CN109581368B - 一种旋转微变监测雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种旋转微变监测雷达系统，包括：信号收发系统，用于监测场景区域并相应产生脉冲信号；数字云台，与信号收发系统转动连接，以能够带动所述信号收发系统旋转并监测不同范围的场景区域；天线系统，用于接收并辐射所述雷达产生的脉冲信号，同时接收由脉冲信号产生的回波信号，并将所述回波信号输入至所述信号收发系统中；控制系统，用于控制所述数字云台的转动以及控制所述天线系统的接收状态及辐射状态的切换，同时所述控制系统还用于接收及匹配存储所述数字云台的角度信息及所述信号收发系统在所述角度信息表征的角度位置上监测得到的回波数据，并将存储的数据发送至监测站。本申请的旋转微变监测雷达系统能够灵活改变监测范围。

Description

一种旋转微变监测雷达系统
技术领域
本申请实施例涉及雷达监测领域，特别涉及一种旋转微变监测雷达系统。
背景技术
针对边坡形变的安全监测是指对一定范围内岩体及土体的位移、沉降、滑坡、倾斜或建筑物、构筑物及其地基等形变所进行的测量工作，其监测的主要目的是应用各种测量手段，测定形变体的形状、位置在时域、空域中的变化特征，并解释其发生的原因，了解和掌握灾害的演变过程；目前，采用微波雷达的监测技术是目前主流的监测手段。
目前，国内外现有的微变监测雷达系统的实现方式分为两大类：一是通过轨道运动来合成长孔径天线，二是通过实孔径扫描的方式；通过轨道运动来合成长孔径天线的微变监测雷达系统主要有欧盟综合研究中心(JRC)研制LISA系统、意大利IDS公司的IBIS—L系统、荷兰FASTGBSAR系统，雷达主机在线性轨道做线性运动来合成长孔径天线，从而实现方位向的高分辨率，利用雷达主机发射信号实现距离向的分辨率，至此获得了被监测范围的二维图像，根据生成的图像来提取形变的信息对观测区域进行形变监测；通过实孔径扫描来实现微变监测雷达有南非的MSR系统、瑞士GAMMA便携式雷达干涉仪，系统先对边坡面进行分区域的扫描成像，然后将每个区域的扫描监测结果与之前获得的扫描监测数据进行比较，最终提取出形变信息。
而依靠线性轨道运动来实现微变检测的雷达系统其缺陷主要有两个，一是监测范围只能为线性轨道的正前方区域，对线性轨道斜前方区域监测不到，导致监测范围存在局限性，若想要扩大监测范围，需要多套监测雷达配合监测，这不仅增加应用成本而且由于实际监测范围不规则，多套设备同时监测，导致监测范围可能会重叠，降低设备利用率；二是为监测范围固定不变，导致监测区域的选择不灵活。
申请内容
本申请提供了一种能够灵活改变监测范围的旋转微变监测雷达系统。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种旋转微变监测雷达系统，其特征在于，包括：
信号收发系统，其用于监测场景区域并相应产生脉冲信号；
数字云台，其与信号收发系统转动连接，以能够带动所述信号收发系统旋转并监测不同范围的场景区域；
天线系统，其用于接收并辐射所述雷达产生的脉冲信号，同时接收由脉冲信号产生的回波信号，并将所述回波信号输入至所述信号收发系统中；
控制系统，其用于控制所述数字云台的转动以及控制所述天线系统的接收状态及辐射状态的切换，同时所述控制系统还用于接收及匹配存储所述数字云台的角度信息及所述信号收发系统在所述角度信息表征的角度位置上监测得到的回波数据，并将存储的数据发送至监测站。
作为优选，所述信号收发系统包括：
频率源，其用于根据监测结果产生相应地脉冲信号；
发射机模块，其用于调制所述脉冲信号以产生发射信号，并将所述发射信号输入至所述天线系统中以进行辐射；
接收机模块，其用于接收所述天线系统接收的回波数据，并将所述回波数据输入至控制系统中。
作为优选，所述信号收发系统还包括频率可调本振，其用于按照用户设定的参数输出匹配用户要求的固定频率信号至所述发射机模块及接收机模块中，以使所述发射机模块和接收机模块能够基于所述固定频率信号而分别对应调制发射频率及接收频率。
作为优选，所述频率源具有数字处理器，其用于根据用户设置的脉冲持续时间Tr、调频率Kr，计算生成波形回放数据存储在存储器中，并调用存储的所述波形回放数据注入到高速D\A中，从而生成模拟的线性调频脉冲基带信号，其信号表达式为：
Sb(t)＝cos(πKrt2)
其中，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr。
作为优选，所述发射机模块中包括滤波器、上混频器及第一放大器，当所述频率源产生脉冲信号后经所述滤波器滤波后与所述频率可调本振产生的固定频率信号一同经所述上混频器处理后，产生调制后的发射信号，其表达式为：
其中，fc为系统工作频率，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr；
