CN113534081A - 一种形变监测雷达精度的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形变监测雷达精度的检测方法，包括架设设备端和靶标端，并人为设定雷达天线与角反射器间斜距的变化量，根据变化量计算靶标端中光学棱镜和角反射器的水平位移调节量以及角反射器俯仰角的调节角度，并根据水平位移调节量和调节角度将靶标端的光学棱镜和角反射器调节至测点，雷达测得位移量；然后根据测点处全站仪与光学棱镜间理论斜距与全站仪测量的斜距间差值、测点处全站仪的理论俯仰角与全站仪测量俯仰角间差值进行校核，校核合格后将雷达测得位移量与人为设定变化量比较得到雷达精度信息。本发明提供了一种检测雷达精度的全新方法，易于操作；另外本发明还提供了一种上述形变监测雷达精度检测方法采用的检测装置。

Description

一种形变监测雷达精度的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁波雷达设备相对位移精度检测技术领域，具体涉及一种形变监测雷达精度的检测方法及装置。

背景技术

目前对地质位移监测较为常用的手段有GNSS、全站仪等设备，目前国内外开发出了多种多样的电磁波地基雷达来应用于该领域，主要为轨道式和旋转式2种。雷达的测量精度对于地质位移监测来讲至关重要，测量精度的高低会直接影响到监测的结果。目前，针对电磁波地基雷达的测量精度暂没有合适的检测方法。

综上所述，急需一种形变监测雷达精度的检测方法及装置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形变监测雷达精度的检测方法，为了便于为对地质监测用雷达进行精度比较分析，具体技术方案如下：

一种形变监测雷达精度的检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：架设设备端和靶标端，将靶标端的角反射器正对设备端的雷达，并获得H、h、L、l、D、α和β的数值；

其中：设备端全站仪镜头中心与雷达天线中点间的垂直距离为H、水平距离为L；靶标端光学棱镜中心点与角反射器中心点间的垂直距离为h、水平距离为l；D为全站仪与光学棱镜间的斜距，α为全站仪的俯仰角，β为角反射器的俯仰角；

步骤S2：对Δd取值，并根据Δd计算得到ΔS和Δβ，其中，ΔS为靶标端中光学棱镜和角反射器的水平位移调节量，Δβ为角反射器俯仰角的调节角度，Δd为雷达天线与角反射器间斜距的设定变化量；

步骤S3：根据ΔS调节靶标端光学棱镜和角反射器的水平位移；根据Δβ调节角反射器的俯仰角，使角反射器正对设备端的雷达；记录测量轮次内的测点处雷达的回波强度和相位差，以及测点处全站仪搜索光学棱镜获得的D和α；根据相位差和波长得到雷达在测点测得的位移量；

步骤S4：计算测点处D和D’之间以及α与α’之间的差值，若差值在允许范围内则认为设备端和靶标端架设合适且靶标端光学棱镜和角反射器水平位移到位，若超出允许范围则需重新架设设备端和靶标端；其中：D’为测点处全站仪与光学棱镜间的理论斜距，α’为测点处全站仪的理论俯仰角；

步骤S5：将雷达测得的位移量与Δd比较，统计分析获得雷达精度信息。

以上技术方案中优选的，所述步骤S5还包括：更换Δd取值并重复步骤S2-步骤S4，以得到Δd在不同取值下的雷达精度信息。

以上技术方案中优选的，Δd的取值为小于等于λ，其中λ为雷达发出的电磁波的波长。

以上技术方案中优选的，步骤S1中，β通过下式进行计算得到：

以上技术方案中优选的，所述步骤S2中ΔS和Δβ的计算方式如下：

其中，d为光学棱镜和角反射器水平位移前雷达天线与角反射器间的斜距。

以上技术方案中优选的，所述步骤S4中D’和α’的计算方式如下：

D’＝E cscα’；

其中，E为雷达与角反射器间的高差。

以上技术方案中优选的，测量轮次内包括沿水平位移方向依次设置的至少三个测点，且测点的个数为奇数，其中中间测点位于水平位移的中点位置处，相邻两个测点之间的距离为ΔS；

