一種位移監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電定位工程測量傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種高精度位移監(jiān)測系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 位移監(jiān)測廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，包括橋梁、水壩等人工結(jié)構(gòu)和山體、冰川等 自然結(jié)構(gòu)，監(jiān)測方法為通過測量結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的位移隨時間及外部環(huán)境的變化，達(dá)到對被測 結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量評估、安全預(yù)警等的目的。
[0003] 全站儀（TotalStation)是現(xiàn)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(jīng)煒儀，實現(xiàn)對遠(yuǎn)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(yīng)用于測距。常見全站儀采用激光測距的方式，最高可以達(dá)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)測這 一特定任務(wù)不夠高效，往往需要較多人力，而需要測定結(jié)構(gòu)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(fā)了全自動全站儀，業(yè)界俗稱測量機器人，能夠在一定程 度上節(jié)約人力，實現(xiàn)自動化測量。利用測量機器人監(jiān)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(qū)域范圍之內(nèi)。大范圍監(jiān)測需多站組網(wǎng)，成本高，設(shè)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。
[0004] 三維激光掃描技術(shù)將激光測距配合三維掃描掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)對于三維輪廓的掃 描。激光掃描系統(tǒng)一般也具有很高的精度。由于利用光反射原理，因此被監(jiān)測結(jié)構(gòu)上不需 要附著任何信標(biāo)即可實現(xiàn)測量。但是在實際應(yīng)用中某些場景中問題同樣存在。激光掃描的 實現(xiàn)多采用機械方式逐點掃描，雖然一般采用自動化的方式進(jìn)行，但對所監(jiān)測結(jié)構(gòu)全面掃 描一遍速度較慢；而且儀器單價高，難以用來進(jìn)行長期監(jiān)測。三維激光掃描得到的海量數(shù)據(jù) 需要大量計算處理才能提取被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)監(jiān)控，因此與現(xiàn)有的基于監(jiān) 測點的變形監(jiān)測模式存在較大差異。
[0005] 合成孔徑雷達(dá)形變監(jiān)測是利用衛(wèi)星攜帶雷達(dá)設(shè)備測量地面的反射信號，將軌道不 同位置處得到的掃描結(jié)果進(jìn)行合成，可以實現(xiàn)高分辨率的圖像，等效于將多個位置的雷達(dá) 天線合成為一個大尺度的雷達(dá)天線，這一技術(shù)稱為SAR(SyntheticApertureRadar)。對SAR 圖像進(jìn)行相位差分算法處理的技術(shù)稱為InSAR，In代表Interferometry，可以獲得大尺度 高精度的區(qū)域位移信息。SAR由于采用衛(wèi)星對地面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，尤其適用于大范圍整體形 變的監(jiān)測，這是其他方法所不容易實現(xiàn)的。而且有許多衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以免費使用。但I(xiàn)nSAR 數(shù)據(jù)質(zhì)量要受到多種因素的影響，造成了InSAR技術(shù)應(yīng)用時存在許多實際困難，精度受到 一定的限制。另外，InSAR衛(wèi)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(tài)的變形監(jiān)測。另外也有地面SAR設(shè)備，如意大利IDS公司開發(fā)的IBIS-FM系統(tǒng)，可 以在4000米范圍內(nèi)實現(xiàn)0.Imm的測量精度，且使用方便，無需安裝信標(biāo)，是近年來出現(xiàn)的很 有前景的應(yīng)用系統(tǒng)，但價格較為昂貴。
