EA031233B1

EA031233B1 - Способ и система удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций

Info

Publication number: EA031233B1
Application number: EA201590606A
Authority: EA
Inventors: Джузеппе Джунта; Андреа Монти-Гуарньери
Original assignee: Эни С.П.А.
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2018-12-28
Also published as: CY1120527T1; NO2937711T3; EP2937711A1; EA201590606A1; DK2937711T3; TR201801222T4; US9927514B2; EP2937711B1; US20150309161A1

Abstract

Описаны способ и система для удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций. Способ включает следующие шаги: передача множества радиолокационных волн при помощи множества соответствующих радиолокационных устройств, установленных на заранее заданном расстоянии от множества соответствующих приемных устройств или мишеней, закрепленных на объекте или конструкции; получение первого значения расстояния между каждым из радиолокационных устройств и соответствующим приемным устройством или мишенью, при этом на первое значение расстояния влияет ошибка, состоящая из суммы возмущения вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу и взаимных помех между одним из приемных устройств или мишеней и одним или более неподвижных отражателей, расположенных вблизи упомянутых приемных устройств или мишеней; получение, одновременно с упомянутым первым значением расстояния, второго значения расстояния между каждым из радиолокационных устройств и множеством соответствующих калибровочных устройств, расположенных на заранее заданных расстояниях от упомянутых радиолокационных устройств, при этом второе значение расстояния имеет ошибку, состоящую только из возмущения вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу; оценка и удаление ошибки, состоящей из возмущения вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу для получения второго скорректированного значения расстояния; оценка и удаление ошибки, состоящей из взаимных помех между упомянутым одним из приемных устройств или мишеней и одним или более неподвижных отражающих объектов, расположенных вблизи упомянутых приемных устройств или мишеней, для получения первого скорректированного значения расстояния, которое определяет величину пространственного смещения объекта или конструкции.

Description

Изобретение относится к способу и системе удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений объектов и конструкций, а именно к способу и системе, в которых применяют несколько радиолокационных датчиков и пассивные калибровочные мишени.

Способ и систему в соответствии с настоящим изобретением применяют для непрерывного удаленного контроля в целях оценки деформаций и вибраций исследуемых объектов или конструкций посредством одновременных измерений с помощью двух или более радиолокационных датчиков, расположенных в удаленных точках, а именно, без необходимости установки датчиков в непосредственной близости от измеряемого объекта или конструкции и с использованием исключительно пассивных (удобство) отражателей и соответствующих калибровочных мишеней. Измерения смещений осуществляются с микрометрической точностью в диапазоне применения без насыщения измерений вибрации, который составляет от 0,01 до 20 мм (в зависимости от длины волны). При этом измерения осуществляют с заданной для каждого конкретного сценария применения частотой инспектирования, которая зависит от расстояния, на котором выполняют регистрацию сигналов, и может составлять десятки тысяч наблюдений в секунду (около 10 кГц). Возможные области применения упомянутых способа и системы относятся, например, к петрохимическим установкам газокомпрессорным станциям, тепловым электростанциям, дамбам и трубопроводам под давлением, нефтеперерабатывающим предприятиям, морским платформам, ветровым турбинам, мостам и путепроводам, монументам, историческим постройкам и т.п.

На существующем уровне техники измерения вибраций осуществляют главным образом при помощи акселерометрических методов, которые, однако, требуют установки датчиков в непосредственном контакте с объектом или конструкцией и прокладки электрических кабелей длиной до 100 м. Такие методы не позволяют осуществлять измерения очень медленных смещений, при этом датчики подвержены насыщению, если смещения становятся значительными и/или быстрыми. По этой причине более предпочтительными являются методы удаленных измерений, основанные на локализации в пространстве с числом измерений от 1 до 3. Такие измерения повторяют периодически в последовательные моменты времени.

Известны методы двумерной и трехмерной локализации на суше с использованием различных типов датчиков (радиолокационных, ультразвуковых, лазерных, глобальных спутниковых навигационных систем (global navigation satellite systems, GNSS, камер), которые основаны на трилатерации данных, полученных тремя или более датчиками, с целью определения местоположения и смещения в пространстве. Оптико-фотограмметрические методы, в частности, с применением так называемых полных станций требуют оптической видимости (света, отсутствия туманов и/или испарений) и обеспечивают точность порядка 1,5 мм с использованием мишеней, оснащенных призмами. Точность спутниковых систем GNSS, в свою очередь, имеет сантиметровый порядок. При этом такие системы, помимо видимости группировки спутников, требуют наличия активных устройств (приемников), и следовательно, сравнимы с акселерометрическими системами.

Лазерные системы типа лидаров (лазерных эхолокаторов), например радиолокационные системы, не требуют источников света или внешних устройств и обеспечивают оптимальные пространственные разрешения с приемлемыми временами измерения, однако точность оценки перемещений составляет порядка одного или более миллиметров (в зависимости от расстояния до объекта и его способностей отражать лазерное излучение), а также для оптических систем. Радиолокационные системы благодаря применению методов интерферометрии, обеспечивают точности, недоступные при использовании других систем.

