CN215340321U - 用于边坡监测的多发多收成像雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于边坡监测的多发多收成像雷达，包括M个发射阵列天线和N个接收阵列天线的微带阵列天线，调频连续波雷达射频前端模块、ADC模块、数据存储模块、数据转换模块、雷达信号处理模块和对外数据交互接口模块，调频连续波雷达射频前端模块的输入端连接微带阵列天线，其输出端连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端连接雷达信号处理模块的输入端，雷达信号处理模块的输出端连接对外数据交互接口模块的输入端，外数据交互接口模块以输出边坡监测结果；数据存储模块与雷达信号处理模块连接。本实用新型体积小，安装和维护都方便，采集图像速度快，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及地质灾害监测雷达技术领域，尤其涉及一种用于边坡监测的多发多收成像雷达。
背景技术
边坡主要分为建筑边坡、市政边坡以及山体挡墙等。针对危害性较大的地段，须采用自动化设备实时在线监测。边坡监测为防治滑坡及可能的滑动、蠕动变形塌陷和崩塌提供技术依据，预测和预报今后边坡的位移、变形的发展趋势。通过监测可对岩土体的时效特性进行相关的研究。通过监测可掌握崩塌、滑坡的变形特征及规律，预测预报崩滑体的边界条件、规模、滑动方向、发生时间及危害性，并及时采取防灾措施，尽量避免和减轻工程和人员的灾害损失。通过监测可为决策部门提供相应参数依据，为有关方面提供相关的信息，以制定相对应的防灾救灾对策。
目前用于边坡监测的雷达主要以一发一收地基合成孔径成像雷达为主，该类雷达的天线大孔径是由天线沿高精度轨道的机械运动合成的。为了实现高精度的变形测量，天线沿轨道移动时需要保持轨道高度稳定，因此，天线的移动速度不能太快，导致它的扫描周期在几分钟左右，该类雷达的实时性不高。为了提高雷达图像的采集速度，可以缩短导轨长度，然而，钢轨长度决定了合成孔径的上限，短轨导致了该类雷达方位角分辨率的降低。该类雷达成本高、体积大、功耗大、结构复杂安装和维护不方便。随着监测需求的不断提升用户对边坡监测雷达不断提出新的要求：测量精度高、全天候监测、功耗低、成本低、施工维护方便等。但目前市面上成熟的边坡监测雷达方案较少，而且成本比较高、体积较大安装和维护都不方便、不能实现全天候监测、难以适应复杂的边坡监测应用场景。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于边坡监测的多发多收成像雷达，体积小，安装和维护都方便、采集图像速度快，成本低、可实现全天候监测。
本实用新型采用以下技术方案：
用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，包括M个发射阵列天线和N个接收阵列天线的微带阵列天线，调频连续波雷达射频前端模块、ADC模块、数据存储模块、数据转换模块、雷达信号处理模块和对外数据交互接口模块；
调频连续波雷达射频前端模块，其包括若干个射频收发器级联形成M个发射通道和N个接收通道，M个发射通道对应分别通过所述M个发射阵列天线发射电磁波，N个接收通道对应分别通过所述N个接收阵列天线接收所述边坡表面反射回的电磁波；
调频连续波雷达射频前端模块的输出端连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端连接雷达信号处理模块的输入端，雷达信号处理模块的输出端连接对外数据交互接口模块的输入端，外数据交互接口模块以输出边坡监测结果；
数据存储模块与雷达信号处理模块连接。
本方案中，雷达信号处理模块对采集的边坡返回电磁波成像与存储在数据存储模块内的参照边坡雷达成像进行图像比较来判断边坡是否变形，通过对外数据交互接口模块输出边坡监测结果。
作为对上述方案的改进，其中一个所述射频收发器为主机，其他若干的所述射频收发器为从机，主机内部的始终电路和外部谐振电路产生参考时钟信号，该参考时钟信号由时钟引脚输出，经过一个时钟缓冲器把一路参考时钟信号分成若干路，为其他若干路的从机提供同步的时钟参考信号，从而实现级联。