单个测点处雷达和全站仪进行至少三次测量。

本发明还提供了一种形变监测雷达精度的检测装置，包括设备端和靶标端，其中设备端包括全站仪、雷达和处理器一，所述全站仪和雷达的旋转中心同轴设置，所述处理器一分别连接全站仪和雷达；所述靶标端包括角反射器、角度调节组件、高程调节组件、水平滑移组件、水平旋转组件、光学棱镜和三脚架，所述水平滑移组件通过水平旋转组件设置于三脚架上，所述高程调节组件设置于水平滑移组件上，所述光学棱镜固定设置于高程调节组件的上端部，所述角反射器通过角度调节组件设置于所述高程调节组件上。

以上技术方案中优选的，还包括执行处理组件，所述执行处理组件包括驱动件、处理器二和通信模块，所述处理器二连接驱动件和通信模块，所述通信模块用于接收控制指令，所述处理器二控制驱动件工作，所述驱动件连接水平滑移组件，用于驱动角反射器和光学棱镜水平位移。

以上技术方案中优选的，所述高程调节组件包括螺杆、连接环和锁紧件，所述连接环内部设有内螺纹，所述连接环套设于螺杆上，所述锁紧件用于固定连接环在螺杆上的位置，所述光学棱镜设置于螺杆的上端部。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明的检测方法根据人为设定的Δd确定ΔS和Δβ，将检测中靶标端光学棱镜和角反射器的水平位移和角反射器的俯仰角变为可操作的量化指标，使得雷达精度检测得以实施。Δd在波长长度范围内进行取值，准确的测量雷达的精度，同时设置多组Δd值可以获取更多的精度信息数据，便于精确的评价雷达的精度。

本发明的检测方法通过全站仪测量光学棱镜来进行校核，即将位移后全站仪测点的D和α与位移后理论上的D’和α’进行对比，确认设备端和靶标端架设满足要求，以及确认光学棱镜和角反射器已经按照设定的Δd位移到位以及角反射器的俯仰角调节到位，排除设备的架设、未位移到位和俯仰角调节不到位导致的测量误差，提高测量精度。

本发明的检测装置包括设备端和靶标端，通过处理器一和执行处理组件实现装置的自动化工作，实现降低重复性工作人工的参与度，降低人员的劳动强度，并提高了测量的准确性。

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是本发明检测装置的整体结构示意图；

图2是本发明检测方法的原理示意图；

其中，1、全站仪，2、雷达，3、处理器一，4、角反射器，5、角度调节组件，6、光学棱镜，7、水平滑移组件，8、水平旋转组件，9、执行处理组件，10、天线，11、三脚架，12、高程调节组件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1：

参见图1-2，一种形变监测雷达精度的检测装置，包括设备端和靶标端，其中设备端包括全站仪1、雷达2和处理器一3，所述全站仪1和雷达2的旋转中心同轴设置，所述处理器一3分别连接全站仪1和雷达2，所述雷达2具体为地质监测用雷达；所述处理器一3用于与靶标端进行通信、控制全站仪1和雷达2工作以及负责逻辑处理和数据分析。

所述靶标端包括角反射器4、角度调节组件5、高程调节组件12、水平滑移组件7、水平旋转组件8、光学棱镜6和三脚架11，所述水平滑移组件7通过水平旋转组件8设置于三脚架11上，所述高程调节组件12设置于水平滑移组件7上，所述光学棱镜6固定设置于高程调节组件12的上端部，所述角反射器4通过角度调节组件5设置于所述高程调节组件12上；通过水平旋转组件8实现水平滑移组件7、角反射器4、角度调节组件5、高程调节组件12和光学棱镜6一起在水平面上旋转，通过水平滑移组件7实现角反射器4、角度调节组件5、高程调节组件12和光学棱镜6一起在水平方向上位移，通过高程调节组件12调节角反射器4和角度调节组件5在高程调节组件上的高度位置，通过角度调节组件5调节角反射器4的俯仰角。所述角度调节组件5、高程调节组件、水平滑移组件7、水平旋转组件8均可以参见现有结构，例如采用丝杠/滑轨/滑台实现水平、上下运动，采用旋转平台实现水平转动。