В существующих публикациях предложено множество различных радиолокационных систем интерферометрии, которые, однако, страдают от следующих двух основных недостатков:

необходимость устранения возмущений (шумов радиолокатора) вследствие помеховых целевых объектов; и необходимость компенсации возмущений, возникающих из-за прохождения электромагнитных волн через атмосферу и вибраций радиолокационного оборудования.

На существующем уровне техники были предложены следующие решения проблемы, связанной с возмущениями вследствие так называемого вклада помех (или помеховых отражений):

радиолокационные системы с синтезированной апертурой, например, описанные в документе US 2011/0298655 А1. Такие системы, обозначаемые сокращением SAR (Synthetic Aperture Radar, радиолокатор с синтезируемой апертурой), способны пространственно разделять вклады, вносимые в принятый сигнал различными объектами, за счет синтеза антенны радиолокатора, имеющей значительные размеры. Синтез достигается благодаря перемещению радиолокационного датчика по направляющим или при помощи иного специального устройства, среди которых в случае значительных расстояний могут быть, например, самолеты или спутники. Соответственно, такие устройства являются дорогостоящими и громоздкими и требуют значительного времени (от секунд до минут) для получения каждого измерения, что снижает частоту инспекций целевого, т.е. измеряемого, объекта.

активные системы (к примеру, транспондеры) типа, описанного, например, в документе ЕР 2382487 А1. В подобных системах проблему помех решают за счет применения различных кодов и/или частот для каждого устройства, аналогично методам, применяемым в области телекоммуникаций для

- 1 031233 мобильных систем. Их принцип действия аналогичен принципу действия вспомогательных радиолокаторов в авиации. Применение таких систем ограничено тем фактом, что они являются активными, и следовательно, должны устанавливаться в непосредственном соприкосновении с измеряемым объектом или конструкцией. При этом подобные системы также излучают электромагнитные поля и имеют ограниченную стабильность в долгосрочном периоде из-за теплового дрейфа и старения;

системы с одновременными оптическими и радиолокационными измерениями, например типа, описанного в документе US 2006/0260407 А1, оснащенные одним или двумя приемными устройствами для устранения погрешностей поля вибрации. В таких системах, однако, не решена проблема помех;

системы радиолокации с инверсной синтезируемой апертурой (inverse SAR, ISAR) например типа, описанного в документе ЕР 1178330 А1, которые позволяют измерять смещения, сравнимые с длиной волны, но за относительно длительное время. В системах с инверсной синтезируемой апертурой применяют значительные смещения целевого объекта в направлении поперек диапазона, чтобы отличить их от возможных помех. Это позволяет эффективно применять их в военной или автомобильной областях, однако не представляет интереса при оценке вибраций, где целевой объект, т.е. измеряемый объект или конструкция, как правило сохраняет неподвижное положение;

системы обработки данных с пространственно-временной адаптацией (STAP) (см. статьи В.Л. Мелвина Обзор систем STAP и Дж. Эндера Пространственно-временная обработка сигналов для многоканального радиолокатора с синтезированной апертурой) (Melvin W.L., A STAP overview, Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEE, vol. 19, no. 1, pages 19-35, Jan. 2004; Ender, J., Space-time processing for multichannel synthetic aperture radar, Electronics & Communication Engineering Journal, Feb. 1999. Также в этом случае предполагается, что величина перемещений целевого объекта превосходит несколько длин волн, т.е. несколько сантиметров.

В свою очередь для проблемы, связанной с нарушением распространения электромагнитного сигнала вследствие флуктуации коэффициента преломления атмосферы, на существующем уровне техники предложены в том числе следующие решения:

процедура радиолокационных измерений смещений на городских территориях и территориях с оползнями, описанная в документе WO 00/72045 А1;

техническая статья Наземная радиолокационная интерферометрия для контроля оползней: атмосферные и инструментальные источники декорреляции на основе экспериментальных данных (Groundbased radar interferometry for landslides monitoring: atmospheric and instrumental decorrelation sources on experimental data), опубликованная в ноябре 2004 года (Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, том. 42, №11, стр. 2454-2466).

Такие технические решения основаны на радиолокационных системах с синтезированной апертурой (SAR), в которых распознавание неподвижных отражателей, впоследствии используемых для компенсации нарушения распространения электромагнитных волн, реализуют с использованием подвижной платформы. Обзор этих технических решения приведен в статье Л. Ланнини и A.M. Гуарниери Атмосферный фазовый экран в наземных радиолокаторах: статистика и компенсация (Lannini L; Guarnieri, A.M.: Atmospheric phase screen in ground-based radar: statistics and compensation), опубликованной в мае 2001 года (Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, том 8, №3, стр. 537-541). Подобные технические измерительные решения обладают общими свойствами: применение радиолокационных систем SAR для удаления помеховых отражений и для определения, после этого, неподвижных опорных целевых объектов в конкретном сценарии применения или для осуществления наблюдений в крайне продолжительных интервалах времени (от месяцев до нескольких лет), которые не совместимы с основными требованиями к способу и системе в соответствии с настоящим изобретением.