进一步地，用于边坡监测的多发多收成像雷达，还包括数据转换模块，用于将所述数字信号转换为所述雷达信号处理模块自定义的格式。
优选地，所述ADC模块是通过高速数字信号连接器与所述数据转换模块连接。
优选地，所述数据转换模块包括若干相同型号的FPGA，每个FFPA负责转换一颗所述射频收发器输出的ADC数据；每个FPGA外部连接NOR Flash，拓展FPAG的存储容量的。
作为上述方案的改进，所述对外数据交互接口模块包括有网口通讯电路和USB2.0接口转串口电路，网口通讯电路用于边坡监测结果输出的，USB2.0接口转串口电路用于电脑上的上位机对雷达整个系统的一些参数调整的。
作为上述方案的改进，所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达还包括供电模块，由电源保护电路、直流压降电路、线性稳压电路、电源滤波器、电源管理芯片电路构成，电源保护电路的输出端连接直流降压电路的输入端，直流降压电路的第一输出端连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端分别连接所述调频连续波雷达射频前端模块和所述ADC模块为之供电；直流降压电路的第二输出端连接若干个线性稳压电路降压后分别为所述数据转换模块和对外数据交互接口模块供电；直流降压电路的第二输出端还连接电源管理芯片电路进行降压后分别为所述数据存储模块和所述雷达信号处理模块供电。
优选地，所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达还包括内存模块，有若干存储芯片构成，与所述雷达信号处理模块以T拓扑结构方式连接。
有益效果
多输入多输出合成孔径成像雷达作为一种用于高精度、高速变形测量的新型雷达。基于MIMO技术，可以利用多个发射和接收天线组成一个特定的结构，获得大的合成孔径。在多发多收雷达的成像周期内，发射天线可以在同一时间或不同时间发射信号，接收天线可以同时接收回波信号。因此，多发多收成像雷达系统可以快速扫描监控场景，与单发单收的合成孔径雷达相比，可以将图像采集间隔缩短到几秒。多发多收雷达可以对高变形率的场景进行变形测量。它不采用金属轨道合成大孔径，避免了天线在轨道上的振动或轨道高度不稳定造成的相位误差问题，也避免由导轨导致的成本高、体积大、安装调试难度大、维护成本高的问题。
附图说明
图1为本实施例提供的一种用于边坡监测的多发多收成像雷达的整体示意图；
图2为本实施例提供的多发多收成像雷达的微带阵列天线示意图；
图3为本实施例提供的多发多收成像雷达的单个微带阵列天线的方向图；
图4为本实施例提供的多发多收成像雷达的供电模块示意图；
图5为本实施例提供的多发多收成像雷达的内存模块示意图；
图6为本实施例提供的多发多收成像雷达的单个射频收发器示意图；
图7为本实施例提供的多发多收成像雷达的射频前端模块示意图；
图8为本实施例提供的多发多收成像雷达的数据转换模块示意图；
图9为本实施例提供的多发多收成像雷达的数据存储模块示意图；
图10为本实施例提供的多发多收成像雷达的对外数据交互接口模块示意图；
图11为本实施例提出的多发多收成像雷达的雷达信号处理模块示意图；
图12为本实施例提出的多发多收成像雷达的雷达信号处理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，用于边坡监测的多发多收成像雷达主要包括微带阵列天线模块、调频连续波雷达射频前端、ADC模块、数据转换模块、内存模块、雷达信号处理模块、数据存储模块、对外数据交互接口模块、供电模块9部分。
参照图2、图3，微带阵列天线模块由N个接收阵列天线RX和M个发射阵列天线TX组成。每个单独的天线由4个阵元构成，每个阵列天线E平面上的半功率波束宽度为66°，H平面上的半功率波束宽度为20°。天线采用如图3所示的布局方式，其处理数据将更加方便。
参照图4，供电模块由电源保护电路、直流降压电路、LDO稳压电路(即线性稳压电路)、电源滤波器、电源管理芯片电路构成。系统采用12V直流电压供电，供电电源的带载能力不能小于3A。电源经接线端子进入雷达后，首先经过保护电路，然后电源经直流降压电路降压转换成2路的5V电压。其中一路5V电压由LDO电路转换出3.3V和经过电源管理芯片电路转换出1.8V、1.2V、1V，这些电压通过滤波器之后为调频连续波雷达射频前端和ADC模块供电。另外一路5V电压经多个LDO稳压电路和电源管理电路降压和转换出3.3V、2.5V、1.8V、1.2V、1.1V，为数据转换模块、内存模块、雷达数据处理模块、数据存储模块、对外数据交互接口模块供电。