[0006] GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)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(fā)的北斗系統(tǒng)。GNSS在全球范圍內(nèi)建立了統(tǒng)一的時空坐標(biāo)系， 利用衛(wèi)星定位接收機通過接受衛(wèi)星信號即可實現(xiàn)空間定位與時間同步。由于衛(wèi)星信號傳播 路徑穿過電離層和對流層才能到達(dá)接收機，利用衛(wèi)星信號直接定位，實際精度為米量級，對 于高精度位移監(jiān)測應(yīng)用精度不夠。RTK技術(shù)的出現(xiàn)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(qū)域相近的大氣層干擾差分消除。 GNSS用于實現(xiàn)24小時的連續(xù)觀測，要求接收設(shè)備必須永久固定在變形點上成本較高。因此 出現(xiàn)了低成本的GNSS-機多天線技術(shù)，即利用若干GNSS天線和具有若干通道的微波開關(guān)， 相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路及1臺GNSS接收機組成一機多天線系統(tǒng)。GNSS技術(shù)用于變形監(jiān) 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(qū)和密林深處，由于衛(wèi) 星信號被遮擋及多路徑效應(yīng)的影響，其監(jiān)測精度和可靠性不高或無法進(jìn)行監(jiān)測；GNSS用于 動態(tài)變形監(jiān)測時，由于GNSS動態(tài)測量的精度只能達(dá)到厘米級，觀測數(shù)據(jù)中難以提取微弱的 變形信息；高精度GNSS接收設(shè)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(tǒng)大地測量手段相比，GNSS定位結(jié)果和觀測值之間的函數(shù)關(guān)系復(fù)雜， 數(shù)據(jù)處理過程中任一環(huán)節(jié)處理不好都將影響最終的監(jiān)測精度；GNSS采用衛(wèi)星"廣播"的工 作模式，在位移監(jiān)測中，大量定位結(jié)果仍需要通信鏈路回傳數(shù)據(jù)，這使系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜化。
[0007] 傳感器一般為接觸方式對應(yīng)力、間隙、加速度等進(jìn)行測量，利用電學(xué)或光學(xué)原理實 現(xiàn)，電學(xué)的應(yīng)力、間隙傳感器采用電阻式、電感式、電容式、壓電式等實現(xiàn)，加速度傳感器則 采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)；光學(xué)傳感器利用光的反射干涉實現(xiàn)。電學(xué)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(jìn)行分布式監(jiān)測，可做長距離，大范圍的 面狀監(jiān)測，而且系統(tǒng)不受電磁干擾穩(wěn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，成本低。但無論電路還是光纖，應(yīng)力、間隙傳感器的布設(shè)需要良 好的固定，且與被測結(jié)構(gòu)有牢固的連接，對于很多結(jié)構(gòu)存在布設(shè)上的困難。加速度傳感器 測量加速度信息，需經(jīng)過二次積分才能得到位移，更適用于動態(tài)分析，難以測定長期慢速漂 移。
[0008] 除上述商業(yè)化系統(tǒng)外，還有文獻(xiàn)中在研的若干方法，尚未大規(guī)模應(yīng)用。如基于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干涉測距的方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在測量節(jié)點數(shù)目多，采樣率高的情況下， 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中多跳路由傳播，節(jié)點負(fù)擔(dān)重，且會影響實時性。
[0009] 但是現(xiàn)有技術(shù)的缺點主要有：
[0010] 全站儀自動測量距離在千米左右，大范圍監(jiān)測需多站組網(wǎng)，成本高，設(shè)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(shù)對所監(jiān)測結(jié)構(gòu)全面掃描一遍速度較 慢；儀器單價高，難以用來進(jìn)行長期監(jiān)測；海量數(shù)據(jù)需要大量計算處理才能提取被監(jiān)測結(jié) 構(gòu)的特征參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)監(jiān)控，因此與現(xiàn)有的基于監(jiān)測點的變形監(jiān)測模式存在較大差異。衛(wèi) 星具有的固有運行周期，衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)不夠?qū)崟r，而且數(shù)據(jù)發(fā)布后需要大量 計算處理，不適合高動態(tài)的變形監(jiān)測。地面合成孔徑雷達(dá)整機價格昂貴。GNSS的衛(wèi)星信號易 被遮擋及受多路徑效應(yīng)的影響；應(yīng)用RTK的情況下，GNSS動態(tài)測量的精度只能達(dá)到厘米級， 對微變形量不適用；高精度GNSS接收設(shè)備成本高，而且一般要3臺以上GNSS接收機；GNSS 監(jiān)測節(jié)點的定位數(shù)據(jù)需另外數(shù)據(jù)鏈路回傳，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳感器的布設(shè)工作量較大，不僅 需要良好的固定，與被測結(jié)構(gòu)有穩(wěn)固的連接，對于很多結(jié)構(gòu)存在布設(shè)上的困難。