CN106371083B - 雷达监测点选取方法及装置以及回波信号处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种雷达监测点选取方法及装置，对回波信号连续采样，经混频得到中频信号，进行傅里叶变换和脉冲压缩处理，然后转换为复数形式，在极坐标系下绘制离散点并进行圆拟合，计算拟合误差和脉压幅值，并根据拟合误差和脉压幅值计算融合值，根据融合值及拟合误差选择监测点。本发明还提供一种回波信号处理方法及装置，根据融合值及拟合误差、脉压幅值选择监测点。利用本发明，可筛选出信杂比高、散射强度高且具有稳定相位的回波信号的监测点，可满足形变测量需求，去除静杂波，提高大型建筑物形变测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达监测点选取方法，尤其涉及一种大型建筑物形变测量中的雷达监测点选取方法。
背景技术
近年来，由于雷达系统具有测量精度高、监测区域广、可接触或无接触测量、全天候工作、使用方便等优点，利用雷达技术实现对目标物体进行连续、精确的监测已得到广泛应用。
雷达监测点的选取在雷达测距中有着至关重要的作用。对于不同的监测点，回波信号的质量不同，信杂比不同。对于大型建筑物的形变监测，由于要检测较小的形变，因此对回波信号的质量要求较高，从而对监测点的选取提出了较高要求。目前，人们一般根据自身经验来选取合适的监测点，但该方法并不能保证所选监测点符合要求，更严重的是，若监测点选取不当，则极大影响测量的准确性。如何选择具有较好的信号强度、稳定性、信噪比的监测点成为大型建筑物形变测量中是否可实现精确测量的关键问题。
在大型建筑物形变检测的雷达测量系统中，检测到的形变信号实际上是单元内所有散射体后向散射信号的矢量叠加，若能根据散射体后向离散点的信号强度以及稳定性来选取合适的监测点，这将是雷达形变监测领域的又一突破。
发明内容
本发明针对大型建筑物的形变监测中监测点的选取问题，提出一种雷达监测点选取方法及装置以及回波信号处理方法及装置。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种雷达监测点选取方法包括如下步骤：
(1)假定需选择k个监测点，则在被观测目标上设置m个备选监测点，其中m>k，向m个备选监测点发射周期为T的雷达发射信号，采集备选监测点反射的m个回波信号，将雷达发射信号分别与m个回波信号进行混频，得到m个中频信号，其中每个中频信号的周期均为T；
(2)对每个备选监测点，将所述中频信号进行傅里叶变换，再进行脉冲压缩处理，然后转换为复信号；
(3)绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，并计算拟合误差、脉压幅值和融合值，所述融合值为所述脉压幅值与拟合误差的乘积；
(4)选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点。
本发明中，利用脉冲压缩可以提高雷达的作用距离，又保证了较高的距离分辨力；拟合误差越小，反映的是拟合圆的类圆度越大，离散点越稳定。脉压幅值反映了备选监测点的强度。脉压幅值大，则备选监测点的散射强度大。通过综合考虑脉压幅值与拟合误差，可以得到强度大且稳定的监测点。
上述技术方案中，所述步骤(3)中，所述拟合误差为各个离散点与拟合圆圆心之间的距离之差与拟合圆半径的比值的绝对值的均值。
上述技术方案中，所述步骤(3)中，所述脉压幅值为经过傅里叶变换后的中频信号的幅值的平均值。
本发明还提供一种雷达监测点选取装置，其特征在于：所述雷达监测点选取装置用于将周期为T的雷达发射信号与回波信号进行混频得到中频信号，并将所述中频信号进行傅里叶变换，将经过傅里叶变换后的中频信号进行脉冲压缩处理，然后转换为复数形式的复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，计算拟合误差以及脉压幅值，利用拟合误差与脉压幅值计算融合值。
本发明还提供一种回波信号处理方法，所述回波信号处理方法包括如下步骤：
(1)假定需选择k个监测点，则在被观测目标上设置m个备选监测点，其中m>k，向m个备选监测点发射周期为T的雷达发射信号，采集备选监测点反射的m个回波信号，将雷达发射信号分别与m个回波信号进行混频，得到m个中频信号，其中每个中频信号的周期均为T；
(2)对每个备选监测点，将所述中频信号进行傅里叶变换，再进行脉冲压缩处理，然后转换为复数形式的复信号；
(3)绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，并计算拟合误差、脉压幅值和融合值，所述融合值为所述拟合误差和脉压幅值的乘积；
(4)选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点。