Методы радиолокационных интерферометрических измерений, как правило, обеспечивают уникальные характеристики в отношении пространственной точности (микрометры) в случае удаленных измерений, а также не подвержены насыщению, позволяют измерять положения непосредственно, и наконец, не требуют наличия активных мишеней.

Основными недостатками таких методов измерения, однако, являются чувствительность к смещению радиолокационного датчика, наличие нарушений распространения сигнала в тропосфере и нарушение распространения помеховых отражений от помеховых целевых объектов. Применение устройств радиолокации с синтезированной апертурой (SAR), как и устройств радиолокации с реальной апертурой, позволяет эффективно решить указанные проблемы, однако такие устройства являются сложными, крайне громоздкими и обладают длительными интервалами между измерениями. В других случаях нарушение распространения помеховых отражений компенсируют применением пространственно-временных фильтров, однако только с тем допущением, что смещения превышают величину нескольких длин волн (порядка нескольких сантиметров).

Соответственно, цель настоящего изобретения - предложить способ и систему для удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций, а именно, способ и систему, в которых применяются несколько радиолокационных датчиков и пассивные калибровочные мишени, позволяющие преодолеть описанные выше недостатки существующего уровня техники крайне простым, экономичным и в высокой степени функциональным образом.

- 2 031233

В способе и системе удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций в соответствии с настоящим изобретением предложено применение нескольких радиолокационных датчиков, синхронизированных друг с другом, и антенны с большой угловой апертурой (десятки градусов), что позволяет одновременно охватывать все целевые измеряемые объекты в конкретном сценарии применения. Это дает возможность использовать опорные углы. Способ и система в соответствии с настоящим изобретением позволяют реализовать оценку вибрационного поля с одновременной компенсацией прохождения сигналов через атмосферу и влияния собственной вибрации радиолокационных датчиков.

Способ и система в соответствии с настоящим изобретением не обеспечивают абсолютной локализации целевого объекта, позволяя только определить изменение его пространственного положения во времени, что дает возможность реконструировать, с точностью до константы, двухмерное или трехмерное (2D/3D) поле вибраций. Для обеспечения возможности реализации таких измерений решена проблема помеховых отражений, которая становится критичной для радиолокационных датчиков с широким углом обзора, - при помощи предложенной в настоящем изобретении обработки сигналов, в случае помех от неподвижных объектов, и при помощи соответствующего метода калибровки в случае медленно движущихся помеховых объектов.

Описанные выше цели настоящего изобретения достигаются при помощи предложенного способа и системы для удаленного контроля двухмерного или трехмерного поля смещений и вибрации объектов и конструкций, охарактеризованных в независимых пунктах формулы изобретения.

Дополнительные признаки изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения, которые являются неотъемлемой частью настоящего документа.

Отличительные признаки и преимущества способа и системы для удаленного контроля двухмерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций в соответствии с настоящим изобретением могут быть поняты более детально из дальнейшего поясняющего и неограничивающего описания, выполненного со ссылками на приложенные эскизные чертежи, где на фиг. 1А и 1В, соответственно, показаны детальный вид и более схематичный вид одного из вариантов системы контроля в соответствии с настоящим изобретением. Проиллюстрированы три радиолокационных устройства, блок синхронизации, который обеспечивает синхронизацию (фиг. 1А), три калибровочных устройства и целевые объекты, подлежащие контролю;

на фиг. 2А и 2В, соответственно, показаны предпочтительные варианты осуществления калибровочного устройства и целевой объект, подлежащий контролю;

фиг. 3 представляет собой блок-схему, на которой проиллюстрирован принцип действия системы и способа в соответствии с настоящим изобретением, основанный на подавлении помех от неподвижного целевого объекта. В комплексной плоскости радиолокационные измерения, с воздействием помех, задаются вектором Р, тогда как вектор N - это вклад помех от неподвижного целевого объекта. Фаза, измеренная в условиях воздействия помех, обозначена как φ₆, тогда как искомая фаза, без помех, обозначена как φ, при этом она изменяется во времени в результате движения целевого объекта (положения, обозначенные точками на окружности ρ). Подавление помех основано на оценке вклада N помех как центра окружности с радиусом ρ, точки на которой обозначают различные положения целевого объекта;

фиг. 4 представляет собой блок-схему с иллюстрацией фаз в способе контроля в соответствии с изобретением, используемых для формирования двухмерного или трехмерного поля вибрации;

