一种位移监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种位移监测系统及方法，所述系统包括：无线信标模块，包括N个无线信标，固定于待测结构上并发射无线信号；信号接收模块，包括M个接收天线，用于接收所述无线信号，并将其转换成数字信号；其中，N≥1，M≥2；信号处理模块，接收所述数字信号并分解出不同无线信标的信号，分别进行码相位解调和载波相位解调处理，最后综合接收天线两两之间信号的码相位解调结果和载波相位解调结果得到位移监测结果。本发明专利技术可实现毫米精度位移监测，系统结构简单，无需时间同步，布设方便，成本低且随节点数目增加变化不显著。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线电定位工程测量传感器网络，尤其涉及一种高精度位移监测系 统。
技术介绍
位移监测广泛应用于结构健康监测中，包括桥梁、水坝等人工结构和山体、冰川等 自然结构，监测方法为通过测量结构关键点的位移随时间及外部环境的变化，达到对被测 结构进行质量评估、安全预警等的目的。 全站仪（TotalStation)是现代测绘常用的光机电综合仪器，工作原理为利用高 精度光电测距和电子经炜仪，实现对远处控制点的测向和测距。激光由于具有良好的指向 性，非常适合应用于测距。常见全站仪采用激光测距的方式，最高可以达到le-6水平的测 距精度。在全站仪的使用中，可利用角锥棱镜在被测点提供强反射信号，利用激光相位测量 可以实现千米量级的距离上毫米水平的测量精度。如徕卡TCR系列全站仪可以实现3500米 距离上3mm+2ppm的测量精度。全站仪作为测绘仪器精度高，功能多样，但针对位移监测这 一特定任务不够高效，往往需要较多人力，而需要测定结构的位移则需要多次测量，费时费 力。针对这一问题，莱卡等公司开发了全自动全站仪，业界俗称测量机器人，能够在一定程 度上节约人力，实现自动化测量。利用测量机器人监测，由于其自动测量距离在千米左右， 测站点一般都处在变形区域范围之内。大范围监测需多站组网，成本高，设备利用率低。另 外，测量机器人不适用于对于高频振动的测量。 三维激光扫描技术将激光测距配合三维扫描扫描系统，实现对于三维轮廓的扫 描。激光扫描系统一般也具有很高的精度。由于利用光反射原理，因此被监测结构上不需 要附着任何信标即可实现测量。但是在实际应用中某些场景中问题同样存在。激光扫描的 实现多采用机械方式逐点扫描，虽然一般采用自动化的方式进行，但对所监测结构全面扫 描一遍速度较慢；而且仪器单价高，难以用来进行长期监测。三维激光扫描得到的海量数据 需要大量计算处理才能提取被监测结构的特征参数，进而实现监控，因此与现有的基于监 测点的变形监测模式存在较大差异。 合成孔径雷达形变监测是利用卫星携带雷达设备测量地面的反射信号，将轨道不 同位置处得到的扫描结果进行合成，可以实现高分辨率的图像，等效于将多个位置的雷达 天线合成为一个大尺度的雷达天线，这一技术称为SAR(SyntheticApertureRadar)。对SAR 图像进行相位差分算法处理的技术称为InSAR，In代表Interferometry，可以获得大尺度 高精度的区域位移信息。SAR由于采用卫星对地面结构进行观测，尤其适用于大范围整体形 变的监测，这是其他方法所不容易实现的。而且有许多卫星数据可以免费使用。但InSAR 数据质量要受到多种因素的影响，造成了InSAR技术应用时存在许多实际困难，精度受到 一定的限制。另外，InSAR卫星具有的固有运行周期，不能满足时间域上的高分辨率，不适 合高动态的变形监测。另外也有地面SAR设备，如意大利IDS公司开发的IBIS-FM系统，可 以在4000米范围内实现0.Imm的测量精度，且使用方便，无需安装信标，是近年来出现的很 有前景的应用系统，但价格较为昂贵。 GNSS即全球导航卫星系统的简称，目前有四家：美国的GPS，俄罗斯的GL0NASS，欧 洲的Galileo及我国自主研发的北斗系统。GNSS在全球范围内建立了统一的时空坐标系， 利用卫星定位接收机通过接受卫星信号即可实现空间定位与时间同步。由于卫星信号传播 路径穿过电离层和对流层才能到达接收机，利用卫星信号直接定位，实际精度为米量级，对 于高精度位移监测应用精度不够。RTK技术的出现将定位精度大幅提升，但同时也提高了 硬件成本。其原理为通过在地面建立差分参考站，将同一区域相近的大气层干扰差分消除。 