本实施例中对以上组件进行简单的说明，所述高程调节组件12包括螺杆、连接环和锁紧件(优选为螺栓、紧固螺母或者是锁销)，所述连接环内部设有内螺纹，所述连接环套设于螺杆上，所述锁紧件用于固定连接环在螺杆上的位置，所述光学棱镜6设置于螺杆的上端部。

所述角度调节组件5设置于所述连接环上，角度调节组件5由高精度电动摆动电机和紧固件组成，所述高精度电动摆动电机用于精确控制角反射器4的俯仰角度，而紧固件则用于锁紧、防止角反射器4转动；优选的，所述角反射器4的中心锥点位于角度调节组件5的旋转中心轴线上，即角反射器4绕角度调节组件5的旋转中心轴线旋转。

水平滑移组件7则包括滑台和推进螺杆，推进螺杆为高精度旋转螺杆，所述滑台上设有内螺纹，配合轨道实现推进螺杆转动驱动滑台往复运动；水平旋转组件8则包括旋转台和紧固件，旋转台为常见的旋转结构，至于紧固件则是用于紧固、防止固定后旋转台继续旋转(紧固件优选为螺栓、紧固螺母或者是锁销)。

所述形变监测雷达精度的检测装置还包括执行处理组件9，所述执行处理组件9设置于水平滑移组件的端部，所述执行处理组件9包括驱动件、处理器二和通信模块，所述处理器二连接驱动件和通信模块，所述通信模块用于接收控制指令，所述通信模块上设有天线10，所述天线10用于与外部的服务端或者是设备端进行通信，所述处理器二根据控制指令控制驱动件工作，所述驱动件连接水平滑移组件7中的推进螺杆，用于驱动角反射器4和光学棱镜6水平位移。所述驱动件优选为高精度步进电机。

参见图2，本实施例还提供了使用上述检测装置进行形变监测雷达精度检测的方法，包括以下步骤：

步骤S1：架设设备端和靶标端，将靶标端的角反射器正对设备端的雷达，并获得H、h、L、l、D、α和β的数值；所述步骤S1中设备端和靶标端的架设要求是：设备端和靶标端水平架设，且靶标端光学棱镜和角反射器的水平位移轨迹线与设备端和靶标端水平距离方向同向；靶标端光学棱镜和角反射器位于水平位移的中点位置处，具体是光学棱镜的中心点与水平位移的中点位于同一竖线上。

其中：设备端全站仪镜头中心与雷达天线中点间的垂直距离为H、水平距离为L；靶标端光学棱镜中心点与角反射器中心点间的垂直距离为h、水平距离为l；D为全站仪与光学棱镜间的斜距，α为全站仪的俯仰角(与水平方向的夹角)，β为角反射器的俯仰角(与水平方向的夹角)；

步骤S2：对Δd取值，并根据Δd计算得到ΔS和Δβ，其中，ΔS为靶标端中光学棱镜和角反射器的水平位移调节量，Δβ为角反射器俯仰角的调节角度，Δd为雷达天线与角反射器间斜距的设定变化量；

步骤S3：根据ΔS调节靶标端光学棱镜和角反射器的水平位移，并根据Δβ调节角反射器的俯仰角，使角反射器正对设备端的雷达，记录测量轮次内的测点处雷达的回波强度和相位差，以及测点处全站仪搜索光学棱镜获得的D和α，并根据相位差和波长得到雷达在测点测得的位移量(雷达每次扫描可获得扫描面的波的散射强度和回波相位；首先我们需要确保我们选取的位移测量单元区域为角反射器所反射的回波(角反射器能提供更高的波的散射强度，通过全站仪和光学棱镜能确认，靶标端距设备端的大致距离方位，与散射强度相结合，即能在散射图上获得角反射器回波区域)，通过对该区域的回波相位，与上次一的回波相位求差，获得相位差，相位差与波长相乘，即为位移量。)；