фиг. 5 иллюстрирует один из примеров применения системы в соответствии с настоящим изобретением. Проиллюстрировано радиолокационное устройство (радиолокатор ku), две калибровочные и компенсационные мишени (дальний эталон и ближний эталон) и три неподвижных целевых объекта измерений (прямая труба, верхний изгиб и нижний изгиб), установленные на объекте или конструкции, представляющей собой трубопровод газовой электростанции;

фиг. 6 представляет собой блок-схему с иллюстрацией результата субмиллиметровой деформации трубопровода в соответствии с тремя точками контроля (прямая труба, верхний изгиб и нижний изгиб полученного в результате эксперимента фиг. 5, где ясно виден диапазон активации газовой электростанции;

на фиг. 7 проиллюстрирована фаза подготовки эксперимента для проверки способа и системы в соответствии с настоящим изобретением, при котором искусственный изменяемый объект установлен на удалении нескольких метров от датчиков; ему сообщено синусоидальное движение с полным размахом колебаний, равным 7 мм;

на фиг. 8А и 8В, соответственно, показаны амплитуда и пространственное направление вибраций, измеренных радиолокационным устройством после применения метода коррекции неподвижного целевого объекта, находящегося на том же расстоянии, что и измеряемый целевой объект (равноотстоящий целевой объект), что позволяет повысить точность наблюдения смещений; и на фиг. 9 показан один из примеров практического применения метода подавления помех, применяемого в реальных условиях непрерывного контроля и включающего измерение деформаций подвесного моста при прохождении автопоезда (сочлененного транспортного средства). Деформации были скор

- 3 031233 ректированы при помощи устранения влияния равноотстоящих помеховых целевых объектов, в этом случае также неподвижных, что позволило повысить точность наблюдения смещений.

Со ссылками на приложенные чертежи ниже описаны способ и система удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объектов и конструкций. В частности, в способе и системе в соответствии с настоящим изобретением предлагается измерение смещений и вибрации с помощью по меньшей мере двух устройств или радиолокационных источников (Rj, R₂ и R₃), соответствующим образом синхронизированных друг с другом. А именно, применение двух устройств или радиолокационных источников R₁ и R₂ предполагается в случае реконструкции двумерных полей, а трех устройств или радиолокационных источников Rj, R₂ и R₃ - в случае реконструкции трехмерных полей.

Два или более радиолокационных источников Rj, R₂ и R₃ применяют в моностатической конфигурации с разделением по времени, что означает, что каждое из радиолокационных устройств Rj, R₂ и R₃передает и принимает собственные радиолокационные сигналы, при этом синхронизацию их друг с другом, в целях исключения взаимных помех, обеспечивают при помощи внешней опорной системы 10, например, главного тактового генератора. Каждое из радиолокационных устройств R₁, R₂ и R₃ сконфигурировано для измерения двух или более соответствующих физических точек объекта или конструкции 12, размещенных на различных расстояниях (дальностях наблюдения) от соответствующих радиолокационных устройств R₁, R₂ и R₃. Эти физические точки оснащены двумя или более соответствующими приемниками или устройствами-мишенями T₁, T₂ и Т₃, видимыми в широком диапазоне углов для радиолокационных устройств R₁, R₂ и R₃. Мишени T₁, T₂ и Т₃ могут состоять, например, из трехгранных отражающих элементов (фиг. 2В), сферических линз Люнеберга или других аналогичных устройств.

С целью точных измерений положения и одномерных смещений объекта при помощи одиночного радиолокационного устройства и метода интерферометрии, используют, как правило, известную фазу обратного распространения радиолокационных волн (с устранением неопределенности множителей 2π) для определения расстояния по линии прямой видимости (line of sight, LOS), R_LOS(R,T), между радиолокационным устройством и объектом, или точнее, мишенью, размещенной непосредственно на объекте

Такие методы измерений применяются на существующем уровне техники для наземных и спутниковых систем, беспроводных систем, акустических (ультразвуковых) систем и т.п. Эти методы являются по сути одномерными и, соответственно, не способны обеспечить локализацию объекта в трехмерном (3D) пространстве. По этой же причине они не чувствительны к малым смещениям параллельно направлению наблюдения (взгляда). Трехмерная локализация физических точек объекта, также известная на существующем уровне техники, основана на билатерации или трилатерации на основе данных, полученных от двух или более датчиков, с целью определения местоположения и смещений наблюдаемого целевого объекта.

Расстояние R_LOS(Rk,T_n) между n-й мишенью T_n и соответствующим k-м устройством или радиолокационным источником Rk представлено ниже, в частности, в нем учитывается вибрационное движение AR_LOS(t,Rk,T_n) упомянутого устройства или радиолокационного источника Rk во времени, а также возмущение d_aps вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу (которое считается аддитивным).