(5)计算k个备选监测点静杂波相位分量，所述静杂波相位分量为备选监测点形成的N个离散点圆拟合后的拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量；
(6)对中频信号的相位减去静杂波相位分量，消除静杂波，得到相位补偿后的中频信号；
(7)利用经过相位补偿后的中频信号计算大型建筑物的形变。
由于监测环境和目标的复杂性，地基干涉雷达接收信号中会产生静杂波，静杂波的存在使测得的被测的形变信号发生整体性偏移，直接影响结果的精度和可靠性。静杂波只能通过对监测信号的后续处理进行分析和去除。本发明所提供的回波信号处理方法中，可选取散射强度大且稳定的监测点，然后计算监测点的静杂波，利用静杂波对回波信号进行相位补偿，即可提高测量精度。
本发明还提供一种回波信号处理装置，所述回波信号处理装置用于将周期为T的雷达发射信号与回波信号进行混频得到中频信号，并将所述中频信号进行傅里叶变换，将经过傅里叶变换后的中频信号进行脉冲压缩处理，然后转换为复数形式的复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，计算拟合误差，并利用中频信号计算脉压幅值，利用所述拟合误差与脉压幅值计算融合值，选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点，同时根据拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量来估计静杂波相位分量，并对静杂波进行消除。由此可以提高测量的精确度。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)本发明提供的雷达监测点选取方法及雷达监测点选取装置，可选取信杂比高且回波信号的相位稳定的监测点，因此备选监测点的散射强度大且稳定，保证了测量准确性，可筛选出满足形变测量需求且较优的监测点；
(2)本发明提供的回波信号处理方法及装置，可选取散射强度大且稳定的监测点，并且利用计算得到的静杂波对回波信号进行相位补偿，即可保证大型建筑物形变的测量精度。
附图说明
图1为本发明的雷达监测点选取方法流程图；
图2为本发明的回波信号处理方法流程图。
图3为本发明的实验的监测点a的实验结果图；
图3(a)为本发明的实验的监测点a的圆拟合实验结果图；
图3(b)为本发明的实验的监测点a对应的距离测量实验结果图；
图4为本发明的实验的监测点b的实验结果图；
图4(a)为本发明的实验的监测点b的圆拟合实验结果图；
图4(b)为本发明的实验的监测点b对应的距离测量实验结果图；
图5为本发明的实验的监测点c的实验结果图；
图5(a)为本发明的实验的监测点c的圆拟合实验结果图；
图5(b)为本发明的实验的监测点c对应的距离测量实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
1、雷达监测点选取方法
如图1所示，本发明的雷达监测点选取方法包括如下步骤：
(1)发射雷达信号并采集回波信号
建立雷达形变监测系统，在被观测目标上设置m个监测点，将连续波作为雷达发射信号，并连续采集各个监测点反射的回波信号，并进行A/D转换得到数字信号；
(2)混频
将经过A/D转换后的雷达发射信号与回波信号进行混频，得到中频信号。
(3)回波信号的脉冲压缩处理及复信号表示形式
在脉冲压缩中，在雷达发射机中发射带宽的时宽较大、峰值功率较低的脉冲，通过对载频进行编码以增加发射波形的带宽，从而达到窄脉冲、高峰值功率的简单脉冲体制雷达所具有的距离分辨能力、作用距离和探测性能。
将中频信号进行脉冲压缩，将经过脉冲压缩处理后的中频信号通过正交分解转换为复数形式的复信号Sl(i)＝Il(i)+jQl(i)，其中i＝1,2,...,N，i为连续波的第i个周期，N为连续波的周期数，l＝1,2,...,m，l为第l个监测点，m为监测点的个数，Il(i)为同相分量，Ql(i)为正交分量。
(3)圆拟合与拟合误差计算
将复信号Sl(i)形成的N个离散点绘制在极坐标系下，对离散点进行圆拟合，令拟合圆半径为Rl′。
拟合圆曲线的方法：利用最小二乘法，通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配。最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令误差平方之和为最小。最小二乘法通常用于曲线拟合。最小二乘法拟合圆曲线为：
R2＝(x-A)2+(y-B)2，
令a＝-2A，b＝-2B，c＝A2+B2-R2，则拟合圆曲线的表达式变换为
x2+y2+ax+by+c＝0。
某个监测点的样本集(I(i),Q(i))i∈(1,2,...,N)中心到圆心(A,B)的距离R(i)为：
R2(i)＝(I(i)-A)2+(Q(i)-B)2，
点(I(i),Q(i))到圆边缘的距离的平方和半径平方的差为：