优选的，测量轮次内包括沿水平位移方向依次设置的至少三个测点，且测点的个数为奇数，其中中间测点位于水平位移的中点位置处，相邻两个测点之间的距离为ΔS；本实施例中测点的个数为三个，即两个测点分布于中间测点的两侧，一个位于靠近设备端的一侧，另一个位于远离设备端的一侧，光学棱镜和角反射器往靠近设备端水平位移时，角反射器的俯仰角调大Δβ，光学棱镜和角反射器往远离设备端水平位移时，角反射器的俯仰角调小Δβ；在实际测量过程中，靶标端的光学棱镜和角反射器首先位于中间测点处进行测量，然后移动到靠近设备端的测点处进行测量，最后移动到远离设备端的测点处进行测量。优选的，单个测点处雷达和全站仪进行至少三次测量，获得更多的测量数据，便于准确评价雷达的精度，减小误差。

步骤S4：计算测点处D和D’之间以及α与α’之间的差值，若差值在允许范围内则认为设备端和靶标端架设合适且靶标端光学棱镜和角反射器水平位移到位，若超出允许范围则需重新架设设备端和靶标端；其中：D’为测点处全站仪与光学棱镜间的理论斜距，α’为测点处全站仪的理论俯仰角；差值的允许范围本领域人员可以根据实际情况进行设置，例如若差值超过了10％则认为差值超限，小于等于10％则认为差值在允许范围内。

步骤S5：将雷达测得的位移量与Δd比较，统计分析获得雷达精度信息，具体是通过统计分析获得平均差、方差、均方差等精度统计数据。

所述步骤S5还包括：更换Δd取值并重复步骤S2-步骤S4，以得到Δd在不同取值下的雷达精度信息。优选的，Δd的取值为小于等于λ，具体可以优选为

和λ，其中λ为雷达发出的电磁波的波长。雷达的精度与其发出的电磁波的波长有直接关系，Δd在波长长度范围内进行取值，能精确测量雷达的精度，同时设置多组Δd值可以获取更多的精度信息数据，便于精确的评价雷达的精度。优选的，Δd每次取不同值进行检测试验之前需要对靶标端光学棱镜和角反射器的位移进行清零，防止多次试验误差累积。

参见图2，接下来对本实施例的测量方法原理进行说明，具体如下：

步骤S1中，H、h、L、l在架设设备端和靶标端后即为固定值，可以直接测量得到；设水平变量为S，在测量过程中变量则为S和β，每次变动量计为ΔS和Δβ，设E为雷达与角反射器间的高差，其中E在步骤S1架设设备端和靶标端后即为定值。

根据图2可得：

E＝D sinα-H+h 式(1)，

S＝D cosα-L-l 式(2)，

进而可得β为：

当靶标端水平位移后，雷达天线与角反射器间斜距变化为Δd，雷达测得光学棱镜和角反射器水平位移后的d’，则：

d’＝d+Δd 式(4)，

其中，d为光学棱镜和角反射器水平位移前雷达天线与角反射器间的斜距(通过雷达测量得到)。

进而可得：

则相对应的参数S和β，其变动量ΔS和Δβ为：

根据式(7)和式(8)可知，ΔS和Δβ与Δd相关(α可通过全站仪测得)，因此人为设定Δd则可以根据式(7)和式(8)计算出ΔS和Δβ。

另外，本实施例采用的方法需要通过全站仪测量光学棱镜来进行校核，即将位移后全站仪测点的D和α与位移后理论上的D’和α’进行对比，确认设备端和靶标端架设满足要求，以及确认光学棱镜和角反射器已经按照设定的Δd位移到位，排除设备的架设和未位移到位导致的测量误差。