R_los(RM + (t,R_t,Т„) = + d (t,R_t,T„) + (ί) (2) /о где ψ„^ представляет собой измерение фазы сигнала, принятого от n-й мишени и от k-го устройства или радиолокационного источника R_k, развернутой в соответствии с методами, описанными в литературе, тогда как w_n,k(t) - погрешность вследствие помех в системе и взаимных помех между различными мишенями T_n и неподвижными отражателями, установленными вблизи этих мишеней T_n. В традиционных системах измерений, соответствующих существующему уровню техники, выражение в левой части уравнения (2) получают, начиная с фазовых измерений (выражение справа), а также на основе вспомогательной, известной заранее информации, которая позволяет устранить неопределенность фазы (известной с точностью до множителей 2π) и возмущения d_aps вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу.

В способе и системе контроля в соответствии с настоящим изобретением проблему измерений решают с помощью другого подхода. Одновременно выполняют измерение расстояния между радиолокационными устройствами R₁, R₂ и R₃, и соответствующими неподвижными калибровочными устройствами C1, С₂ и С₃, расположенными на заранее заданных расстояниях от упомянутых радиолокационных устройств R₁, R₂ и R₃, как это показано, например, на фиг. 1А и 1В. Калибровочные устройства C₁, С₂ и C₃ могут состоять, например, из трехгранных отражающих элементов, цилиндрических или других отражающих элементов (фиг. 2А). Соответственно, уравнение (2) изменено следующим образом:

- 4 031233

R_IOS W. C,)+Δ/?,,, (r, R_t, C, ) = ^+dp>.R_t.c_P) ^4гг A ' (3) где С_р - положение неподвижных калибровочных устройств С1, С₂ и С₃, измеренное с прецизионной точностью. Расстояния и пространственное расположение таковы, что нарушением распространения сигнала, т.е. выражением можно w_n,k(t) можно пренебречь.

Возмущение d_aps вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу аппроксимируется константой и членом, линейно зависящим от расстояния, что характеризует его в каждом моменте времени парой параметров k₀ и k₁.

d_aps ^^Rk’^Cp) ~ (0 ⁺ LOS (^Rk £ /J (4) что позволяет определить расстояние между радиолокационными устройствами R₁, R₂ и R₃ и соответствующими неподвижными калибровочными устройствами C₁, С₂ и C₃ с помощью следующего уравнения (5):

A«(A.G)=^^AL+h(»)-^_iOS(r.A,c_p)]+k(ok_os(A,c_p)

Jo

Для каждого устройства или радиолокационного источника Rk в каждый момент времени выполняют два интерферометрических измерения относительно двух калибровочных устройств С_р, что позволяет записать два различных уравнения (5). Измерения и расстояния R_LOS известны, неизвестными являются два параметра k₀ и k₁ в квадратных скобках. Вычисленные значения этих параметров, k₀ и k₁, вычитают из уравнения (2).

Таким образом получают одновременно компенсацию возмущения d_aps вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу и вибрационного движения AR_LOS(t,Rk,T_n), соответствующего каждому устройству или радиолокационному источнику R_k, что позволяет вернуться к идеальному уравнению (1). Единственное различие состоит в выражении ψ^, которое представляет собой вклад шума (микрометрического при радиолокационных измерениях) и возмущений вследствие помех от равноотстоящих целевых объектов, т.е. целевых объектов, которые практически неподвижны и расположены от каждого устройства или радиолокационного источника R_k на расстоянии, практически равном удалению объекта или конструкции 12 от упомянутого устройства или радиолокационного источника R_k.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, предложена обработка данных, имеющая целью удаление радиолокационных помех от равноотстоящих целевых объектов, когда они являются неподвижными (стационарными). Эта идея проиллюстрирована на фиг. 3. Радиочастотный сигнал, принятый от каждого устройства или радиолокационного источника R_k, демодулируют и преобразуют в комплексный сигнал P(t), который может быть представлен как

P(t) = N +φ(ί))

т.е. сумма вклада N помех, комплексного, но с постоянной фазой (поскольку объект стационарен), и полезного сигнала pexp(jQ(t)), полученного от движущейся мишени T_n, с меняющейся во времени фазой (величина, которую необходимо измерить). Если уравнение (1) применить для фазы P(t), то в соответствии с иллюстрацией фиг. 3 получают погрешность. Действительно, фаза P(t) отличается от фазы p(t) слагаемым φ₆, которое равно нулю только в отсутствии аддитивной помехи N от неподвижных целевых объектов. Эта задача известна в литературе. Существуют методы устранения помехового вклада N при условии, что смещения превышают несколько длин волн (порядка сантиметров). Эти методы эффективны не только для возмущений от неподвижных целевых объектов, но и в случае возмущений от движущегося объекта T_n, при условии, что его движение является медленным по сравнению с исследуемым объектом или конструкцией 12, однако они не применимы в случае вибраций с малой амплитудой, сравнимой с длиной волны и менее.

В способе в соответствии с настоящим изобретением оценку фазы (pft) полезного сигнала осуществляют следующим образом.

