一種位移監測系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種位移監測系統及方法，所述系統包括：無線信標模塊，包括N個無線信標，固定于待測結構上并發射無線信號；信號接收模塊，包括M個接收天線，用于接收所述無線信號，并將其轉換成數字信號；其中，N≥1，M≥2；信號處理模塊，接收所述數字信號并分解出不同無線信標的信號，分別進行碼相位解調和載波相位解調處理，最后綜合接收天線兩兩之間信號的碼相位解調結果和載波相位解調結果得到位移監測結果。本發明專利技術可實現毫米精度位移監測，系統結構簡單，無需時間同步，布設方便，成本低且隨節點數目增加變化不顯著。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無線電定位工程測量傳感器網絡，尤其涉及一種高精度位移監測系 統。
技術介紹
位移監測廣泛應用于結構健康監測中，包括橋梁、水壩等人工結構和山體、冰川等 自然結構，監測方法為通過測量結構關鍵點的位移隨時間及外部環境的變化，達到對被測 結構進行質量評估、安全預警等的目的。 全站儀（TotalStation)是現代測繪常用的光機電綜合儀器，工作原理為利用高 精度光電測距和電子經煒儀，實現對遠處控制點的測向和測距。激光由于具有良好的指向 性，非常適合應用于測距。常見全站儀采用激光測距的方式，最高可以達到le-6水平的測 距精度。在全站儀的使用中，可利用角錐棱鏡在被測點提供強反射信號，利用激光相位測量 可以實現千米量級的距離上毫米水平的測量精度。如徠卡TCR系列全站儀可以實現3500米 距離上3mm+2ppm的測量精度。全站儀作為測繪儀器精度高，功能多樣，但針對位移監測這 一特定任務不夠高效，往往需要較多人力，而需要測定結構的位移則需要多次測量，費時費 力。針對這一問題，萊卡等公司開發了全自動全站儀，業界俗稱測量機器人，能夠在一定程 度上節約人力，實現自動化測量。利用測量機器人監測，由于其自動測量距離在千米左右， 測站點一般都處在變形區域范圍之內。大范圍監測需多站組網，成本高，設備利用率低。另 外，測量機器人不適用于對于高頻振動的測量。 三維激光掃描技術將激光測距配合三維掃描掃描系統，實現對于三維輪廓的掃 描。激光掃描系統一般也具有很高的精度。由于利用光反射原理，因此被監測結構上不需 要附著任何信標即可實現測量。但是在實際應用中某些場景中問題同樣存在。激光掃描的 實現多采用機械方式逐點掃描，雖然一般采用自動化的方式進行，但對所監測結構全面掃 描一遍速度較慢；而且儀器單價高，難以用來進行長期監測。三維激光掃描得到的海量數據 需要大量計算處理才能提取被監測結構的特征參數，進而實現監控，因此與現有的基于監 測點的變形監測模式存在較大差異。 合成孔徑雷達形變監測是利用衛星攜帶雷達設備測量地面的反射信號，將軌道不 同位置處得到的掃描結果進行合成，可以實現高分辨率的圖像，等效于將多個位置的雷達 天線合成為一個大尺度的雷達天線，這一技術稱為SAR(SyntheticApertureRadar)。對SAR 圖像進行相位差分算法處理的技術稱為InSAR，In代表Interferometry，可以獲得大尺度 高精度的區域位移信息。SAR由于采用衛星對地面結構進行觀測，尤其適用于大范圍整體形 變的監測，這是其他方法所不容易實現的。而且有許多衛星數據可以免費使用。但InSAR 數據質量要受到多種因素的影響，造成了InSAR技術應用時存在許多實際困難，精度受到 一定的限制。另外，InSAR衛星具有的固有運行周期，不能滿足時間域上的高分辨率，不適 合高動態的變形監測。另外也有地面SAR設備，如意大利IDS公司開發的IBIS-FM系統，可 以在4000米范圍內實現0.Imm的測量精度，且使用方便，無需安裝信標，是近年來出現的很 有前景的應用系統，但價格較為昂貴。 GNSS即全球導航衛星系統的簡稱，目前有四家：美國的GPS，俄羅斯的GL0NASS，歐 洲的Galileo及我國自主研發的北斗系統。GNSS在全球范圍內建立了統一的時空坐標系， 利用衛星定位接收機通過接受衛星信號即可實現空間定位與時間同步。由于衛星信號傳播 路徑穿過電離層和對流層才能到達接收機，利用衛星信號直接定位，實際精度為米量級，對 于高精度位移監測應用精度不夠。RTK技術的出現將定位精度大幅提升，但同時也提高了 硬件成本。