CN204925385U - 一种山体滑坡的mimo雷达监测系统 - Google Patents

一种山体滑坡的mimo雷达监测系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型为一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统，发射天线和接收天线为包括发射、接收天线阵列的MIMO雷达天线阵列。信号产生、数模转换、信号调制及射频前端放大等单元顺序连接；低噪声放大、正交解调、数据采集及信号处理等单元顺序连接。射频前端放大单元经发射分时选择器与各发射天线阵元连接。各接收天线阵元经接收分时选择器与低噪声放大单元连接。系统同步控制单元连接信号产生单元及天线分时控制单元，天线分时控制单元的发射(接收)信号控制信号接入发射(接收)分时选择器。信号调制单元的部分输出信号输入正交解调单元作参考信号。本新型无接触式远程监测，监测范围广，实时性更强，精度较高，数据采集快，设备轻便，布阵可调。

Description

一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统
技术领域
本实用新型涉及监测山体滑坡的雷达技术，具体为基于步进频连续波技术(SFCW)的一种山体滑坡的MIMO(为多输入多输出的英文缩写，英文原文为Multi-inputMulti-output)雷达监测系统。
背景技术
滑坡是主要的地质灾害之一，关于山体滑坡的事故常有报道。统计资料显示，我国每年因滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害死亡人数，占各类自然灾害死亡人数的四分之一。滑坡对人民群众的生命和财产安全构成极大威胁，因此对滑坡的实时监测和预警研究的要求日益紧迫。
要避免山体滑坡造成伤害，有效方法之一就是对可能滑坡的山体进行实时监测、并及时预警。已有多种山体滑坡监测的方案，例如光学仪器监测，GPS技术和无线传感网络技术监测等。但这些方法所用的仪器均需要设置于滑坡监测区域，监测区域仪器的安装费时费力成本不低，且某些监测区域极难根据需要的布局完成仪器安装，也就无法实现滑坡的监测。一旦滑坡发生，监测区域的仪器大多会被损坏，不仅无法保留滑坡时的相关数据，也造成了经济损失。
雷达监测具有可全天候工作、受监测环境影响小、监测精度高和无接触式监测等优点，因此近年来雷达山体滑坡监测被视为更有效的监测手段。典型的山体滑坡监测雷达有欧洲委员会联合研究中心研制的LISA(LinearSAR)和意大利IDS公司生产的山体滑坡雷达—微变形监测系统(ImagebyInterferometricSurvey，IBIS)。这些雷达系统监测能力较高，实际运用价值较好。但所用的均属合成孔径雷达，即通过雷达天线的匀速直线运动合成较大的孔径，以获取较高的方位向分辨率，导致雷达装置体积较大。最重要的是由于天线的运动速度以及天线在运动过程中收发信号的位置都必须精准控制，否则测量精度无法保证，达不到监测目的，且严重限制了数据采集速度。因而此类雷达系统的控制设备要求很高，造价就高，安装拆卸移动均较麻烦，不利于推广应用。
2012年公开号为CN102680971A的中国发明专利“一种用于山体滑坡监测的雷达装置”结构比较简单，监测雷达将含有速度和距离信息的数据传送到现场控制器，由其进行综合分析处理。其缺陷在于只采用一发一收或一发双收的发射接收模式，故其方位向分辨率非常有限，监测精度和有效监测面积均难以满足实际滑坡监测的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统，包括同步控制单元、信号产生单元、数模转换单元、信号调制单元、射频前端放大单元、低噪声放大单元、正交解调单元、数据采集单元、信号处理单元、显示与预警单元以及MIMO收发天线阵列。在同步控制单元的同步和控制下，信号产生单元产生步进频连续波信号，该信号调制、放大后由MIMO收发天线阵列发射到监测区域；在同步控制单元的同步和控制下，MIMO收发天线阵列接收反射回波，经过放大、正交解调，得到正交I、Q两路信号，由信号处理单元据此探测监测区域的形变情况并由显示与预警单元报警。
