CN110927672A - 一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统。包括雷达分系统、处理分系统、定位定姿分系统、转动机构、视频设备、通信设备和供电设备；雷达分系统，用于发射电磁波并接收目标场景回波；处理分系统，用于雷达控制和中频信号的实时采集和处理；定位定姿分系统，用于精确确定系统的位置和姿态信息；转动机构用于实现系统水平360°旋转监测。视频设备用于远程查看现场情况、影像叠加；通信设备用于进行有线和无线的通信。供电设备为雷达监测系统提供电能。本发明相对于现有技术，不需要接触目标区域，仪器安放简单，数据采集方便，360°旋转实现雷达信号的发射、接收，实现大范围、全天候、高精度形变监测。

Description

一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统
技术领域
本发明涉及边坡形变监测应用技术领域，具体涉及一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统。
背景技术
目前对于高陡边坡形变监测，常用的手段包括斜度仪、GNSS、三维激光、空间遥感技术等，在空间分辨率、测量精度、气候条件制约以及及时性、有效性方面存在的诸多局限与不足，近年来新兴的地面合成孔径干涉雷达(地基雷达)在该领域取得长足发展，已充分展现出其巨大的应用潜力与重要的现实意义和经济价值。
当前国内外已经有不少科研院所和科技公司在进行地基干涉测量雷达的研究和开发工作，但有实际雷达产品应用于生产的成果并不多见，以滑轨式为主，监测局限性大。
综上所述，急需一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，以解决高陡边坡形变监测问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，包括雷达分系统、处理分系统、定位定姿分系统、转动机构、视频设备、通信设备和供电设备；
雷达分系统，用于发射电磁波并接收目标场景回波，然后变换到中频信号；所述雷达分系统包括：
频率综合子系统，用于产生FMCW信号、工作时钟和控制时序；
发射子系统，用于信号倍频至24GHz并功率放大；
接收子系统，用于通信天线和GNSS天线场景回波的去调频相参接收，产生中频信号；
所述处理分系统，基于嵌入式GPU架构，用于雷达控制和中频信号的实时采集和处理；
所述定位定姿分系统，包括高精度倾角传感器和GNSS接收机，用于精确确定系统的位置和姿态信息，并将位置和姿态信息反馈到处理分系统；GNSS接收机用于产生高稳定度的参考时钟，以支持长时间持续监测；
所述转动机构包括转台、转臂和雷达天线支架；转臂一端与转台活动连接，另一端与雷达天线支架活动连接；转臂绕转台的轴线在水平方向360°转动；通信天线和GNSS天线安装在转臂上；雷达天线和摄像机安装在雷达天线支架上。
所述视频设备安装于雷达天线支架上，视频设备的视线方向与雷达波束方向相同，视频设备的视角与雷达俯仰波束宽度匹配，视频设备用于远程查看现场情况、影像叠加；视频设备为高清摄像机。
所述通信设备用于进行有线和无线的通信，有线通信采用千兆以太网形式，无线通信采用3G/4G商用移动网络形式或者WiFi无线局域网形式。
所述供电设备为接入电压12v的市电、续航12小时以上的蓄电池、太阳能发电系统、风力发电系统中的一种或多种组合。
优选地，所述处理分系统上设有环境参数接口，通过串口或以太网输入环境参数，用于大气扰动的补偿；环境参数包括温度、湿度和气压。
优选地，所述处理分系统上引出有维护调试接口，用于现场接收雷达状态日志信息，以及故障诊断分析，并现场烧写升级程序。
优选地，所述转台通过转盘与转臂连接，转台内设有高精密交叉滚子轴承，所述轴承用于支撑转盘，轴承中的滚子呈90度交错排列，滚子直径大于轴承内圈与外圈间的辊道尺寸。
优选地，转台内设有导电滑环，用于处理分系统与雷达分系统的电气连接，实现信号的传输。
优选地，所述转臂上装有百分表，通过百分表的读数，计算得到转台的重复定位精度。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
本发明性能优异、结构紧凑、使用方便、价格适宜。除了可以高频率的采样速度，具备360度旋转实现雷达信号的发射、接收，特别在山谷型高陡边坡在有限的区域可以提供最佳的几何形态和高时空分辨率的形变测量，对比高精度的全站仪测量、水准测量、差分GNSS和加速计等手段来说，不需要接触目标区域，仪器安放简单，数据采集方便，实现大范围、全天候、高精度形变监测。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是雷达监测系统的结构示意图；
