CN109856633A

CN109856633A - 一种模块化地基边坡雷达监测系统

Info

Publication number: CN109856633A
Application number: CN201811622810.5A
Authority: CN
Inventors: 王韬; 何秀凤; 杨朔; 符依苓; 于彦涛; 顾玲榛
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109856633B

Abstract

本发明公开一种模块化地基边坡雷达监测系统，由模块化地基边坡雷达、PSD相机、边坡构成；模块化地基边坡雷达由组合反射阵面、初级馈源、收发信道以及数据处理模块构成，组合反射阵面由若干个模块反射阵面拼接构成，每个模块反射阵面由3个以上不共线的特征光点和若干个基本反射单元构成；PSD相机用于快速测量每个基本反射单元的位置坐标。初级馈源辐射电磁波，照射组合反射阵面，通过调节每个基本反射单元的相位补偿量，在指定方向上形成高增益笔形波束，对边坡及关键监测点进行快速电扫描，并接收回波信号，经收发信道后，送给数据处理模块，得到三维雷达图像与干涉相位图，计算边坡位移形变量。

Description

一种模块化地基边坡雷达监测系统

技术领域

本发明属于防灾减灾技术领域，涉及一种模块化地基边坡雷达监测系统。

背景技术

我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一，各种滑坡灾害(例如：露天矿边坡滑坡、山体滑坡、大坝滑坡、尾矿坝边坡滑坡)时有发生，滑坡事故往往造成严重的后果，经济损失巨大，人员伤亡惨重。为研究边坡滑坡的触发机理并实现快速准确的预测预报，迫切需要有效的滑坡监测仪器与设备。

边坡雷达使用雷达波束扫描观测区域得到雷达图像，通过对不同时间的图像相位干涉处理提取相位变化信息，实现边坡表面微小形变的高精度测量。相比于传统的监测设备，边坡雷达无需在目标区进行测量点布设，具有如下优点：(1)大范围空间的连续监测，一般的监测范围可达数平方公里，可获得监测区域内的空间连续形变信息，与传统的离散点监测方法相比，更容易分析出目标区域的形变信息；(2)非接触式远距离测量，边坡雷达通过主动发射电磁波实现对目标区域的远距离监测，无需在目标区域表面安装任何附属设备，从而避免了人工进入危险区域建立基准点或者监测网等，有利于保障工作人员的安全。

目前用于边坡监测的雷达有两种类型：(1)地基实孔径边坡雷达、(2)地基合成孔径雷达。地基实孔径边坡雷达以澳大利亚GROUNDPROBE公司的SSR(Slope StabilityRadar)雷达为代表，地基合成孔径雷达以意大利IDS公司的IBIS(Image ByInterferometric Survey)雷达为代表。地基实孔径边坡雷达通过机械伺服系统调整天线波束指向，在方位向和俯仰向进行扫描，可以得到边坡的三维雷达图像。地基合成孔径雷达通过在精密线性导轨(例如2m长的直线轨道)上移动天线实现方位向的扫描，得到二维雷达图像。