本实用新型设计的一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统，包括顺序连接的信号产生单元、数模转换单元、信号调制单元及发射天线，顺序连接的接收天线、低噪声放大单元、正交解调单元、数据采集单元、信号处理单元和显示与预警单元，接收天线连接低噪声放大单元；本实用新型的发射天线和接收天线为MIMO雷达天线阵列，MIMO雷达天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列由M个发射天线阵元组成，发射天线阵元稀疏布置、相互间隔为接收天线阵列由N个接收天线阵元组成，接收天线阵元密集布置、相互间隔为λ为发射波的波长，M和N均大于等于2、且M×N为大于或等于的整数，ρa为用波束宽度表示的方位向分辨率。满足上述条件的M和N，M×N越大方位向分辨率将越高，但天线数增多雷达成本上升。
C表示光速，f0表示基带雷达信号调制后步进频起始频率，12GHz≤f0≤18GHz。
信号调制单元的输出端经发射分时选择器与各发射天线阵元连接。各接收天线阵元经接收分时选择器与低噪声放大单元的输入端连接。本系统还配有系统同步控制单元，系统同步控制单元连接信号产生单元，对其进行同步控制，系统同步控制单元还连接天线分时控制单元，天线分时控制单元根据系统同步信号产生的发射信号控制信号接入发射分时选择器，接收信号控制信号接入接收分时选择器。信号调制单元的部分输出信号输入正交解调单元，作为参考信号。供电单元与本系统各单元连接、提供适用电源。
所述发射天线阵列的发射天线阵元为喇叭天线。
所述接收天线阵列的接收天线阵元为Vivaldi天线。
所述发射分时选择器和接收分时选择器为PIN二极管开关，所述天线分时控制单元为码型发生器。码型发生器按信号发射和接收规则产生快速PIN二极管开关导通信号，导通速度快。信号发射和接收规则如下：每个发射天线阵元发射N组脉冲，每组脉冲包含Q个子脉冲，M个发射天线阵元在天线分时控制单元和发射分时选择器的控制下分时依次发射。发射天线阵列发射雷达信号的同时，接收天线阵列对监测区域反射的雷达回波进行分时接收。每个发射天线阵元发射的N组脉冲在天线分时控制单元和接收分时选择器的控制下依次由N个接收天线阵元分时接收，每个接收天线阵元一次接收某个发射天线阵元的一组脉冲。
所述系统同步控制单元和信号产生单元均为现场可编程门阵列FPGA。
为了让雷达照射监测区域产生的反射回波被接收后能够进行有效处理，需要使雷达发射信号具备一定的能量，故信号调制单元输出端的调制后的信号经过一个射频前端放大单元再接入发射分时选择器。
本实用新型山体滑坡的MIMO雷达监测系统使用时MIMO天线阵列架设在需要监测的滑坡地带的对立面，使监测区域处于MIMO天线阵列的雷达信号照射范围内。
正常供电后，系统同步控制单元发送启动指令，雷达监测系统开始工作。发射天线阵列分时发射步进频连续波信号，接收天线阵列对监测区域反射的雷达回波进行分时接收，数据采集得到雷达回波数据矩阵，送入信号处理单元，对回波数据成像处理，原始雷达数据被聚焦成像，得到复影像。连续多次扫描后得到多幅复影像，经过复影像对配准、生成差分干涉相位、相位解缠后提取形变值。根据形变值的绝对值与预警值比较，判断是否进行山体滑坡灾害预警。
与现有技术相比，本实用新型一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统具有的优势有：1、利用MIMO技术形成的多个虚拟观测通道获得高方位向分辨率，替代通过天线运动的方式来获得较高方位向分辨率，避免了因雷达天线运动不精确而带来的测量误差；2、MIMO天线阵列提高了雷达监测系统的数据采集速度；3、轻便和简化了雷达监测系统设备，较LISA和IBIS系统，本系统不需要导轨，更加轻便灵活，而且扩展雷达孔径只需要增加天线数量即可，更加方便；4、MIMO天线阵列布阵可调，有利于在满足测量精度要求的情况下降低雷达监测系统成本，也可以此来调节雷达监测系统测量精度以用于不同监测场景；5、系统采用分时MIMO模式，避免了MIMO发射波形的设计和接收端的匹配滤波，大大减少了发射机和接收机的数量，降低了成本。