所述发射信号经所述第一放大器进行功率放大后输入至所述天线系统中，使经所述天线系统发射出。
作为优选，所述接收机模块包括偏置电路、下混频器、第二放大器、数控滤波器、中频滤波器及I/Q解调器，所述频率可调本振产生的固定频率信号通过所述偏置电路产生频率为fc+fIF的信号，同时所述数控滤波器接收到所述天线系统接收的回波信号后进行滤波，并通过所述第二放大器后与所述fc+fIF信号一同经所述下混频器、中频滤波器过滤，其中，所述回波信号经过滤前的表达式为：
经过滤后的所述回波信号为：
其中n＝1,2,…N，Rn为第n个待监测目标距离所述收发系统的距离信息，fIF为中频信号，Sr1(t)作为I/Q解调器的输入信号，解调后生成I、Q两路基带回波信号并输入至所述控制系统中。
作为优选，所述信号收发系统还包括数字子系统，其用于对I、Q两路基带回波信号融合成待处理的基带信号并进行存储和传输，其中，所述待处理的基带信号的表达式为：
作为优选，所述控制系统包括工控机和具有上位机软件的上位机，所述工控机用于存储及发送所述回波信号至监测站，同时能够根据所述回波信号而生成控制指令至所述上位机中，使通过所述上位机控制所述数字云台旋转，当所述数字云台旋转结束时，所述工控机会控制所述频率源进行场景监测并产生匹配地所述脉冲信号。
作为优选，所述数字云台包括用于装设信号收发系统的底座，以及与所述信号收发系统相连用于带动所述信号收发系统旋转的伺服电机和用于根据所述控制系统的指令而控制所述伺服电机的驱动控制器。
作为优选，所述天线系统包括天线及与所述天线电连接的环形器，所述天线系统设于所述数字云台上，所述环形器与所述控制系统电连接以用于在所述控制系统的控制下切换所述天线的状态，使所述天线在完成一次回波信号的接收后便处于发射状态，而在发射脉冲信号后则处于接收状态。
基于上述实施例的公开可以获知，本申请实施例的有益效果在于能够扩大监测视野范围，实现360°全方位区域监测，而且也可以灵活选择监测区域，从而克服了传统地基微变雷达仅能够以固定区域进行监测的技术缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例中的旋转微变监测雷达系统的结构框图。
图2为本发明实施例中的旋转微变监测雷达系统的结构关系图。
图3为本发明实施例中的旋转微变监测雷达系统的部分运行关系图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。
应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
下面，结合附图详细的说明本申请实施例。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种旋转微变监测雷达系统，包括：
信号收发系统，其用于监测场景区域并相应产生脉冲信号；
数字云台，其与信号收发系统转动连接，以能够带动信号收发系统旋转并监测不同范围的场景区域；
天线系统，其用于接收并辐射雷达产生的脉冲信号，同时接收由脉冲信号产生的回波信号，并将回波信号输入至信号收发系统中；
控制系统，其用于控制数字云台的转动以及控制天线系统的接收状态及辐射状态的切换，同时控制系统还用于接收及匹配存储数字云台的角度信息及信号收发系统在角度信息表征的角度位置上监测得到的回波数据，并将存储的数据发送至监测站。
本发明实施例中的旋转雷达监测系统通过采用旋转控制的方式带动信号收发系统，即，带动雷达进行形变监测，相对于常规的监测方法有全天时、全天候、高效率、捷变频、无人值守、非接触、大面积、远距离、实时监测、无需人工布设、高精度、高动态、高灵敏、机动式、抗干扰、可扩展、多功能、可兼容、可重构，以及不受恶劣环境和气候影响的有益效果；而且，相对于线性轨道雷达及固定式雷达，具有监测角度广达到360°，监测面积大且可灵活转变的效果，提高监测效率及精度。另外，本实施例中在监测的过程中能够产生多频段信号，属于多频段共用信号收发系统，即多频段共用信号雷达。
具体地，本实施例中的信号收发系统包括：
频率源，其用于根据监测结果产生相应地脉冲信号；
发射机模块，其用于调制脉冲信号以产生发射信号，并将发射信号输入至天线系统中以进行辐射；
接收机模块，其用于接收天线系统接收的回波数据，并将回波数据输入至控制系统中。
进一步地，信号收发系统还包括频率可调本振，其用于按照用户设定的参数输出匹配用户要求的固定频率信号至发射机模块及接收机模块中，以使发射机模块和接收机模块能够基于固定频率信号而分别对应调制发射频率及接收频率。
进一步地，频率源具有数字处理器，其用于根据用户设置的脉冲持续时间Tr、调频率Kr，计算生成波形回放数据存储在存储器中，并调用存储的波形回放数据注入到高速D\A中，从而生成模拟的线性调频脉冲基带信号，其信号表达式为：
Sb(t)＝cos(πKrt2)
其中，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr。
