率可在大约500MHz到大约6000MHz的范围中的宽频率频带内编程。

12.根据权利要求11所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述锁相环PLL包括低噪声相频检测器，且所述低噪声相频检测器比较所述电压控制振荡器VCO相位与参考相位且调整所述电压控制振荡器VCO以保持至少一个相位为匹配的。

13.根据权利要求12所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括：

高功率放大器HPA，其用于放大所述调频连续波FMCW信号，且所述FMCW信号是通过多频带发射天线而发射；

接收天线，其用于接收返回信号；

低噪声放大器LNA，其用于放大所述返回信号；以及

正交混频器，其用于混频所述传入的接收信号与发射信号的一部分以降频转换成中频IF信号，且所述中频IF信号是由所述模数转换器ADC转换成多个数字样本且存储在所述数据记录器115中以供处理；

其中可在多频带频率上以高线性度及低相噪数字式地再配置所述调频连续波FMCW信号的扫频，所述多频带频率例如从选自UHF、L及S频带的低微波频率到选自C、X及Ku频带的多个高微波频率。

14.根据权利要求13所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括射频RF混频器，其用于混频所述中频IF信号与接收自发射器链的调频连续波FMCW线性调频信号以形成基带信号。

15.根据权利要求12所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括中频IF放大器及滤波器以用于所述基带信号的信号调节。

16.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述扫描子系统的所述扫描构件进一步包括3D合成孔径雷达SAR扫描器以在垂直及水平方向上进行测量，以生成地下剖面图及干涉图。

17.根据权利要求16所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述SAR扫描器是机动化的双轴扫描器以在两个方向上扫描。

18.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述扫描子系统进一步包括扫描平台，所述扫描平台包括用于电动机控制的嵌入式控制器。

19.根据权利要求18所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述嵌入式控制器电连接到所述信号合成器。

20.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述电源是机电电源。

21.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述电源是太阳能电源。

22.根据权利要求21所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述太阳能电源包括：

多个太阳能电池板；

充电控制器，其电连接到所述至少一个太阳能电池板；

用于给所述扫描构件加电的电池，所述电池电连接到所述充电控制器以控制所述电池的充电；

DC-AC电力逆变器，其电连接到所述电池；以及

电连接到所述DC-AC电力逆变器的至少一个指定电负载装置，其中所述充电控制器并联连接到所述多个太阳能电池板。

23.根据权利要求2所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述雷达剖面测量仪系统进一步包括远程数据控制及检索系统。

24.根据权利要求23所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述远程数据控制及检索系统包括：

图形用户界面GUI模块；

单板计算机，其用于安装及执行所述GUI模块，其中所述单板计算机包括处理模块以执行指令集，以从所述扫描构件收集实时雷达数据且经由通信网络将所述已收集数据发送到所述嵌入式雷达处理子系统；

调制解调器，其连接到所述单板计算机；

至少一个环境传感器，其用于确定环境状况；以及

电源，其用于给所述远程数据控制及检索系统提供电力。

25.根据权利要求23所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述调制解调器是GSM调制解调器。

26.一种用于通过使用雷达系统来监测地表及地下的方法，所述方法包括以下步骤：

发射多个信号以完成区域的扫描，每一次扫描包括发射多个载波频率的调频连续波FMCW信号的序列；

确定所述扫描是否是对所述区域的新扫描；

处理响应于所述多个信号中的每一信号接收的多个回波信号并将其存储作为数据，其中每一次扫描包括创建多个数字文件；

将所述数据转换成多个合成孔径雷达SAR图像；以及

存储每一合成孔径雷达SAR图像；以及

确定所述存储的合成孔径雷达SAR图像是否是所述区域的新的合成孔径雷达SAR图像。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述存储的合成孔径雷达SAR图像是所述区域的新的合成孔径雷达SAR图像，所述方法进一步包括以下步骤：对所述多个合成孔径雷达SAR图像中的每一合成孔径雷达SAR图像执行干涉法合成孔径雷达InSAR处理，及在所述区域的检测图中更新变化。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述处理及存储回波信号的步骤包括：

通过将所述数字化数据存储在以日期及时间信息标记的文件夹中来创建数据分级结构；以及

以两列格式布置每个调频连续波FMCW信号的所述数据，所述两列格式包括用于I信道(同相)的第一列及用于Q信道(正交相位)的第二列，其中所述数据是基于多个参数而布置。

29.根据权利要求26所述的方法，其中所述将所述数据转换成多个合成孔径雷达SAR图像的步骤包括：

从所述多个文件中的每一文件检索所述数据；

将原始数据转换成用于每一文件的时间序列信号；

通过将FMCW信号转换到频域且将频率改变成距离标度来执行距离压缩；

计算用于聚焦的所需合成长度且在方位域中执行补零；

计算距离信号参考且在2D频域中执行二次距离压缩；

计算方位信号参考且在距离多普勒域中执行方位压缩；

将每一信号转换到空间域；以及

减小用于具体观察关注区域的图像大小。

30.根据权利要求27所述的方法，其中所述对所述多个合成孔径雷达SAR图像中的每一合成孔径雷达SAR图像执行干涉法合成孔径雷达InSAR处理的步骤包括：

从所述数据库检索合成孔径雷达SAR图像且更新振幅弥散指数ADI；

基于ADI选择永久散射体PS及PS候选者PSC且更新PS/PSC网络；

更新观察方差且基于观察方差计算歧义指数；

执行2D空间展开；

使用卡尔曼滤波器计算歧义的概率且更新空间展开解；以及

确定是否已找到最优解。

31.根据权利要求29所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：空间整合永久散射体PS，及生成干涉法合成孔径雷达InSAR图像。

32.一种用于通过雷达时序控制器RTC及高速模数转换器ADC获取数据的方法，所述方法包括以下步骤：

通过由所述雷达时序控制器RTC获得对模数转换器ADC的控制处置来起始数据获取过程；

等待来自外部时序控制单元的触发器信号；以及

以指定时钟速率及样本数目采样模数转换器ADC。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述方法进一步包括随着每一触发同时采样I信道及Q信道两者处的信号的步骤。

34.根据权利要求26所述的方法，其中所述多个载波频率是选自包括由C、X及Ku频率频带组成的多个高频微波、由UHF、L及S频率频带组成的多个低频微波及其组合的群组。

35.一种用于通过使用雷达剖面测量系统监测潜在危害区域中的自然灾害的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述雷达系统安装到远离所述潜在危害区域的固定平台上；

以预定义时间间隔执行定期监测；

以高精度变化检测能力生成场景的3D图像；以及

经由无线网络将所述3D图像发送到数据中心及/或监测机构。