附图说明
图1为本山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例总体架构框图(图中未显示供电单元)；
图2为本山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例和对比例监测数值仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例
本山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例结构如图1所示，包括顺序连接的信号产生单元、数模转换单元、信号调制单元及射频前端放大单元；顺序连接的低噪声放大单元、正交解调单元、数据采集单元、信号处理单元、显示与预警单元。
本例MIMO雷达天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列。发射天线阵列由22根发射天线阵元组成，为稀疏布置，发射天线阵元的间隔为22cm。发射天线阵列的发射天线阵元为喇叭天线。射频前端放大单元的输出端经发射分时选择器与各发射天线阵元连接。
本例接收天线阵列由22根接收天线阵元组成，为密集布置，接收天线阵元的间隔为1cm，接收天线阵列的接收天线阵元为Vivaldi天线。各接收天线阵元经接收分时选择器与低噪声放大单元的输入端连接。
本例的系统同步控制单元连接信号产生单元，系统同步控制单元还连接天线分时控制单元，天线分时控制单元根据系统同步信号产生的发射信号控制信号接入发射分时选择器，接收信号控制信号接入接收分时选择器。信号调制单元的部分输出信号输入正交解调单元，作为参考信号。供电单元与本系统各单元连接、提供适用电源。
本例发射分时选择器和接收分时选择器为PIN二极管开关，本例天线分时控制单元为码型发生器。码型发生器按信号发射和接收规则产生快速PIN二极管开关导通信号。信号发射和接收规则如下：每个发射天线阵元发射N＝22组脉冲，每组脉冲包含Q＝4096个子脉冲，M＝22个发射天线阵元在天线分时控制单元和发射分时选择器的控制下分时依次发射。发射天线阵列发射雷达信号的同时，接收天线阵列对监测区域反射的雷达回波进行分时接收。每个发射天线阵元发射的22组脉冲在天线分时控制单元和接收分时选择器的控制下依次由N＝22个接收天线阵元分时接收，每个接收天线阵元一次接收某个发射天线阵元的一组脉冲。
本例系统同步控制单元和信号产生单元均为现场可编程门阵列FPGA。
本山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例主要雷达参数如下表1所示：
表1本实施例主要雷达参数
本例模拟监测环境：对距离向为[1000m,2000m],方位向为[-150m,150m]的区域进行监测，雷达监测系统的MIMO雷达天线阵列中心位置为坐标原点。选取一个地质稳定的地点架设雷达监测系统的MIMO雷达天线阵列，调整天线的位置，使监测区域处于雷达有效照射范围内。
本例在监测区域中重点监测8个目标，目标的位置信息为：tg1在距离向1303.8m和方位向-100m处；tg2在距离向1303.8m和方位向100m处；tg3在距离向1301m和方位向-50m处；tg4在距离向1301m和方位向50m处；tg5在距离向1250.2m和方位向-25m处；tg6在距离向1250.2m和方位向25m处；tg7在距离向1300m和方位向0m处；tg8在距离向1302m和方位向0m处。假设目标的散射系数均为1。同时本例假设前后两次监测间隔期间监测目标形变情况如下：tg1没有发生形变；tg2雷达视线上(lineofsight，缩写LOS)出现-3mm微小形变；tg3雷达视线上出现-4mm微小形变；tg4没有发生形变；tg5没有发生形变；tg6雷达视线上出现-3.5mm微小形变；tg7没有发生形变；tg8雷达视线上出现-4.5mm微小形变。
经过相关信号处理后，本例系统监测到该区域有4处目标发生微小形变：tg2雷达视线上出现-3.033mm微小形变；tg3雷达视线上出现-4.023mm微小形变；tg6雷达视线上出现-3.556mm微小形变；tg8雷达视线上出现-4.527mm微小形变。与本例设定的形变情况相比，本实施例对各目标的监测误差均在5％以内，系统的理论监测性能能够达到对毫米级别山体形变的监测。