δ(i)＝R2(i)-(R′)2＝(I(i)-A)2+(Q(i)-B)2-(R′)2＝I2(i)+Q2(i)+aI(i)+bQ(i)+c，
令P(a,b,c)为δ(i)的平方和，则：
由上式求出使得P(a,b,c)值最小的a、b、c。并由得到拟合圆的圆心位置及半径。
完成圆拟合后，计算拟合误差。第l个监测点的拟合误差σl定义为N个离散点与拟合圆圆心之间的距离Rl(i)与拟合圆半径Rl′的差值的绝对值与拟合圆半径的比值之和，即拟合误差σl为
σl值越小，表明离散点越稳定；拟合误差越小，反映的是圆的类圆度越大，离散点稳定。
(4)计算脉压幅值
将步骤(1)中采集的回波信号作傅里叶变换后取绝对值，并求平均值构成脉压幅值，脉压幅值越大表明散射强度越大。
一个周期内的回波信号傅里叶变换一个周期内信号的幅值A＝|S(f)|，则脉压幅值：
复信号Sl(i)的幅值即为散射信号的强度，A(i)离散点信号越强，即回波信号的信杂比越大；反映了在距离R处的回波的信杂比，信杂比越大，反映出离散点越强。
(5)计算融合值
取离散点中的最大拟合误差与各个离散点拟合误差的差值与脉压幅值的乘积，完成拟合误差与脉压值的融合，得到融合值为[max(σl(i))-σl(i)]×Al(i)，作为选择合理监测点的指标，该值越大，反映出备选监测点的散射强且稳定，即可筛选出更利于形变监测的监测点；
(6)选定监测点
选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点。
2、雷达监测点选取装置
本发明中的雷达监测点选取装置用于处理监测点反射的回波信号，所述雷达监测点选取装置用于将回波信号转换为复数形式的复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的离散点，对离散点进行圆拟合，计算拟合误差，并利用回波信号计算脉压幅值，利用拟合误差与脉压幅值计算融合值，所述融合值为离散点中的最大拟合误差与各个离散点拟合误差的差值与脉压幅值的乘积。
3、回波信号处理方法
由于监测环境和目标的复杂性，地基干涉雷达接收信号中会产生静杂波，不同于海杂波、地杂波等背景杂波，静杂波产生的主要原因是天线辐射范围内、同一个距离分辨单元多个独立散射体的相互作用，只能通过对监测信号的后续处理进行分析和去除。静杂波的存在使测得的被测的形变信号发生整体性偏移，直接影响结果的精度和可靠性。理想中的拟合圆圆心应在极坐标原点，以该形变散射体信号强度为半径的圆曲线上，而实际中，静杂波的存在使得每个时刻采样的相位复矢量均加入了一个静杂波相位分量。因此，可以通过对实际得到的相位复矢量末端点拟合圆曲线来估计静杂波相位分量，即拟合圆曲线圆心偏离极坐标系原点的矢量。计算得到静杂波相位分量后，可通过对该相位分量进行补偿对其进行消除。
如图2所示，本发明的回波信号处理方法包括如下步骤：
(1)发射雷达信号并采集回波信号
与雷达监测点选取方法中的步骤类似，不再赘述。
(2)混频
与雷达监测点选取方法中的步骤类似，不再赘述。
(3)回波信号的脉冲压缩处理及复信号表示形式
与雷达监测点选取方法中的步骤类似，不再赘述。
(4)圆拟合与拟合误差计算
与雷达监测点选取方法中的步骤类似，不再赘述。
(5)计算静杂波相位分量
静杂波相位分量为备选监测点形成的N个离散点圆拟合后的拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量。
(6)相位补偿
理想中的拟合圆圆心应在极坐标原点，以该形变散射体信号强度为半径的圆曲线上，而实际中受静杂波影响，拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量即为静杂波相位分量。因此，计算得到静杂波相位分量后，通过静杂波相位分量对回波信号进行相位补偿，将中频信号的相位减去静杂波相位分量，得到相位补偿后的中频信号。
(7)利用相位补偿后的回波信号计算形变。
利用经过补偿后的中频信号，采用常规的雷达监测领域中常用的信号处理方法，即可进行相应的形变计算。
4、回波信号处理装置
回波信号处理装置所述回波信号处理装置用于将周期为T的雷达发射信号与回波信号进行混频得到中频信号，并将中频信号进行傅里叶变换，将经过傅里叶变换后的中频信号进行脉冲压缩处理，然后转换为复数形式的复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合，计算拟合误差，并利用中频信号计算脉压幅值，利用拟合误差与脉压幅值计算融合值，选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点，计算拟合圆心到坐标原点的相位矢量，即为静杂波，通过对该相位矢量进行补偿，实现静杂波的去除。
5、实验验证
