CN110988866A - 一种基于雷达的多参数泥石流预警装置 - Google Patents

一种基于雷达的多参数泥石流预警装置 Download PDF

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Abstract

一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，本发明涉及地质监测技术领域，它包含一号雷达基站、分布式探地雷达系统和信标二次雷达系统；其中分布式探地雷达系统由二号雷达基站和数个土壤水含量传感器构成；数个土壤水含量传感器均与二号雷达基站连接；上述信标二次雷达系统由三号雷达基站和数个土壤形变传感器构成；数个土壤形变传感器均与三号雷达基站连接；上述一号雷达基站、二号雷达基站以及三号雷达基站均与控制中心连接；所述的一号雷达基站为测距雷达，其采用毫米波频段。现场对沟道泥/水位及流速、源地土壤含水量、源地土地形变的实时采集、分析、处理、判断和预警，可有效提高泥石流监测预警的可靠性，并降低监测系统的安装使用维护成本。

Description

一种基于雷达的多参数泥石流预警装置
技术领域
本发明涉及地质监测技术领域，具体涉及一种基于雷达的多参数泥石流预警装置。
背景技术
泥石流是山区雨季常见自然山地灾害。这种泥沙集中搬运现象，爆发突然、历时短暂、来势凶猛、破坏巨大，给山区环境和人身财产带来了极大威胁和损失。对泥石流频发地质灾害地区，建立泥石流预警系统刻不容缓。
目前的泥石流监测预警系统主要分别基于对降雨量、断线法、遥感监测。对单沟降雨观测来说，不同泥石流沟孕育背景条件差别较大，流域极不均匀性及随机性，加上泥石流形成、运动本身就相当难推广，离可靠地运用于实际还有一定距离。对断线法来说，在冲刷较大段由于沟床冲刷下蚀加深，泥石流泥位达不到原来金属感知部署的位置，从而丧失报警功能。对遥感监测来说，成本巨大且精度偏低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的基于雷达的多参数泥石流预警装置，现场对沟道泥/水位及流速、源地土壤含水量、源地土地形变的实时采集、分析、处理、判断和预警，可有效提高泥石流监测预警的可靠性，并降低监测系统的安装使用维护成本。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：它包含一号雷达基站、分布式探地雷达系统和信标二次雷达系统；其中分布式探地雷达系统由二号雷达基站和数个土壤水含量传感器构成；数个土壤水含量传感器均与二号雷达基站连接；上述信标二次雷达系统由三号雷达基站和数个土壤形变传感器构成；数个土壤形变传感器均与三号雷达基站连接；上述一号雷达基站、二号雷达基站以及三号雷达基站均与控制中心连接；所述的一号雷达基站为测距雷达，其采用毫米波频段。
进一步地，所述的土壤水含量传感器采用探地雷达终端，该探地雷达终端由雷达终端接收模块、变频模块、探地雷达发射模块、探地雷达发射天线、探地雷达接收天线、雷达终端发射模块构成；二号雷达基站与雷达终端接收模块连接，雷达终端接收模块与变频模块连接，变频模块与探地雷达发射模块连接，探地雷达发射模块与探地雷达发射天线连接，探地雷达发射天线与探地雷达接收天线连接，探地雷达接收天线与探地雷达接收模连接，探地雷达接收模与变频模块连接，变频模块与雷达终端发射模块连接，雷达终端发射模块与二号雷达基站连接。
进一步地，所述的土地形变传感器采用信标终端，该信标终端由信标终端接收模块、信标位置信息调制模块和信标终端发射模块构成；三号雷达基站与信标终端接收模块连接，信标终端接收模块与信标位置信息调制模块连接，信标位置信息调制模块与信标终端发射模块连接，信标信标终端发射模块与三号雷达基站连接。
本发明的工作原理：
一号雷达基站是标准的测距雷达，其采用毫米波频段来实现回波时间或距离的测量，从而达到较高的测距精度，调制方式可以采用脉冲或调频连续波(FMCW)方式来实现，同时根据监测到的泥石流信息时间差可得知计算泥石流的流速；
二号雷达基站有限选用毫米波频段(该频段不可能应用于探地)，然后采用变频模块实现毫米波频段到探地频段(10MHz-1000MHz)的变换，并采用跨孔探地雷达实现不同深度土壤介电常数的测量，从而推算出土壤含水量；
当信标位置发生形变时，三号雷达基站通过信标位置信息调制模块解调信标位置信息对应频率来监测，其形变监测精度由三号雷达基站、及算法保证；信标位置信息由已知位置坐标的雷达通过测距获得，而雷达位置坐标通过GPS或GIS信息感知获取，三号雷达基站与信标终端之间通过自组网络进行通信配置。
采用上述结构后，本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，现场对沟道泥/水位及流速、源地土壤含水量、源地土地形变的实时采集、分析、处理、判断和预警，可有效提高泥石流监测预警的可靠性，并降低监测系统的安装使用维护成本。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中分布式探地雷达系统的结构示意图。
图3是本发明中信标二次雷达系统的结构示意图。
图4是具体实施方式中分布式探地雷达系统的结构示意图。
图5是具体实施方式中信标二次雷达系统的结构示意图。
附图标记说明：