参照图5，内存模块是用来存储数据应算中所需的和所产生的临时数据的，本实施例中采用的是DDR3，40GB的内存，一共使用了5颗存储芯片，单颗存储芯片的容量为8GB，存储芯片总线宽度是16bit，结构为512M x16，时钟频率为800MHz，5颗存储芯片与雷达信号处理模块之间采用“T”型拓扑结构。
参照图6，本实施中使用的是集成射频收发器，每个射频收发器上有3个发射通道TX，每个发射通道的发射功率为13dBm，4个接收通道RX，RX的噪声系数为12dB，并且集成了4个12位ADC采样通道，其最大采样率为37.5Msps。如图7，在发射链路中20GHz的线性调频信号，一部份直接输出为多颗射频收发器级联提供同步的FMCW_CLK；另一部分经过4倍频后为80GHz的调频连续波信号，经过移相器phaser移相之后，一部份信号当成本振信号供接收链路混频使用；另一本信号进入功率放大器PA，80GHz的调频连续波信号被放大之后由发端口进入微带阵列天线后，导行波被转换成空间中的电磁波，然后电磁波信号被发射出去。在接收链路中，空间中的碰到目标反射回来的电磁波经接收天线接收之后转换成电路里的导行波，从接收端口进入低噪声放大器LAN，经其放大后信号进入混频器Mixer与本振信号进行混频，混频之后产生模拟中频信号IF，中频信号经过ADC采样模块采样之后将模拟IF信号转换成数字中频IF′。
参照图7，由4颗射频收发器级联构成拥有M个发射通道、N个接收通道的调频连续波雷达射频前端。根据多发多收雷达的理论该雷达前端相当于拥有M x N个等效观测通道。在本实施例的调频连续波雷达射频前端模块中，使用一颗射频收发器作为为主机，其他三颗为从机。主机为从机提供的2路20GHz的调频信号FMCW_CLK经过两个威尔金森功分器分成4路，为主机本身和3个从机提供同步的20GHz的调频信号FMCW_CLK。主机依靠内部时钟电路和外部谐振电路产生40MHz的参考时钟信号，该时钟信号由时钟引脚输出，经过一个时钟缓冲器把一路时钟信号分成3路，为3个从机提供同步的时钟参考信号，从而实现级联。ADC采样后的中频数字信号IF′数据以CSI2.0的通信格式输出，该信号是通过高速数字信号连接器与数据转换模块实现物理连接。射频相关参数的配置是写到射频收发器的数字前端里的。射频收发器里数字前端的状态输出、程序的烧写、参数配置是通过GPIO、Uart、SPI这些方式来实现的。
参照图8，数据转换模块是将ADC采样后的数字中频信号IF′的格式做一个转换，将CSI2.0通信格式的数据转换成雷达信号处理模块中的专用数字处理芯片能识别的数据格式。该模块主要由4颗相同型号的FPGA构成，每个FFPA负责转换一颗射频收发器输出的ADC数据。每颗FPGA外带的NOR Flash是为了拓展FPAG的存储容量的，FPGA程序下载接口是烧写FPGA的程序和调试FPGA用的。
参照图9，数据存储模块是用来存储原始的ADC数据和最终的雷达对边坡监测结果。它与雷达数据处理模块之间采用的连接器也是常规的PCIE2.0的连接器通讯协议是标准的PCIE2.0协议。它主要由存储控制电路和Flash电路构成。本实施例中使用的存储模块存储空间一共512GB。
参照图10，对外数据交互接口模块是负责雷达和其他设备进行数据交互的。该模块主要有网口通讯电路和USB2.0接口转串口电路组成。网口通讯电路主要是负责边坡监测结果输出的；USB2.0接口转串口电路主要负责电脑上的上位机对雷达整个系统的一些参数调整的。
参照图11，雷达信号处理模块通过对整个雷达模块的逻辑控制、雷达数据的处理、成像算法的实现、图像对比算法实现，最终实现边坡监测的结果数据输出。该模块由专用数字信号处理芯片电路、SD卡座及其ESD保护电路、NOR Flash电路、程序下载了调试接口电路、拨码开关电路组成。专用数字信号处理芯片电路是该模块的核心、SD卡座电路是用来更新雷达系统中的相关的固件程序的。NOR Flash(1GB)电路是为了扩大专用数字信号处理芯片的存储空间而使用的，它使用QSPI进行数据通信。程序下载了调试接口电路是用来调试和下载专用数字信号处理芯片的代码的、拨码开关是用来选择BOOT模式。