实验中，假定需选择两个监测点，则利用本发明的方法，在被观测目标上设置3个备选监测点，即监测点a、监测点b、监测点c，向各个备选监测点发射周期为T的雷达发射信号，采集备选监测点反射的回波信号，将雷达发射信号分别与回波信号进行混频，得到中频信号。对每个备选监测点，将中频信号进行傅里叶变换，再进行脉冲压缩处理，然后转换为复数形式的复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的离散点，对离散点进行圆拟合，图3(a)、图4(a)、图5(a)分别为监测点a、监测点b、监测点c对应的圆拟合结果。
计算得到监测点a、监测点b、监测点c的融合值分别为10455.0434、1309.023、9940.118。由图中可以看出，监测点b的圆拟合误差不符合要求，因此舍弃监测点b，仅选择监测点a、监测点c作为选定监测点。
图3(b)、图4(b)、图5(b)分别为监测点a、监测点b、监测点c对应的距离测量实验结果，即位移随时间变化图。从图中也可以看出，监测点a、监测点c的测量效果较好，而监测点b测量效果较差，也验证了本发明方法的效果。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种雷达监测点选取方法，其特征在于：所述雷达监测点选取方法包括如下步骤：
(1)假定需选择k个监测点，则在被观测目标上设置m个备选监测点，其中m>k，向m个备选监测点发射周期为T的雷达发射信号，采集备选监测点反射的m个回波信号，将雷达发射信号分别与m个回波信号进行混频，得到m个中频信号，其中每个中频信号的周期均为T；
(2)对每个备选监测点，将所述中频信号进行傅里叶变换，再进行脉冲压缩处理，然后转换为复信号；
(3)绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，并计算拟合误差、脉压幅值和融合值，所述融合值为所述脉压幅值与拟合误差的乘积；
(4)选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点。
2.根据权利要求1所述的雷达监测点选取方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述拟合误差为各个离散点与拟合圆圆心之间的距离之差与拟合圆半径的比值的绝对值的均值。
3.根据权利要求1所述的雷达监测点选取方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述脉压幅值为经过傅里叶变换后的中频信号的幅值的平均值。
4.一种雷达监测点选取装置，其特征在于：所述雷达监测点选取装置用于将周期为T的雷达发射信号与回波信号进行混频得到中频信号，并将所述中频信号进行傅里叶变换，将经过傅里叶变换后的中频信号进行脉冲压缩处理，然后转换为复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，计算拟合误差以及脉压幅值，利用拟合误差与脉压幅值计算融合值。
5.一种回波信号处理方法，其特征在于：所述回波信号处理方法包括如下步骤：
(1)假定需选择k个监测点，则在被观测目标上设置m个备选监测点，其中m>k，向m个备选监测点发射周期为T的雷达发射信号，采集备选监测点反射的m个回波信号，将雷达发射信号分别与m个回波信号进行混频，得到m个中频信号，其中每个中频信号的周期均为T；
(2)对每个备选监测点，将所述中频信号进行傅里叶变换，再进行脉冲压缩处理，然后转换为复信号；
(3)绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，并计算拟合误差、脉压幅值和融合值，所述融合值为所述脉压幅值与拟合误差的乘积；
(4)选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点；
(5)计算k个备选监测点静杂波相位分量，所述静杂波相位分量为备选监测点N个离散点圆拟合后的拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量；
(6)对中频信号的相位减去静杂波相位分量，消除静杂波，得到相位补偿后的中频信号；
(7)利用经过相位补偿后的中频信号计算大型建筑物的形变。
6.一种回波信号处理装置，其特征在于：所述回波信号处理装置用于将周期为T的雷达发射信号与回波信号进行混频得到中频信号，并将所述中频信号进行傅里叶变换，将经过傅里叶变换后的中频信号进行脉冲压缩处理，然后转换为复信号，绘制复信号在极坐标系下形成的N个离散点，对离散点进行圆拟合得到拟合圆，计算拟合误差以及脉压幅值，利用所述拟合误差与脉压幅值计算融合值，选择融合值最大的前k个备选监测点作为选定监测点，同时根据拟合圆圆心偏离极坐标原点的矢量来估计静杂波相位分量，并对静杂波进行消除。
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