一号雷达基站A、二号雷达基站B、土壤水含量传感器B-1、雷达终端接收模块B-1-1、变频模块B-1-2、探地雷达发射模块B-1-3、探地雷达发射天线B-1-4、探地雷达接收天线B-1-5、探地雷达接收模块B-1-6、雷达终端发射模块B-1-7、三号雷达基站C、土壤形变传感器C-1、信标终端接收模块C-1-1、信标位置信息调制模块C-1-2、信标终端发射模块C-1-3。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含一号雷达基站A、分布式探地雷达系统和信标二次雷达系统；其中分布式探地雷达系统由二号雷达基站B和数个土壤水含量传感器B-1构成；数个土壤水含量传感器B-1均与二号雷达基站B连接；上述信标二次雷达系统由三号雷达基站C和数个土壤形变传感器C-1构成；数个土壤形变传感器C-1均与三号雷达基站C连接；上述一号雷达基站A、二号雷达基站B以及三号雷达基站C均与控制中心连接(其连接方式可以为GPRS/以太网/卫星通信方式，以成熟可靠且低成本无线通信方式为主)；所述的一号雷达基站A为测距雷达，其采用毫米波频段；
所述的土壤水含量传感器B-1采用探地雷达终端，该探地雷达终端由雷达终端接收模块B-1-1、变频模块B-1-2、探地雷达发射模块B-1-3、探地雷达发射天线B-1-4、探地雷达接收天线B-1-5、雷达终端发射模块B-1-7构成；二号雷达基站B与雷达终端接收模块B-1-1采用自组网方式通信连接(可以为Zigbee/Lora等方式)，雷达终端接收模块B-1-1与变频模块B-1-2连接，变频模块B-1-2与探地雷达发射模块B-1-3连接，探地雷达发射模块B-1-3与探地雷达发射天线B-1-4连接，探地雷达发射天线B-1-4与探地雷达接收天线B-1-5连接，探地雷达接收天线B-1-5与探地雷达接收模块B-1-6连接，探地雷达接收模块B-1-6与变频模块B-1-2连接，变频模块B-1-2与雷达终端发射模块B-1-7连接，雷达终端发射模块B-1-7与二号雷达基站B连接；
所述的土地形变传感器C-1采用信标终端，该信标终端由信标终端接收模块C-1-1、信标位置信息调制模块C-1-2和信标终端发射模块C-1-3构成；三号雷达基站C与信标终端接收模块C-1-1采用自组网方式通信连接(可以为Zigbee/Lora等方式)，信标终端接收模块C-1-1与信标位置信息调制模块C-1-2连接，信标位置信息调制模块C-1-2与信标终端发射模块C-1-3连接，信标信标终端发射模块C-1-3与三号雷达基站C连接；
上述一号雷达基站A、二号雷达基站B以及三号雷达基站C各自具体数量、安装位置及预警门限，根据地质灾害监测部门需求而定，三者的供电采用太阳能电池板、或就近电力线取电；安装桅杆可以利用电力线桅杆或另立桅杆；探地雷达终端(探地雷达发射机除外)以及信标终端是低功耗设备，供电以电池为主。
本具体实施方式的工作原理：
一号雷达基站A是标准的测距雷达，其采用毫米波频段来实现回波时间或距离的测量，从而达到较高的测距精度，调制方式可以采用脉冲或调频连续波(FMCW)方式来实现，同时根据监测到的泥石流信息时间差可得知计算泥石流的流速；
二号雷达基站B有限选用毫米波频段(该频段不可能应用于探地)，然后采用变频模块B-1-2实现毫米波频段到探地频段(10MHz-1000MHz)的变换，以FMCW雷达为例，描述一下具体测量过程，详见图4；
二号雷达基站B与雷达终端接收模块B-1-1的距离D1、二号雷达基站B与雷达终端发射模块B-1-7的距离D1’、探地雷达发射天线B-1-4与探地雷达接收天线B-1-5的距离D2，可以在初始化时标定，作为已知值使用；
二号雷达基站B接收回传频率fRF+Δf1+Δf1’+Δf2，通过差拍得到中频信息，并去除已知频率Δf1、Δf1’，得到探地雷达收发天线距离相关频率Δf2；由FMCW雷达相关公式可得土壤介电常数εr；
由相关土壤介电常数与土壤水含量公式可得土壤水含量，根据具体情况可作校准拟合，从而得到更高精度。
根据地质监测部门需要可使用不同深度的探测天线来监测不同深度土壤水含量，或者铺设在不同位置监测不同位置土壤水含量。雷达基站与各终端间通过自组网络进行通信配置。
FMCW雷达为例，详见图5；
三号雷达基站C与信标终端对应距离对应频率为2Δf，信标位置信息调制模块C-1-2的对应频率为fIF，雷达接收机差拍后得到中频频率fIF+2Δf。对中频fIF信息进行解调得到信标位置，对2Δf频谱配对后得到雷达基站与雷达终端间的距离；
当信标位置发生形变时，三号雷达基站C通过解调fIF来监测，其形变监测精度由基站雷达、包括FMCW雷达的架构及算法保证。信标位置信息由已知位置坐标的雷达通过测距获得，而雷达位置坐标通过GPS或GIS信息感知获取。雷达基站与信标终端间通过自组网络进行通信配置。
采用上述结构后，本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提供了一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，现场对沟道泥/水位及流速、源地土壤含水量、源地土地形变的实时采集、分析、处理、判断和预警，可有效提高泥石流监测预警的可靠性，并降低监测系统的安装使用维护成本。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (4)