根据所监测的山体形变的情况，设置所监测山体滑坡的预警值ΔRM，本例设ΔRM＝5mm。当形变值ΔR的绝对值大于或等于ΔRM，系统显示与预警单元报警，并通过通信设备将此信息传输给相关工作人员以进行灾害预警。其它形变值ΔR数据存储作为研究山体运动规律的资料。
对比例
意大利IDS公司生产的山体滑坡雷达—微变形监测系统(IBIS)主要参数如下：中心频率为16.75GHz，信号带宽300MHz，频率步进数4001，合成孔径长度(导轨长度)2m，方位向扫描点数101，方位向分辨率4.5mrad，距离向分辨率0.5m。
本山体滑坡的MIMO雷达监测系统实施例和对比例IBIS雷达系统进行数值仿真监测实验，对距离向为1500m、方位向为0m的目标进行监测，设置一系列微小形变值进行数值仿真，本实施例和对比例的监测目标的形变值结果如表2所示，
表2本实施例与对比例监测形变仿真结果对比表
为了更方便比较两个系统的测量结果，将表2数据绘制成图，如图2所示，图2中横坐标为测量次数，纵坐标为形变值，单位为mm.。图中○连线表示所设置的实际形变值，▽连线表示IBIS雷达系统测量结果，□连线表示本实施例测量结果。本实施例与对比例IBIS的监测精度相似，均接近实际形变值。但本实用新型山体滑坡的MIMO雷达监测系统的架构更加简单轻便，成本更小，故实用性更强。
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统，包括顺序连接的信号产生单元、数模转换单元、信号调制单元及发射天线，顺序连接的接收天线、低噪声放大单元、正交解调单元、数据采集单元、信号处理单元和显示与预警单元，接收天线连接低噪声放大单元；其特征在于：
所述发射天线和接收天线为MIMO雷达天线阵列，MIMO雷达天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列由M个发射天线阵元组成，发射天线阵元稀疏布置；接收天线阵列由N个接收天线阵元组成，接收天线阵元密集布置；
信号调制单元的输出端经发射分时选择器与各发射天线阵元连接，各接收天线阵元经接收分时选择器与低噪声放大单元的输入端连接；本系统还配有系统同步控制单元，系统同步控制单元连接信号产生单元，对其进行同步控制，系统同步控制单元还连接天线分时控制单元，天线分时控制单元根据系统同步信号产生的发射信号控制信号接入发射分时选择器，接收信号控制信号接入接收分时选择器；信号调制单元的部分输出信号输入正交解调单元，作为参考信号；供电单元与本系统各单元连接、提供适用电源。
2.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述发射天线阵元相互间隔为所述接收天线阵元相互间隔为λ为发射波的波长。
3.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述M和N均大于等于2、且M×N为大于或等于的整数，ρa为用波束宽度表示的方位向分辨率。
4.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述波长C表示光速，f0表示基带雷达信号调制后步进起始频率，12GHz≤f0≤18GHz。
5.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述发射天线阵列的发射天线阵元为喇叭天线；所述接收天线阵列的接收天线阵元为Vivaldi天线。
6.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述发射分时选择器和接收分时选择器为PIN二极管开关，所述天线分时控制单元为码型发生器。
7.根据权利要求1所述的山体滑坡的MIMO雷达监测系统，其特征在于：
所述信号调制单元输出端的调制后的信号经过一个射频前端放大单元再接入发射分时选择器。
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