其原理為通過在地面建立差分參考站，將同一區域相近的大氣層干擾差分消除。 GNSS用于實現24小時的連續觀測，要求接收設備必須永久固定在變形點上成本較高。因此 出現了低成本的GNSS-機多天線技術，即利用若干GNSS天線和具有若干通道的微波開關， 相應的微波開關控制電路及1臺GNSS接收機組成一機多天線系統。GNSS技術用于變形監 測存在如下不足之處：GNSS接收機在高山峽谷、地下、建筑物密集地區和密林深處，由于衛 星信號被遮擋及多路徑效應的影響，其監測精度和可靠性不高或無法進行監測；GNSS用于 動態變形監測時，由于GNSS動態測量的精度只能達到厘米級，觀測數據中難以提取微弱的 變形信息；高精度GNSS接收設備成本較高，而且一般需要3臺以上GNSS接收機共同工作； GNSS誤差源多，與傳統大地測量手段相比，GNSS定位結果和觀測值之間的函數關系復雜， 數據處理過程中任一環節處理不好都將影響最終的監測精度；GNSS采用衛星"廣播"的工 作模式，在位移監測中，大量定位結果仍需要通信鏈路回傳數據，這使系統設計復雜化。 傳感器一般為接觸方式對應力、間隙、加速度等進行測量，利用電學或光學原理實 現，電學的應力、間隙傳感器采用電阻式、電感式、電容式、壓電式等實現，加速度傳感器則 采用MEMS技術實現；光學傳感器利用光的反射干涉實現。電學傳感器易受到電磁干擾，在 室外易遭受雷擊等引起損壞。采用光纖傳感器可以進行分布式監測，可做長距離，大范圍的 面狀監測，而且系統不受電磁干擾穩定性好，不存在雷擊危險。光纖傳感器本身又是信號的 傳輸線，可以進行遠程監測，成本低。但無論電路還是光纖，應力、間隙傳感器的布設需要良 好的固定，且與被測結構有牢固的連接，對于很多結構存在布設上的困難。加速度傳感器 測量加速度信息，需經過二次積分才能得到位移，更適用于動態分析，難以測定長期慢速漂 移。 除上述商業化系統外，還有文獻中在研的若干方法，尚未大規模應用。如基于無線 傳感器網絡進行干涉測距的方式。無線傳感器網絡在測量節點數目多，采樣率高的情況下， 數據在網絡中多跳路由傳播，節點負擔重，且會影響實時性。 但是現有技術的缺點主要有： 全站儀自動測量距離在千米左右，大范圍監測需多站組網，成本高，設備利用率 低，不適用于對于高頻振動的測量。三維激光掃描技術對所監測結構全面掃描一遍速度較 慢；儀器單價高，難以用來進行長期監測；海量數據需要大量計算處理才能提取被監測結 構的特征參數，進而實現監控，因此與現有的基于監測點的變形監測模式存在較大差異。衛 星具有的固有運行周期，衛星合成孔徑雷達衛星數據不夠實時，而且數據發布后需要大量 計算處理，不適合高動態的變形監測。地面合成孔徑雷達整機價格昂貴。GNSS的衛星信號易 被遮擋及受多路徑效應的影響；應用RTK的情況下，GNSS動態測量的精度只能達到厘米級， 對微變形量不適用；高精度GNSS接收設備成本高，而且一般要3臺以上GNSS接收機；GNSS 監測節點的定位數據需另外數據鏈路回傳，系統結構復雜。傳感器的布設工作量較大，不僅 需要良好的固定，與被測結構有穩固的連接，對于很多結構存在布設上的困難。無線傳感器 網絡在多節點、高采樣率情況下節點負擔重，難以實現高實時性，且需要進行時間同步。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提出了，以實現待檢測結構的精確位 移監測。 根據本專利技術一方面，其提供了一種位移監測系統，其包括： 無線信標模塊，包括N個無線信標，固定于待測結構上并發射無線信號； 信號接收模塊，包括M個接收天線，用于接收所述無線信號本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種位移監測系統，其包括：無線信標模塊，包括N個無線信標，固定于待測結構上并發射無線信號；信號接收模塊，包括M個接收天線，用于接收所述無線信號，并將其轉換成數字信號；其中，N≥1，M≥2；信號處理模塊，接收所述數字信號并分解出不同無線信標的信號，分別進行碼相位解調和載波相位解調處理，最后綜合接收天線兩兩之間信號的碼相位解調結果和載波相位解調結果得到位移監測結果。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王正博，張建偉，孫曉林，孫思忱，王力軍，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11