1.一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，其特征在于：它包含一号雷达基站(A)、分布式探地雷达系统和信标二次雷达系统；其中分布式探地雷达系统由二号雷达基站(B)和数个土壤水含量传感器(B-1)构成；数个土壤水含量传感器(B-1)均与二号雷达基站(B)连接；上述信标二次雷达系统由三号雷达基站(C)和数个土壤形变传感器(C-1)构成；数个土壤形变传感器(C-1)均与三号雷达基站(C)连接；上述一号雷达基站(A)、二号雷达基站(B)以及三号雷达基站C均与控制中心连接；所述的一号雷达基站(A)为测距雷达，其采用毫米波频段。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，其特征在于：所述的土壤水含量传感器(B-1)采用探地雷达终端，该探地雷达终端由雷达终端接收模块(B-1-1)、变频模块(B-1-2)、探地雷达发射模块(B-1-3)、探地雷达发射天线(B-1-4)、探地雷达接收天线(B-1-5)、探地雷达接收模块(B-1-6)、雷达终端发射模块(B-1-7)构成；二号雷达基站(B)与雷达终端接收模块(B-1-1)连接，雷达终端接收模块(B-1-1)与变频模块(B-1-2)连接，变频模块(B-1-2)与探地雷达发射模块(B-1-3)连接，探地雷达发射模块(B-1-3)与探地雷达发射天线(B-1-4)连接，探地雷达发射天线(B-1-4)与探地雷达接收天线(B-1-5)连接，探地雷达接收天线(B-1-5)与探地雷达接收模块(B-1-6)连接，探地雷达接收模块(B-1-6)与变频模块(B-1-2)连接，变频模块(B-1-2)与雷达终端发射模块(B-1-7)连接，雷达终端发射模块(B-1-7)与二号雷达基站(B)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，其特征在于：所述的土地形变传感器(C-1)采用信标终端，该信标终端由信标终端接收模块(C-1-1)、信标位置信息调制模块(C-1-2)和信标终端发射模块(C-1-3)构成；三号雷达基站C与信标终端接收模块(C-1-1)连接，信标终端接收模块(C-1-1)与信标位置信息调制模块(C-1-2)连接，信标位置信息调制模块(C-1-2)与信标终端发射模块(C-1-3)连接，信标信标终端发射模块(C-1-3)与三号雷达基站(C)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于雷达的多参数泥石流预警装置，其特征在于：它的工作原理：
一号雷达基站(A)是标准的测距雷达，其采用毫米波频段来实现回波时间或距离的测量，从而达到较高的测距精度，调制方式可以采用脉冲或调频连续波方式来实现，同时根据监测到的泥石流信息时间差可得知计算泥石流的流速；
二号雷达基站(B)有限选用毫米波频段，然后采用变频模块(B-1-2)实现毫米波频段到探地频段的变换，并采用跨孔探地雷达实现不同深度土壤介电常数的测量，从而推算出土壤含水量；
当信标位置发生形变时，三号雷达基站(C)通过信标位置信息调制模块(C-1-2)解调信标位置信息对应频率来监测，其形变监测精度由三号雷达基站(C)、及算法保证；信标位置信息由已知位置坐标的雷达通过测距获得，而雷达位置坐标通过GPS或GIS信息感知获取。
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