这些雷达在实际使用中存在如下问题：(1)雷达成像时间慢，地基实孔径边坡雷达使用伺服系统转动大孔径天线(抛物面天线)实现波束扫描，扫描速度很慢；地基合成孔径雷达在精密导轨上移动天线等效成虚拟大孔径天线实现波束扫描，扫描速度较慢；(2)升级扩展能力差，地基实孔径边坡雷达角分辨率为δθ_a＝λ/D，在距离R处的方位向分辨率为δR_a＝(λ/D)R，这里的λ为雷达波长，D为天线孔径。如要提高方位向分辨率，则需要加大天线的尺寸D，而大天线及相应的伺服控制系统加工制作非常困难，使用起来也不方便，无法安装在移动平台上，转动扫描也很困难；假设地基合成孔径雷达收发天线孔径为D，轨道长度为L，则地基合成孔径边坡雷达角分辨率为δθ_a＝λ/(2·L)，在距离R处的方位向分辨率为δR_a＝(λ/2L)R，如要提高方位向分辨率，则需要增加轨道长度L，其最大的有效合成孔径长度L_max＝(λ/D)R，分辨率为δR_a＝D/2，如要进一步提高分辨率，只有减小单元天线的孔径D，从而天线的增益减小了，雷达回波的信噪比就会降低。(3)植被穿透能力差，地基实孔径边坡雷达SSR工作于X波段，地基合成孔径边坡雷达工作于Ku波段，这些雷达都不适合于测量有植被覆盖的边坡；(4)安装使用不方便，传统的地基实孔径边坡雷达天线尺寸大，传统的地基合成孔径雷达轨道长，都比较笨重，携带运输不方便，无法快速抵达现场，从布置安装到投入使用时间间隔较长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模块化地基雷达边坡监测系统。本发明提供如下技术方案：

整个测量系统由模块化地基边坡雷达、PSD相机、边坡构成；模块化地基边坡雷达由组合反射阵面、初级馈源、收发信道以及数据处理模块构成，组合反射阵面由若干个模块反射阵面拼装构成，每个模块反射阵面由3个以上不共线的特征光点和若干个基本反射单元构成；PSD相机用于快速测量每个基本反射单元的位置坐标。初级馈源辐射电磁波，照射组合反射阵面，通过调节每个基本反射单元的相位补偿量，在指定方向上形成高增益笔形波束，对边坡及关键监测点进行快速电扫描，并接收回波信号，经收发信道后，送给数据处理模块，得到三维雷达图像与干涉相位图，计算边坡位移形变量。

本发明的有益效果在于：(1)雷达成像时间快，采用电扫描技术，扫描速度快；(2)升级扩展能力强，采用模块化结构，天线孔径可以按需增加；(3)植被穿透能力强，使用UHF波段、L波段，具有穿透植被的能力；(4)安装使用方便，采用模块化结构，方便拆卸安装，可以快速部署。

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框图；

图2为本发明的模块反射阵面框图；

图3为本发明的三维波束扫描分辨率示意图；

图4为本发明的系统工作流程图；

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框图。由模块化地基边坡雷达1、PSD相机2、边坡3构成；模块化地基边坡雷达1由组合反射阵面11、初级馈源12、收发信道13以及数据处理模块14构成，组合反射阵面11由若干个模块反射阵面111拼接构成；PSD相机2用于组合反射阵面11的型面。初级馈源12辐射电磁波，照射组合反射阵面11，在指定方向上形成高增益笔形波束，对边坡3及关键监测点31进行快速电扫描，并接收回波信号，经收发信道13后，送给数据处理模块14，得到三维雷达图像与干涉相位图，计算边坡位移形变量。

图2为本发明的模块反射阵面框图。模块反射阵面111由3个以上不共线的特征光点1111、若干个基本反射单元1112构成。特征光点1111由驱动电路111111和LED点光源11112构成。PSD相机2通过测量这些特征光点1111，来确定组合反射阵面11的型面，确定每个基本反射单元1112的位置坐标。基本反射单元1112由微带天线11121、移相器11122、微波开关11123、开路负载11124、短路负载11125、匹配负载11126以及控制电路11127构成，控制电路11127所产生的开关控制信号11128用于控制微波开关11123在开路负载11124、短路负载11125、匹配负载11126之间切换。控制电路11127所产生的相位控制信号11129用于调节每个基本反射单元的相位补偿量。在校准阶段，待测基本反射单元1112的微波开关11123不断在开路负载11124与短路负载11125之间切换，其它基本反射单元1112的微波开关11123接通匹配负载11126。在测量阶段，每个基本反射单元1112的微波开关11123都接通开路负载11124(或者短路负载11125)。