1. Вклад N помехи восстанавливают как центр окружности, показанной на фиг. 3, и определяют три параметра p_N, φ^ ρ с целью минимизации функции ошибки, имеющей следующий вид:

Ση\\Ρ(η) - P_Nexp(j(p_N) \ -р| (7) где Р(п) - комплексное значение сигнала радиолокации, измеренное в последовательные моменты времени. Измерения Р(п) выбирают таким образом, чтобы обеспечить угловой разброс измерений, что повышает точность определения центра окружности.

2. Из значения Р(п) вычитают восстановленную комплексную постоянную p_N exp^_N), т.е. помеху от неподвижного целевого объекта.

3. На основе полученного результата вычисляют фазу (p(t) полезного сигнала.

После компенсации двух ошибок (возмущение вследствие вклада N помехи и возмущение d_apsвследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу), необходимо решить систему (8) трех уравнений для каждой мишени T_n, что дает компенсированное расстояние от упомянутых мишеней T_n,

- 5 031233 до двух или трех соответствующих радиолокационных устройств Rk (где k =1, 2, 3) (¾ - %_n(t))² + (yk - yn(t))² + (zk - z_n(t))² = - [GW - ^&RLos(.t, Rk, Cp)J - [G(t)]Gos(G. Cp) где Xk, yk и Zk представляют собой (известные) составляющие декартовых координат каждого из радиолокационных устройств Rk; x_n, y_n и z_n представляют собой составляющие декартовых координат (которые необходимо определить) каждой из мишеней T_n; выражения в квадратных скобках представляют собой возмущения в результате прохождения электромагнитных волн через атмосферу, d_aps, вычисленные для неподвижных мишеней, а выражение для фазы удалено из вклада помех от неподвижных целевых объектов в соответствии с предшествующим описанием.

Систему (8) уравнений решают при помощи линеаризации изменений движения относительно номинального положения каждого из радиолокационных устройств R_k и каждой мишени T_n, измеренных с помощью лазерного сканирования, системы определения положения в пространстве типа лидара, или другого метода геометрической регистрации, на фазе калибровки. Таким образом, получают трехмерное поле вибрации для физических точек измерений {x_n(t),y_n(t),z_n(t)} объекта или конструкции 12.

На примере фиг. 4 схематично, при помощи соответствующих функциональных блоков, показаны фазы процедуры обработки данных, имеющей целью получение двухмерного или трехмерного поля смещений и вибраций объекта или конструкции 12.

Процедура включает в основном следующие фазы:

a) геометрическая калибровка системы;

b) получение и сжатие данных, поступающих от радиолокационных устройств Rk;

c) оценка и удаление помех от неподвижных целевых объектов с использованием уравнения (7);

d) выделение развернутой фазы, соответствующей калибровочным устройствам С_р, с помощью уравнения (3);

e) оценка возмущений вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу, d_aps, и движения мишеней T_n относительно радиолокаторов R_k, начиная с калибровочных устройств С_р с использованием уравнений (4);

f) устранение влияния возмущений вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу, daps, и движения мишеней Tn относительно радиолокаторов Rk,

g) оценка деформации объекта или конструкции 12 при помощи развертывания фазы, измеренной каждым из радиолокационных устройств R_k для каждого из калибровочных устройств С_р;

h) восстановление двухмерного или трехмерного поля вибрации объекта или конструкции 12, с использованием в качестве опорных значений компенсированных расстояний между мишенями T_n и соответствующими радиолокационными устройствами R_k, и с линеаризацией и инверсией, или псевдоинверсией, системы (8) уравнений.

На фиг. 5 проиллюстрирован пример контроля трубопровода промышленного предприятия, который выходит из газокомпрессорной станции и испытывает деформации и вибрационные перемещения во время запуска технологического процесса предприятия. Система контроля предполагает обеспечение наличия сети калибровочных мишеней и пассивных мишеней контроля, позволяющих применить способ точной оценки смещений трубопровода в пространстве. Соответственно, система контроля включает в себя два радиолокационных устройства (радиолокатор ku), из которых на фиг. 5 показано только одно, две калибровочные и корректировочные мишени (ближний эталон и дальний эталон) и три пассивных измерительных мишени (прямой трубопровод, верхний изгиб и нижний изгиб), закрепленных на трубопроводе. Составляющие вибрации, восстановленные в двух измерениях, в направлении трубопровода и перпендикулярном ему направлении, проиллюстрированы на фиг. 6.

На фиг. 7 проиллюстрирован пример измерений трехмерной вибрации искусственной мишени, вибрация которой обеспечивается при помощи соответствующего механического привода. Эксперимент проводился с использованием двух одновременно функционирующих радиолокационных датчиков и показал эффективность подавления помех от равноотстоящих целевых объектов, которые в данном конкретном случае представляли собой треногу, удерживающую мишень.