GNSS用于实现24小时的连续观测，要求接收设备必须永久固定在变形点上成本较高。因此 出现了低成本的GNSS-机多天线技术，即利用若干GNSS天线和具有若干通道的微波开关， 相应的微波开关控制电路及1台GNSS接收机组成一机多天线系统。GNSS技术用于变形监 测存在如下不足之处：GNSS接收机在高山峡谷、地下、建筑物密集地区和密林深处，由于卫 星信号被遮挡及多路径效应的影响，其监测精度和可靠性不高或无法进行监测；GNSS用于 动态变形监测时，由于GNSS动态测量的精度只能达到厘米级，观测数据中难以提取微弱的 变形信息；高精度GNSS接收设备成本较高，而且一般需要3台以上GNSS接收机共同工作； GNSS误差源多，与传统大地测量手段相比，GNSS定位结果和观测值之间的函数关系复杂， 数据处理过程中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度；GNSS采用卫星"广播"的工 作模式，在位移监测中，大量定位结果仍需要通信链路回传数据，这使系统设计复杂化。 传感器一般为接触方式对应力、间隙、加速度等进行测量，利用电学或光学原理实 现，电学的应力、间隙传感器采用电阻式、电感式、电容式、压电式等实现，加速度传感器则 采用MEMS技术实现；光学传感器利用光的反射干涉实现。电学传感器易受到电磁干扰，在 室外易遭受雷击等引起损坏。采用光纤传感器可以进行分布式监测，可做长距离，大范围的 面状监测，而且系统不受电磁干扰稳定性好，不存在雷击危险。光纤传感器本身又是信号的 传输线，可以进行远程监测，成本低。但无论电路还是光纤，应力、间隙传感器的布设需要良 好的固定，且与被测结构有牢固的连接，对于很多结构存在布设上的困难。加速度传感器 测量加速度信息，需经过二次积分才能得到位移，更适用于动态分析，难以测定长期慢速漂 移。 除上述商业化系统外，还有文献中在研的若干方法，尚未大规模应用。如基于无线 传感器网络进行干涉测距的方式。无线传感器网络在测量节点数目多，采样率高的情况下， 数据在网络中多跳路由传播，节点负担重，且会影响实时性。 但是现有技术的缺点主要有： 全站仪自动测量距离在千米左右，大范围监测需多站组网，成本高，设备利用率 低，不适用于对于高频振动的测量。三维激光扫描技术对所监测结构全面扫描一遍速度较 慢；仪器单价高，难以用来进行长期监测；海量数据需要大量计算处理才能提取被监测结 构的特征参数，进而实现监控，因此与现有的基于监测点的变形监测模式存在较大差异。卫 星具有的固有运行周期，卫星合成孔径雷达卫星数据不够实时，而且数据发布后需要大量 计算处理，不适合高动态的变形监测。地面合成孔径雷达整机价格昂贵。GNSS的卫星信号易 被遮挡及受多路径效应的影响；应用RTK的情况下，GNSS动态测量的精度只能达到厘米级， 对微变形量不适用；高精度GNSS接收设备成本高，而且一般要3台以上GNSS接收机；GNSS 监测节点的定位数据需另外数据链路回传，系统结构复杂。传感器的布设工作量较大，不仅 需要良好的固定，与被测结构有稳固的连接，对于很多结构存在布设上的困难。无线传感器 网络在多节点、高采样率情况下节点负担重，难以实现高实时性，且需要进行时间同步。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了，以实现待检测结构的精确位 移监测。 根据本专利技术一方面，其提供了一种位移监测系统，其包括： 无线信标模块，包括N个无线信标，固定于待测结构上并发射无线信号； 信号接收模块，包括M个接收天线，用于接收所述无线信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种位移监测系统，其包括：无线信标模块，包括N个无线信标，固定于待测结构上并发射无线信号；信号接收模块，包括M个接收天线，用于接收所述无线信号，并将其转换成数字信号；其中，N≥1，M≥2；信号处理模块，接收所述数字信号并分解出不同无线信标的信号，分别进行码相位解调和载波相位解调处理，最后综合接收天线两两之间信号的码相位解调结果和载波相位解调结果得到位移监测结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王正博，张建伟，孙晓林，孙思忱，王力军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11