发射机模块中包括滤波器、上混频器及第一放大器，当频率源产生脉冲信号后经滤波器滤波后与频率可调本振产生的固定频率信号一同经上混频器处理后，产生调制后的发射信号，其表达式为：
其中，fc为系统工作频率，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr；
发射信号经第一放大器进行功率放大后输入至天线系统中，使经天线系统发射出。
进一步地，接收机模块包括偏置电路、下混频器、第二放大器、数控滤波器、中频滤波器及I/Q解调器，频率可调本振产生的固定频率信号通过偏置电路产生频率为fc+fIF的信号，同时数控滤波器接收到天线系统接收的回波信号后进行滤波，并通过第二放大器后与fc+fIF信号一同经下混频器、中频滤波器过滤，其中，回波信号经过滤前的表达式为：
经过滤后的回波信号为：
其中n＝1,2,…N，Rn为第n个待监测目标距离收发系统的距离信息，fIF为中频信号，Sr1(t)作为I/Q解调器的输入信号，解调后生成I、Q两路基带回波信号并输入至控制系统中。
进一步地，信号收发系统还包括数字子系统，其用于对I、Q两路基带回波信号融合成待处理的基带信号并进行存储和传输，其中，待处理的基带信号的表达式为：
进一步地，控制系统包括工控机和具有上位机软件的上位机，工控机用于存储及发送回波信号至监测站，同时能够根据回波信号而生成控制指令至上位机中，使通过上位机控制数字云台旋转，当数字云台旋转结束时，工控机会控制频率源进行场景监测并产生匹配地脉冲信号。
进一步地，数字云台包括用于装设信号收发系统的底座，以及与信号收发系统相连用于带动信号收发系统旋转的伺服电机和用于根据控制系统的指令而控制伺服电机的驱动控制器。
进一步地，天线系统包括天线及与天线电连接的环形器，天线系统设于数字云台上，环形器与控制系统电连接以用于在控制系统的控制下切换天线的状态，使天线在完成一次回波信号的接收后便处于发射状态，而在发射脉冲信号后则处于接收状态。
具体地，如图3所示，实际应用时，步骤如下：
步骤S1：系统初始化，对控制系统、数字云台、收发系统以及用于传输采集数据的远程传输系统进行上电初始化并运行自检程序，检查各自中的各模块是否存在异常，若正常，执行步骤S2，若不正常，停止工作；
步骤S2：设置系统参数，通过控制系统中的上位机软件实现对数字云台角度范围、旋转刻度Δα的设置和收发系统中的各个模块的参数设置。
步骤S3：设置旋转雷达系统的工作次数变量SysCom＝1和工作总次数SysTotal，即，监测周期的次数；
步骤S4：回波数据的获取，由收发系统中产生脉冲信号通过天线系统向外辐射，待发射结束时利用环行器切换通道使天线系统处于接收状态，接收的回波信号通过接收通道进入信号收发系统，对接收的回波信号进行采集、处理、存储等过程结束后，控制系统向数字云台发送控制信号，使数字云台旋转Δα，继而准备完成下一角度位置的采集任务。
步骤S5:循环迭代，令SysCom加1，若SysCom≤SysTotal，继续执行步骤S4；若SysCom≥SysTotal，系统运行完毕，完成当前监测区域的场景的一次观测周期的数据采集；
步骤S6：回波数据处理，对步骤S4、步骤S5采集到的回波数据进行一维距离像的压缩，然后将数据由极坐标矫正到直角坐标中，能够对扫描区域进行二维成像，利用干涉处理技术进行形变提取，绘制监测对象的形变曲线，此时系统完成一次观测周期的数据采集与处理。
步骤S7：循环迭代，以上步骤为系统完成一次观测周期数据的采集与处理，为了获取监测对象的形变发展趋势，需要对场景的不同角度区域分别进行至少一次扫描，因此需重复上述步骤S3、S4、S5、S6。
也即是，控制系统中的工控机的网口端与路由器相连接，数字子系统将解调处理后的数据通过路由器传输到工控机中并进行存储，待存储结束后，通过上位机软件向数字云台发送控制指令，数字云台中的驱动控制器检测到控制指令后，驱动伺服电机按照系统初始化时设定的参数旋转Δα，待旋转结束后驱动控制器会向控制系统发送一个反馈信号，此信号包含数字云台当前的角度位置信息。控制系统检测到此反馈信号时将此信号与采集的回波数据匹配存储，然后通过路由器向频率源传输发射信号指令，频率源中的处理芯片检测到此指令后产生并发射基带信号来完成下一个时刻的位置场景回波信号的采集；与此同时，工控机向远程传输系统发送当前观测周期采集的场景回波数据，远程传输系统将此数据通过4G网络、有线网络、WIFI等传输方式传送到监测站中供工作人员分析处理。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数据处理方法所应用于的电子设备，可以参考前述产品实施例中的对应描述，在此不再赘述。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种旋转微变监测雷达系统，其特征在于，包括：