Наконец, на фиг. 9 проиллюстрирован пример измерений смещения и деформации подвесного моста при прохождении автопоезда. Эксперимент проводился с использованием двух одновременно функционирующих радиолокационных датчиков и показал в условиях реального применения эффективность подавления помех от равноотстоящих целевых объектов. На фиг. 9 представлен мгновенный снимок экспериментального контроля, который иллюстрирует результаты, полученные в один из моментов времени при прохождении автопоезда.

Таким образом, показано, что при помощи способа и системы удаленного контроля двухмерного или трехмерного поля смещений и вибрации объектов и конструкций в соответствии с настоящим изобретением могут быть достигнуты описанные выше цели.

Предложенные способ и система удаленного контроля двухмерного или трехмерного поля смеще

- 6 031233 ний и вибрации объектов и конструкций в соответствии с изобретением могут, соответственно, в любом случае быть подвержены множеству модификаций и изменений, все из которых попадают в объем изобретения. Объем правовой защиты изобретения определен приложенной формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объекта или конструкции (12), включающая два или более приемных устройства или мишени (T₁, Т₂, Т₃), закрепленных на объекте или конструкции (12);

два или более радиолокационных устройства (R₁, R₂, R₃), функционирующих в моностатической конфигурации с разделением по времени, что означает, что каждое из радиолокационных устройств (R₁, R₂, R₃) передает и принимает собственный радиолокационный сигнал, при этом упомянутые радиолокационные устройства (R₁, R₂, R₃) синхронизированы друг с другом при помощи внешней опорной системы (10) для исключения взаимных помех, причем каждое из радиолокационных устройств (R₁, R₂, R₃) размещено на заранее заданном расстоянии от соответствующего приемного устройства или мишени (T₁, Т₂, T₃) и способно передавать по меньшей мере одну радиолокационную волну в упомянутое приемное устройство или мишень (T₁, Т₂, Т₃);

два или более неподвижных калибровочных устройства (C₁, С₂, С₃), размещенных на заранее заданных расстояниях от соответствующих радиолокационных устройств (Rj, R₂, R₃) и сконфигурированных для приема радиолокационных волн, формируемых упомянутыми радиолокационными устройствами (R₁, R₂, R₃), для выполнения геометрической калибровки системы.
2. Система по п.1, в которой каждое приемное устройство или мишень (T₁, Т₂, T₃) и каждое неподвижное калибровочное устройство (C₁, C₂, C₃) состоят из отражающего элемента.
3. Система по п.1, в которой каждое приемное устройство или мишень (T₁, Т₂, T₃) и каждое неподвижное калибровочное устройство (C₁, С₂, C₃) состоят из сферической линзы Люнеберга.
4. Система по п.1, в которой каждое приемное устройство или мишень (T₁, T₂, T₃) и каждое неподвижное калибровочное устройство (C₁, С₂, С₃) состоят из цилиндрического отражающего элемента.
5. Способ удаленного контроля двумерного или трехмерного поля смещений и вибраций объекта или конструкции (12) с использованием системы по п.1, включающий этапы:

передача множества радиолокационных волн при помощи множества соответствующих радиолокационных устройств (R_k), установленных на заранее заданном расстоянии от множества соответствующих приемных устройств или мишеней (T_n), закрепленных на объекте или конструкции (12);

получение первого значения расстояния (R_LOS(R_k,T_n)) между каждым из радиолокационных устройств (R_k) и соответствующим приемным устройством или мишенью (T_n), при этом упомянутое первое значение расстояния (R_LOS(R_k,T_n)) подвержено влиянию ошибки, состоящей из суммы возмущения вследствие прохождения электромагнитных волн через атмосферу (da_ps) и взаимных помех (w_n,_k(t)) между отдельными приемными устройствами или мишенями (T_n) и одним или более неподвижными отражающими объектами, расположенными вблизи упомянутых приемных устройств или мишеней (T_n);

получение одновременно с упомянутым первым значением (R_LOS(R_k,T_n)) расстояния второго значения (R_LOS(R_k,C_p)) расстояния между каждым из радиолокационных устройств (R_k) и множеством соответствующих калибровочных устройств (Ср), размещенных на заранее заданных расстояниях от упомянутых радиолокационных устройств (R_k), при этом упомянутое второе значение (R_LOS(R_k,C_p)) расстояния подвержено влиянию ошибки, состоящей только из возмущения (d_aps) прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу;

оценка и удаление ошибки, состоящей из возмущения (da_ps) вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу для получения второго скорректированного значения расстояния (RLOs(Rk,Cp));