图3为本发明的三维波束扫描分辨率示意图。本发明的组合反射阵面11由若干个模块反射阵面111构成，假设每个模块反射阵面111的尺寸为d_x×d_y，则M×N个模块反射阵面111构成的组合反射阵面的尺寸为(M·d_x)×(N·d_y)，根据天线技术基本理论，则方位向角分辨率为δφ＝λ/(M·d_x)和俯仰向角分辨率δθ＝λ/(N·d_y)，通过增加模块反射阵面111的个数就增加组合反射阵面11的尺寸，从而可以提高边坡雷达的方位向角分辨率和俯仰向角分辨率。根据雷达技术基本理论，假设雷达信号带宽为B，则距离向的分辨率为δR＝c/(2B)，将工作于不同频率范围的模块反射阵面111组合成一个工作频率范围更宽的组合反射阵面11，则可以收发更大带宽的电磁波信号，从而可以提高边坡雷达的距离向分辨率。

图4为本发明的系统工作流程图。整个系统工作流程包括4个阶段，分别是安装阶段S1、校准阶段S2、测量阶段S3、拆卸阶段S4。

在安装阶段S1：在远离边坡3的稳定区域布置模块化地基边坡雷达1和PSD相机2，在边坡3上的关键监测点31安装无源角反射器。

根据监测距离与分辨率的要求，确定模块反射阵面111个数，将这些模块反射阵面111拼装在一起，构成一个更大的组合反射阵面11，组合反射阵面11可以是平面，馈源12位于组合反射阵面11前方，使用等效相位中心方法来确定其摆放与取向。PSD相机2放置于组合发射阵面11前方，通过调焦与对焦，使组合发射阵面11清晰地落在PSD相机2视场内。

在校准阶段S2：主要包括两个步骤，基本反射单元位置坐标测量S21，基本反射单元固定相位延迟量计算S22。

基本反射单元位置坐标测量S21：使用PSD相机2从多个位置角度拍摄组合反射阵面11，在每个模块反射面111上有不少于3个特征光点1111，测量出每个特征光点1111的3维位置坐标，测量出组合反射阵面型面，测量出每个基本反射单元1112的3维位置坐标(x_(k,l,m,n),y_(k,l,m,n),z_(k,l,m,n))。

基本反射单元固定相位延迟量计算S22：计算出初级馈源(x_f,y_f,z_f)到每个基本反射单元1112的距离d_(k,l,m,n)，进而计算出初级馈源(x_f,y_f,z_f)到每个基本反射单元1112(x_(k,l,m,n),y_(k,l,m,n),z_(k,l,m,n))的固定相位延迟量这里的λ＝c/f，λ为电磁波波长，c为电磁波传播速度，f为电磁波频率，在基本反射单元1112控制电路11127的开关控制信号11128作用下，将其它基本反射单元1112的微带天线11121接匹配负载11126，将待测基本反射单元1112的微波开关11123不断在开路负载11124和短路负载11125之间切换，更进一步地精确测量出初级馈源12(x_f,y_f,z_f)到每个基本反射单元1112的固定相位延迟量从而可以进一步修正每个基本反射单元1112的3维位置坐标(x_(k,l,m,n),y_(k,l,m,n),z_(k,l,m,n))。

在测量阶段S3：主要包括以下几个步骤，边坡区域扫描S31，雷达数据获取S32，三维成像处理S33，相位干涉测量S34，相位解缠校正S35，边坡位移计算S36。

边坡区域扫描S31：调节每个基本反射单元1112的总相位补偿量形成指向(θ,φ)的高增益笔形波束，对边坡区域进行扫描。

已知每个基本反射单元1112的3维位置坐标(x_(k,l,m,n),y_(k,l,m,n),z_(k,l,m,n))，则来自于(θ,φ)的电磁波信号在每个基本反射单元1112的可变相位延迟量为：