参照图12，从该图可以看出ADC采样的数字信号经过格式转换后进入数字信号处理专用芯片内，然后处理步骤如下：对其做相位补偿；做距离向上的FFT变换；做方位向的FFT变换；进行方位向压缩以提高图像分辨率；做方位向IFFT变换；聚焦成像，实现成像算法；与最初成像的结果做图像对比；判断边坡变形与否实现边坡监测算法，输出边坡监测结果。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，包括M个发射阵列天线和N个接收阵列天线的微带阵列天线，调频连续波雷达射频前端模块、ADC模块、数据存储模块、雷达信号处理模块和对外数据交互接口模块；
调频连续波雷达射频前端模块，其包括若干个射频收发器级联形成M个发射通道和N个接收通道，M个发射通道对应分别通过所述M个发射阵列天线发射电磁波，N个接收通道对应分别通过所述N个接收阵列天线接收所述边坡表面反射回的电磁波；
调频连续波雷达射频前端模块的输出端连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端连接雷达信号处理模块的输入端，雷达信号处理模块的输出端连接对外数据交互接口模块的输入端，对外数据交互接口模块以输出边坡监测结果；
数据存储模块与雷达信号处理模块连接。
2.如权利要求1所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，其中一个所述射频收发器为主机，其他若干的所述射频收发器为从机，主机内部的始终电路和外部谐振电路产生参考时钟信号，该参考时钟信号由时钟引脚输出，经过一个时钟缓冲器把一路参考时钟信号分成若干路，为其他若干路的从机提供同步的时钟参考信号，从而实现级联。
3.如权利要求1所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，还包括数据转换模块，用于将所述ADC模块产生的数字信号转换为所述雷达信号处理模块自定义的格式。
4.如权利要求3所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，所述ADC模块是通过高速数字信号连接器与所述数据转换模块连接。
5.如权利要求4所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，所述数据转换模块包括若干相同型号的FPGA，每个FFPA负责转换一颗所述射频收发器输出的ADC数据；每个FPGA外部连接NOR Flash，拓展FPAG的存储容量的。
6.如权利要求1所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，所述对外数据交互接口模块包括有网口通讯电路和USB2.0接口转串口电路，网口通讯电路用于边坡监测结果输出的，USB2.0接口转串口电路用于电脑上的上位机对雷达整个系统的一些参数调整的。
7.如权利要求3、4、或5所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，还包括供电模块，由电源保护电路、直流压降电路、线性稳压电路、电源滤波器、电源管理芯片电路构成，电源保护电路的输出端连接直流降压电路的输入端，直流降压电路的第一输出端连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端分别连接所述调频连续波雷达射频前端模块和所述ADC模块为之供电；直流降压电路的第二输出端连接若干个线性稳压电路降压后分别为所述数据转换模块和对外数据交互接口模块供电；直流降压电路的第二输出端还连接电源管理芯片电路进行降压后分别为所述数据存储模块和所述雷达信号处理模块供电。
8.如权利要求1所述的用于边坡监测的多发多收成像雷达，其特征在于，还包括内存模块，有若干存储芯片构成，与所述雷达信号处理模块以T型拓扑结构方式连接。
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