图2是转动机构结构示意图；
其中，1、转台，2、转臂，3、雷达天线支架，4、通信天线，5、GNSS天线，6、摄像机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1、图2，一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，适用于山谷高陡边坡复杂地形使用条件；可水平360度旋转监测。
一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，包括雷达分系统、处理分系统、定位定姿分系统、转动机构、视频设备、通信设备和供电设备；
雷达分系统，用于发射电磁波并接收目标场景回波，然后变换到中频信号；所述雷达分系统包括：
频率综合子系统，用于产生FMCW信号、工作时钟和控制时序；
发射子系统，用于信号倍频至24GHz并功率放大；
接收子系统，用于通信天线和GNSS天线2个接收天线场景回波的去调频相参接收，产生中频信号；
所述处理分系统，基于嵌入式GPU架构，用于雷达控制和中频信号的实时采集和处理；
所述定位定姿分系统，包括高精度倾角传感器和GNSS接收机，用于精确确定系统的位置和姿态信息，并将位置和姿态信息反馈到处理分系统；GNSS接收机用于产生高稳定度的参考时钟，以支持长时间持续监测；所述GNSS接收机也可以是北斗接收机。
如图2所示，所述转动机构包括转台1、转臂2和雷达天线支架3，视场范围垂直60°，水平360°；转臂2一端与转台1活动连接，另一端与雷达天线支架3活动连接；转臂2绕转台1的轴线在360°转动；通信天线4和GNSS天线5安装在转臂2上；雷达天线和摄像机6安装在雷达天线支架3上。处理分系统设置在转臂内，供电系统等设置在转台内。转动机构将保证精度在0.01°以内的重复定位精度以及不少于5年的无故障工作时间。
从适应多样性应用需求，以及根据山谷型高陡边坡稳定雷达的发展趋势，选择旋转式圆弧合成孔径成像方式。雷达天线随转臂旋转形成圆弧轨迹，通过合成孔径算法将圆弧轨迹上接收的场景回波进行聚焦成像，从而形成场景全方位的雷达图像。
所述处理分系统上设有环境参数接口，通过串口或以太网输入环境参数，用于大气扰动的补偿；环境参数包括温度、湿度和气压；或者在处理分系统上配备专门的微形气象站。
所述处理分系统上引出有维护调试接口，用于现场接收雷达状态日志信息，以及故障诊断分析，并现场烧写升级程序。
所述视频设备安装于雷达天线支架上，视频设备的视线方向与雷达波束方向相同，视频设备的视角与雷达俯仰波束宽度匹配，俯仰角度范围为60°；视频设备为高清摄像机。
所述通信设备用于进行有线和无线的通信，有线通信采用千兆以太网形式，无线通信采用3G/4G商用移动网络形式或者WiFi无线局域网形式。
所述供电设备为接入电压12v的市电、续航12小时以上的蓄电池、太阳能发电系统、风力发电系统中的一种或多种组合。
所述转台通过转盘与转臂连接，转台内设有高精密交叉滚子轴承，所述轴承用于支撑转盘，保证转台的刚性，轴承中的滚子呈90度交错排列，滚子直径略大于轴承内圈与外圈间的辊道尺寸。使得交叉滚子轴承的内外圈及滚子之间存在预紧力，由此轴承支撑的转台的转盘能承受轴向、径向、倾覆等各种力矩，其刚性是传统轴承的10倍以上。转台组装完成后，以平台的交叉滚子轴承为旋转中心，再次对转盘的外径和端面进行磨削处理，从而保证转台的同轴度、端面跳动等形位公差。转台采用行星减速的方式来降低输出转速并增大输出扭矩，另外，通过改变齿轮中心距离的方法来消除齿隙，使其反向侧隙接近于零间隙。
转台内设有导电滑环，用于处理分系统与雷达分系统的电气连接，实现信号的传输。传输的信号包括供电、485、脉冲、以太网等四路信号，采用一体化直流伺服驱动控制器(以下简称驱控器)作为转台伺服单元的控制核心。雷达主控器通过485接口对驱控器进行初始参数设置、发出启动/停止指令；驱控器对伺服电机进行精准的控制和驱动，驱控器通过DO端口，在转台每经过预设的角度时，向雷达发出一个脉冲。系统启动后，驱控器根据工作要求，按照设定的转速，控制转台进行连续旋转扫描或者扇区往复扫描。转速分为慢速和快速两种模式：慢速扫描速度为0.1rpm；快速扫描为0.5rpm。连续扫描时，转台按照设定转速，沿顺时针方向连续不间断旋转。扇区扫描时，转台按照设定的技术参数，从起始角启动，顺时针扫过预定扇区，到达终止角后，高速(10rpm)逆时针返回起始角，如此往复进行。工作结束时，驱控器发出指令，转台回复到零位。