信号收发系统，其用于监测场景区域并相应产生脉冲信号，多频段共用所述信号收发系统；
数字云台，其与信号收发系统转动连接，以能够带动所述信号收发系统旋转并监测不同范围的场景区域；
天线系统，其用于接收并辐射所述雷达产生的脉冲信号，同时接收由脉冲信号产生的回波信号，并将所述回波信号输入至所述信号收发系统中；
控制系统，其用于控制所述数字云台的转动以及控制所述天线系统的接收状态及辐射状态的切换，同时所述控制系统还用于接收及匹配存储所述数字云台的角度信息及所述信号收发系统在所述角度信息表征的角度位置上监测得到的回波数据，并将存储的数据发送至监测站；
所述天线系统包括天线及与所述天线电连接的环形器，所述天线系统设于所述数字云台上，所述环形器与所述控制系统电连接以用于在所述控制系统的控制下切换所述天线的状态，使所述天线在完成一次回波信号的接收后便处于发射状态，而在发射脉冲信号后则处于接收状态；
所述信号收发系统包括接收机模块，其用于接收所述天线系统接收的回波数据，并将所述回波数据输入至控制系统中；所述信号收发系统还包括频率可调本振；
所述接收机模块包括偏置电路、下混频器、第二放大器、数控滤波器、中频滤波器及I/Q解调器，所述频率可调本振产生的固定频率信号通过所述偏置电路产生频率为fc+fIF的信号，同时所述数控滤波器接收到所述天线系统接收的回波信号后进行滤波，并通过所述第二放大器后与所述fc+fIF信号一同经所述下混频器、中频滤波器过滤，其中，所述回波信号经过滤前的表达式为：
经过滤后的所述回波信号为：
其中n＝1,2,…N，Rn为第n个待监测目标距离所述收发系统的距离信息，fIF为中频信号，Sr1(t)作为I/Q解调器的输入信号，解调后生成I、Q两路基带回波信号并输入至所述控制系统中。
2.根据权利要求1所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述信号收发系统还包括：
频率源，其用于根据监测结果产生相应地脉冲信号；
发射机模块，其用于调制所述脉冲信号以产生发射信号，并将所述发射信号输入至所述天线系统中以进行辐射。
3.根据权利要求2所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述频率可调本振，其用于按照用户设定的参数输出匹配用户要求的固定频率信号至所述发射机模块及接收机模块中，以使所述发射机模块和接收机模块能够基于所述固定频率信号而分别对应调制发射频率及接收频率。
4.根据权利要求2所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述频率源具有数字处理器，其用于根据用户设置的脉冲持续时间Tr、调频率Kr，计算生成波形回放数据存储在存储器中，并调用存储的所述波形回放数据注入到高速D\A中，从而生成模拟的线性调频脉冲基带信号，其信号表达式为：
Sb(t)＝cos(πKrt2)
其中，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr。
5.根据权利要求3所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述发射机模块中包括滤波器、上混频器及第一放大器，当所述频率源产生脉冲信号后经所述滤波器滤波后与所述频率可调本振产生的固定频率信号一同经所述上混频器处理后，产生调制后的发射信号，其表达式为：
其中，fc为系统工作频率，t为距离向时间变量，且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间，Kr为信号调频率，信号宽带为Br＝KrTr；
所述发射信号经所述第一放大器进行功率放大后输入至所述天线系统中，使经所述天线系统发射出。
6.根据权利要求1所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述信号收发系统还包括数字子系统，其用于对I、Q两路基带回波信号融合成待处理的基带信号并进行存储和传输，其中，所述待处理的基带信号的表达式为：
7.根据权利要求2所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述控制系统包括工控机和具有上位机软件的上位机，所述工控机用于存储及发送所述回波信号至监测站，同时能够根据所述回波信号而生成控制指令至所述上位机中，使通过所述上位机控制所述数字云台旋转，当所述数字云台旋转结束时，所述工控机会控制所述频率源进行场景监测并产生匹配地所述脉冲信号。
8.根据权利要求2所述的旋转微变监测雷达系统，其特征在于，所述数字云台包括用于装设信号收发系统的底座，以及与所述信号收发系统相连用于带动所述信号收发系统旋转的伺服电机和用于根据所述控制系统的指令而控制所述伺服电机的驱动控制器。
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