無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)在多節(jié)點、高采樣率情況下節(jié)點負(fù)擔(dān)重，難以實現(xiàn)高實時性，且需要進(jìn)行時間同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種位移監(jiān)測系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)待檢測結(jié)構(gòu)的精確位 移監(jiān)測。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種位移監(jiān)測系統(tǒng)，其包括：
[0013] 無線信標(biāo)模塊，包括N個無線信標(biāo)，固定于待測結(jié)構(gòu)上并發(fā)射無線信號；
[0014] 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(zhuǎn)換成數(shù)字信 號；其中，N彡1，M彡2 ;
[0015] 信號處理模塊，接收所述數(shù)字信號并分解出不同無線信標(biāo)的信號，分別進(jìn)行碼相 位解調(diào)和載波相位解調(diào)處理，最后綜合接收天線兩兩之間信號的碼相位解調(diào)結(jié)果和載波相 位解調(diào)結(jié)果得到位移監(jiān)測結(jié)果。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種位移監(jiān)測方法，其包括：
[0017] 固定于待測結(jié)構(gòu)上的N個無線信標(biāo)發(fā)射無線信號；
[0018] 所述無線信號經(jīng)空間傳播由M個無線天線接收，經(jīng)饋線進(jìn)入信號接收模塊；其中，N多1，M多2 ;
[0019] 所述信號接收模塊利用放大器將所述無線信號進(jìn)行放大，并與本地振蕩器信號混 頻實現(xiàn)下變頻，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后輸出；
[0020] 信號處理模塊接收所述數(shù)字信號，并根據(jù)所述數(shù)字信號先區(qū)分出不同的無線信標(biāo) 信號，并分別對其進(jìn)行信息解調(diào)、碼相位解調(diào)和載波相位解調(diào)；
[0021] 所述信號處理模塊對解調(diào)后的無線信標(biāo)信號進(jìn)行綜合處理計算，得到各個無線信 標(biāo)的實時位置信息。
[0022] 本發(fā)明可實現(xiàn)毫米精度位移監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需時間同步，布設(shè)方便，成本 低且隨節(jié)點數(shù)目增加變化不顯著。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明中位移監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明中位移監(jiān)測方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明提出了一種位移監(jiān)測系統(tǒng)，其包括：無線信標(biāo)模塊，信號接收 模塊和信號處理模塊。
[0027] 所述無線信標(biāo)模塊可包含多個無線信標(biāo)，每個信標(biāo)包括發(fā)射天線、無線信號發(fā)射 器和調(diào)制信號發(fā)生器；為了擴大監(jiān)測范圍，無線新標(biāo)模塊還可以包括放大器，或者還可以選 擇包含其他傳感器單元，回傳其測量數(shù)據(jù)等。每個所述信標(biāo)固定在待檢測結(jié)構(gòu)上，用于發(fā)射 無線信號。
[0028] 所述信號接收模塊包括天線及饋線，放大器，本地振蕩器，混頻器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于信號的放大、混頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換等。所述天線及饋線用于接收所述信標(biāo)發(fā)射 的無線信號，所述無線信號經(jīng)過放大器放大后與所述本地振蕩器的信號經(jīng)所述混頻器實現(xiàn) 變頻，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸出；
[0029] 所述信號處理模塊包含數(shù)字信號處理器，其用于接收所述信號接收模塊輸出的數(shù) 字信號，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體地，所述數(shù)字信號在信號處理模塊內(nèi)分解出不同的無 線信標(biāo)的信號，再分別對其進(jìn)行碼相位解調(diào)和載波相位解調(diào)，最后綜合接收天線兩兩之間 信號的碼相位解調(diào)結(jié)果和載波相位解調(diào)結(jié)果得到位移監(jiān)測結(jié)果。
[0030] 所述數(shù)