оценка и удаление ошибки, состоящей из взаимных помех (w_ld..(t)) между упомянутым одним из приемных устройств или мишеней (T_n) и одним или более неподвижными отражающими объектами, расположенными вблизи упомянутых приемных устройств или мишеней (T_n), для получения первого скорректированного значения расстояния (R_LOS(R_k,T_n)), при этом упомянутое первое скорректированное значение расстояния (R_LOS(R_k,T_n)) определяет величину пространственного смещения объекта или конструкции (12).
6. Способ по п.5, в котором упомянутый этап передачи выполняют при помощи двух или более радиолокационных устройств (R₁, R₂, R₃), функционирующих в моностатической конфигурации с разделением по времени, что означает, что каждое из радиолокационных устройств (Rj, R₂, R₃) передает и принимает собственный радиолокационный сигнал, при этом упомянутые радиолокационные устройства (R₁, R₂, R₃) синхронизированы друг с другом при помощи внешней опорной системы (10) для исключения взаимных помех, при этом каждое из радиолокационных устройств (R₁, R₂, R₃) сконфигурировано для измерений физических точек объекта или конструкции (12), находящихся на различном расстоянии от соответствующих радиолокационных устройств (R₁, R₂, R₃), причем упомянутые физические точки

- 7 031233 оснащены двумя или более соответствующими приемными устройствами или мишенями (T_b T₂, Т₃).
7. Способ по п.6, в котором упомянутое первое значение расстояния (R_LOS(R_k,T_n)) между каждым из радиолокационных устройств (R_k) и соответствующим приемным устройством или мишенью (T_n) задано уравнением где AR_LOS(t,R_k,T_n) представляет вибрационное движение k-го радиолокационного устройства (R_k) как функцию времени, а представляет измерение фазы сигнала, принятого от n-го приемного устройства или мишени и от k-го радиолокационного устройства R_k.
8. Способ по п.7, в котором упомянутый этап оценки и удаления ошибки, состоящей из возмущений (daps) вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу, подразумевает аппроксимацию упомянутого возмущения (daps) вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу константой или линейным выражением, при этом в каждый момент времени оно характеризуется парой параметров в соответствии со следующим уравнением:

d-aps(t’ ~ СрУ
9. Способ по п.8, в котором упомянутое второе значение расстояния (R_LOS(R_k,Cp)) между каждым из радиолокационных устройств (Rk) и соответствующим приемным устройством или мишенью (Tn) задано уравнением при этом вычисленное значение упомянутой пары параметров (k₀, ki) вычитают из уравнения для вычисления первого значения расстояния (R_LOS(R_k,T_n)), одновременно получая компенсацию возмущения (d_aps) вследствие прохождения электромагнитных волн радиолокации через атмосферу и вибрационного движения как функцию времени для k-го радиолокационного устройства (R_k).
10. Способ по п.9, в котором упомянутый этап оценки и удаления ошибки, состоящей из взаимных помех (w_n,_k(t)) между упомянутым одним из приемных устройств или мишеней (T_n) и одним или более неподвижными отражающими объектами, расположенными вблизи упомянутых приемных устройств или мишеней (T_n), включает демодуляцию и преобразование в комплексный сигнал P(t) радиолокационных волн, принятых от каждого из радиолокационных устройств (R_k)

P(t) = N + pexp(j<p(tf) где упомянутый комплексный сигнал P(t) равен сумме вклада N помехи и полезного сигнала pexp(jp(t)), полученной от каждого приемного устройства или мишени (T_n), находящихся в движении с изменяющейся во времени фазой.
11. Способ по п.10, в котором упомянутая оценка выражения p(t) полезного сигнала включает следующие этапы:

восстановление вклада N помехи, определение трех параметров (p_N, φ_Ν, ρ) для минимизации следующей функции ошибки:

Σ|Ι^Ρ^) - ρ_Ν ®Φϋ^)| - р\ где P(n) - комплексное значение сигнала радиолокации, измеренное в последовательные моменты времени, при этом измерения выбирают таким образом, чтобы представить максимальный угловой разброс;

удаление из значения P(n) восстановленной комплексной постоянной p_N exp(Jp_N), т.е. помехи от неподвижного отражающего объекта;

оценка фазы p(t) полезного сигнала на основе полученного результата.
12. Способ по п.11, в котором после упомянутых двух этапов оценки и удаления ошибок компенсированное расстояние каждого приемного устройства или мишени (Tn) до соответствующего радиолокационного устройства (R_k) получают с использованием следующей системы уравнений:

где x_k, y_k и z_k представляют известные составляющие декартовых координат каждого из радиолокационных устройств (Rk), тогда как x_n, y_n и z_n представляют составляющие декартовых координат каждого из приемных устройств или мишеней Tn, которые необходимо определить; решение упомянутой системы уравнений осуществляют при помощи линеаризации изменений движения относительно номинального положения каждого из радиолокационных устройств (Rk) и каждого из приемных устройств или мишеней (T_n) для получения двухмерного или трехмерного поля вибрации физических точек {x_n(t),y_n(t),z_n(t)} измерений объекта или конструкции (12).

- 8 031233

Фиг. 1А

- 9 031233

Фиг. 4

- 10 031233

Фиг. 5

Нижний изгиб Верхний изгиб

Прямой трубопровод

Фиг. 6

- 11 031233

Фиг. 7

Без компенсации С компенсацией

Координата

Фиг. 8А

Фиг. 8В

- 12 031233

Фиг. 9