所述转臂上装有百分表(未图示)，百分表的安装位置距离转臂回转中心900mm，编制测试程序，控制转臂按照最高工作转速进行扇区扫描。转臂每次到达扇区终点位置时，恰好撞击到百分表，通过百分表的读数，可以得到每次撞击时的误差值，通过计算可以得到转台的重复定位精度，可以得到实测的重复定位精度为0.0025°。
根据指标要求，雷达监测系统需要具备三维地形测绘能力，因此，本系统采用1发2收天线形式(一根发射天线两根接收天线)，其中2个接收天线在高度上形成基线，从而可以通过相位干涉进行高程反演。同时，考虑到天线隔离度要求，经过反复试验，采用交错方式安装。
考虑到山谷型高陡边坡形变监测雷达需要适应各种复杂场景，因此探测距离可能从几米至数公里，为了避免脉冲信号体制由于收发分时工作造成的近端盲区，消除最小探测距离，以利于根据场景进行灵活部署，因此本系统采用线性调频连续波信号体制。
采用主动电磁波(非接触测量、可穿透雨雾、不依赖光照、作用距离远)和相位干涉测量技术(探测灵敏度高、位移测量精度高)，研制360°自动扫描监测(或可根据监测需要设定扇形区)的三维变形监测雷达系统。在非接触基础上采集数据，获得的大范围信息比单点信息更能合理的理解形变发生机制，且精度能够达到亚毫米级，不受暴雨、雾霜等恶劣气候条件的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，包括雷达分系统、处理分系统、定位定姿分系统和转动机构；
雷达分系统，用于发射电磁波并接收目标场景回波，然后变换到中频信号；所述雷达分系统包括：
频率综合子系统，用于产生FMCW信号、工作时钟和控制时序；
发射子系统，用于信号倍频至24GHz并功率放大；
接收子系统，用于通信天线和GNSS天线场景回波的去调频相参接收，产生中频信号；
所述处理分系统，基于嵌入式GPU架构，用于雷达控制和中频信号的实时采集和处理；
所述定位定姿分系统，包括高精度倾角传感器和GNSS接收机，用于精确确定系统的位置和姿态信息，并将位置和姿态信息反馈到处理分系统；GNSS接收机用于产生高稳定度的参考时钟，以支持长时间持续监测；
所述转动机构包括转台、转臂和雷达天线支架；转臂一端与转台活动连接，另一端与雷达天线支架活动连接；转臂绕转台的轴线在水平方向360°转动；通信天线和GNSS天线安装在转臂上；雷达天线和摄像机安装在支架上。
2.根据权利要求1所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，所述处理分系统上设有环境参数接口，通过串口或以太网输入环境参数，用于大气扰动的补偿；环境参数包括温度、湿度和气压。
3.根据权利要求2所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，所述处理分系统上引出有维护调试接口，用于现场接收雷达状态日志信息，以及故障诊断分析，并现场烧写升级程序。
4.根据权利要求1所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，所述转台通过转盘与转臂连接，转台内设有高精密交叉滚子轴承，所述轴承用于支撑转盘，轴承中的滚子呈90度交错排列，滚子直径大于轴承内圈与外圈间的辊道尺寸。
5.根据权利要求4所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，转台内设有导电滑环，用于处理分系统与雷达分系统的电气连接，实现信号的传输。
6.根据权利要求1所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，所述转臂上装有百分表，通过百分表的读数，计算得到转台的重复定位精度。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，还包括视频设备，视频设备安装于雷达天线支架上，视频设备的视线方向与雷达波束方向相同，视频设备的视角与雷达俯仰波束宽度匹配，视频设备用于远程查看现场情况、影像叠加；视频设备为高清摄像机。
8.根据权利要求7所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，还包括通信设备，所述通信设备用于进行有线和无线的通信，有线通信采用千兆以太网形式，无线通信采用3G/4G商用移动网络形式或者WiFi无线局域网形式。
9.根据权利要求8所述的一种改进的山谷型高陡边坡雷达监测系统，其特征在于，还包括供电设备，所述供电设备为接入电压12v的市电、续航12小时以上的蓄电池、太阳能发电系统、风力发电系统中的一种或多种组合。
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