为形成指向(θ,φ)的波束，则每个基本反射单元1112的总相位补偿量为

雷达数据获取S32：辐射SFCW信号，并接收边坡反射的回波信号，获取被监测区域的原始雷达数据，初次观测时的原始雷达数据记为s₀(θ,φ,r)，第n个观测周期的原始雷达数据为s_n(θ,φ,r)。

三维成像处理S33：对原始雷达数据进行三维成像处理，获得复数雷达图像，分别记为I₀(x,y,z)和I_n(x,y,z)；主副图像配准，以I₀(x,y,z)为主图像，以I_n(x,y,z)为副图像，根据已知永久散射体位置进行主副图像配准。

相位干涉测量S34：对主副图像执行共轭相乘取相位值，得到包含差分相位的干涉相位图

相位解缠校正S35：对干涉相位图进行相位解缠，去除干涉图中的相位模糊。

边坡位移计算S36：根据干涉相位与位移形变Δd(x,y,z)的关系，得到视线方向上边坡位移量

在拆卸阶段S4：拆卸模块化地基雷达1与PSD相机2。

将组合反射面11拆成若干个体积较小的模块反射面111，分别打包，撤离现场。

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

1.一种模块化地基边坡雷达监测系统，由模块化地基边坡雷达(1)、PSD相机(2)、边坡(3)构成；模块化地基边坡雷达(1)由组合反射阵面(11)、初级馈源(12)、收发信道(13)以及数据处理模块(14)构成，组合反射阵面(11)由若干个模块反射阵面(111)拼装构成，每个模块反射阵面(111)由3个以上不共线的特征光点(1111)和若干个基本反射单元(1112)构成；PSD相机2用于初始快速测量每个基本反射单元(1112)的位置坐标。初级馈源(12)辐射电磁波，照射组合反射阵面(11)，通过调节每个基本反射单元(1112)的相位补偿量，在指定方向上形成高增益笔形波束，对边坡(3)及关键监测点(31)进行快速电扫描，并接收回波信号，经收发信道(13)后，送给数据处理模块(14)，得到三维雷达图像与干涉相位图，计算边坡位移形变量。

2.根据权利要求1所述的一种模块化地基边坡雷达监测系统，其特征在于：所述的模块反射面(111)由3个以上不共线的特征光点(1111)、若干个基本反射单元(1112)构成；特征光点(1111)由驱动电路(111111)和LED点光源(11112)构成；PSD相机(2)通过测量这些特征光点(1111)的位置坐标，来确定组合反射阵面(11)的型面以及每个基本反射单元(1112)的位置坐标；基本反射单元(1112)由微带天线(11121)、移相器(11122)、微波开关(11123)、开路负载(11124)、短路负载(11125)、匹配负载(11126)以及控制电路(11127)构成，控制电路(11127)所产生的开关控制信号(11128)用于控制微波开关在开路负载(11124)、短路负载(11125)、匹配负载(11126)之间切换，控制电路(11127)所产生的相位控制信号(11129)用于控制移相器(11122)，调节每个基本反射单元(1112)的相位补偿量。

3.根据权利要求1所述的一种模块化地基边坡雷达监测系统，其特征在于：所述的模块化地基边坡雷达(1)发送和接收的电磁波信号为UHF波段、L波段的步进频率连续波SFCW信号。

4.根据权利要求1所述的一种模块化地基边坡雷达监测系统，其特征在于：每个基本反射单元(1112)的总相位补偿量由固定相位延迟量和随波束指向变化的可变相位延迟量两部分计算得到；使用PSD相机(2)测量出每个基本反射单元(1112)的位置坐标，将待测基本反射单元(1112)的微波开关(11123)在开路负载(11124)、短路负载(11125)之间切换，将其它基本反射单元(1112)的微波开关(11123)接通匹配负载(11126)，测量出待测基本反射单元(1112)的固定相位延迟量，并进一步修正每个基本反射单元(1112)的位置坐标；在已知每个基本反射单元(1112)位置坐标的基础上，可以计算出每个基本反射单元随波束指向变化的可调相位延迟量。