其中，步骤S4中D’和α’的计算方式如下：

D’＝E cscα’ 式(10)。

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 (10)

1.一种形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：架设设备端和靶标端，将靶标端的角反射器正对设备端的雷达，并获得H、h、L、l、D、α和β的数值；

其中：设备端全站仪镜头中心与雷达天线中点间的垂直距离为H、水平距离为L；靶标端光学棱镜中心点与角反射器中心点间的垂直距离为h、水平距离为l；D为全站仪与光学棱镜间的斜距，α为全站仪的俯仰角，β为角反射器的俯仰角；

步骤S2：对Δd取值，并根据Δd计算得到ΔS和Δβ，其中，ΔS为靶标端中光学棱镜和角反射器的水平位移调节量，Δβ为角反射器俯仰角的调节角度，Δd为雷达天线与角反射器间斜距的设定变化量；

步骤S3：根据ΔS调节靶标端光学棱镜和角反射器的水平位移；根据Δβ调节角反射器的俯仰角，使角反射器正对设备端的雷达；记录测量轮次内的测点处雷达的回波强度和相位差，以及测点处全站仪搜索光学棱镜获得的D和α；根据相位差和波长得到雷达在测点测得的位移量；

步骤S4：计算测点处D和D’之间以及α与α’之间的差值，若差值在允许范围内则认为设备端和靶标端架设合适且靶标端光学棱镜和角反射器水平位移到位，若超出允许范围则需重新架设设备端和靶标端；其中：D’为测点处全站仪与光学棱镜间的理论斜距，α’为测点处全站仪的理论俯仰角；

步骤S5：将雷达测得的位移量与Δd比较，统计分析获得雷达精度信息。

2.根据权利要求1所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：更换Δd取值并重复步骤S2-步骤S4，以得到Δd在不同取值下的雷达精度信息。

3.根据权利要求2所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，Δd的取值为小于等于λ，其中λ为雷达发出的电磁波的波长。

4.根据权利要求1所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，步骤S1中，β通过下式进行计算得到：

5.根据权利要求1所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中ΔS和Δβ的计算方式如下：

其中，d为光学棱镜和角反射器水平位移前雷达天线与角反射器间的斜距。

6.根据权利要求5所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中D’和α’的计算方式如下：

D’＝Ecscα’；

其中，E为雷达与角反射器间的高差。

7.根据权利要求1所述的形变监测雷达精度的检测方法，其特征在于，测量轮次内包括沿水平位移方向依次设置的至少三个测点，且测点的个数为奇数，其中中间测点位于水平位移的中点位置处，相邻两个测点之间的距离为ΔS；

单个测点处雷达和全站仪进行至少三次测量。

8.一种形变监测雷达精度的检测装置，其特征在于，包括设备端和靶标端，其中设备端包括全站仪、雷达和处理器一，所述全站仪和雷达的旋转中心同轴设置，所述处理器一分别连接全站仪和雷达；所述靶标端包括角反射器、角度调节组件、高程调节组件、水平滑移组件、水平旋转组件、光学棱镜和三脚架，所述水平滑移组件通过水平旋转组件设置于三脚架上，所述高程调节组件设置于水平滑移组件上，所述光学棱镜固定设置于高程调节组件的上端部，所述角反射器通过角度调节组件设置于所述高程调节组件上。

9.根据权利要求8所述的形变监测雷达精度的检测装置，其特征在于，还包括执行处理组件，所述执行处理组件包括驱动件、处理器二和通信模块，所述处理器二连接驱动件和通信模块，所述通信模块用于接收控制指令，所述处理器二控制驱动件工作，所述驱动件连接水平滑移组件，用于驱动角反射器和光学棱镜水平位移。

10.根据权利要求8所述的形变监测雷达精度的检测装置，其特征在于，所述高程调节组件包括螺杆、连接环和锁紧件，所述连接环内部设有内螺纹，所述连接环套设于螺杆上，所述锁紧件用于固定连接环在螺杆上的位置，所述光学棱镜设置于螺杆的上端部。

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