一种基于77GHzFMCW的GB-SAR形变监测系统及数据处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于77GHzFMCW的GB

【技术实现步骤摘要】
一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统及数据处理方法


[0001]本专利技术涉及一种形变监测系统和数据处理领域，更具体的说是涉及一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统及数据处理方法。

技术介绍

[0002]在各种灾害事故的预警中，只有准确测量出目标的微弱形变，才能对灾害进行预警。形变监测的传统方法是大地测量法，近年来，研究人员也对该方法提出了很多改进，如将测量机器人代替原来的经纬仪观测，能够实现数据处理和监测的智能化和自动化；将光学水准仪用电子水准仪代替，可靠性得到提高；利用高精度测距代替精密测角，提高设备的工作效率。但这些方法需要在各个测量点布置大量的精密传感器等监测设备，易受到天气等环境因素的影响，监测成本高，设备体积庞大，不易携带，安装比较困难且监测精度低。
[0003]地基合成孔径雷达是一种精度高、易于操作维护的微形变监测设备。该技术的发展，使得形变监测变得更加多样化以及完善。基于合成孔径雷达和连续波技术，可以获得高空间分辨率的雷达图像。不同于星载、机载SAR技术，GB
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SAR的空间基线为0，相干性和时空分辨率更高，对于形变的测量，最好的方法就是零基线干涉测量。地基干涉合成孔径雷达技术，可以监测到雷达视线（LOS）方向的微形变，广泛应用于滑坡、地震等大型地质灾害监测以及大坝、冰川、桥梁等地理测绘领域。由于其具有监测效率高、监测范围广等多个优点，因此具有良好的研究价值和应用前景。
[0004]意大利IDS公司研发的IBIS
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L系统采用步进连续波（SFCW）技术，可以实现大坝的形变监测，但系统采集速度较慢。荷兰Metasensing公司开发出一款Fast
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GBSAR系统，该系统首次基于调频连续波技术（FMCW），将数据采集速度提升到几秒一组，形变监测效率得到了极大的提高。 2018年意大利公司首次推出了基于77GHz的干涉测量旋转合成孔径雷达（ArcSAR），将传感器扫描时间提高到30秒，与三维激光雷达扫描仪共同工作，能够提供三维形变信息。
[0005]因此，如何实现分辨率更高、采集速度更快、形变精度更小、体积更小的地基SAR形变监测系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统及数据处理方法，系统设备包括：精密线性导轨、主控计算机、毫米波雷达及其子系统等。方法包括：获取N个监测影像数据集，用后向投影算法对数据集内部进行处理，得到N幅SAR图像；选取其中一幅SAR图像作为主图像，其余N
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1幅辅图像作为辅图像，然后将N
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1幅辅图像与主图像分别进行干涉处理，得到N
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1幅干涉幅值图像；计算每幅干涉幅值图像的相关系数，选取相关系数强的图像作为目标干涉幅值图；对干涉幅值图求相位得到干涉相位图；计算干涉相位图中的残差点数量，然后对干涉相位图进行相位滤波达到过滤残点的目的；对经过相位滤波后的干涉相位图进行二维相位解缠绕，得到真实相位差，并求解形变值。因此本专利技术提供
的设备以及处理方法，解决了设备采集速度慢、监测周期长、系统精度低的缺点，在全域空间微形变监测中形变精度高。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008].一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统，所述雷达系统包括两个精密线性导轨、雷达信号收发机、数据采集控制单元、电源模块和主控计算机；所述两个精密线性导轨垂直安装用于放置雷达传感器，所述雷达信号收发机设置于所述精密线性导轨上，实现雷达信号收发机随导轨运动进行数据采集，所述数据采集控制单元实现对精密导轨和雷达信号收发机的启动控制，所述主控计算机实现对采集数据的处理，并生成目标场景的单视复数图像，获取目标的形变信息，所述电源模块实现对设备的供电。所述雷达信号收发机包括信号发射机、信号接收机、频率综合器、频率合成器、功率放大器、信号处理单元；所述数据采集控制单元包括flash数据存储器、高速缓存、时钟管理、ADC、FPGA控制器、AGC控制字；所述电源模块包括蓄电池、整流器、逆变器、充电器、开关。所述信号发射机包括变频器、功率放大器、直接数字式频率合成器、带通滤波器、信号耦合器、隔离器、发射天线；所述信号接收机包括接收天线、低噪声放大器、中频滤波器、中频放大器、自动增益控制（AGC）、下变频器、视频放大器、混频器；所述频率综合器包括倍频器、上变频器、分频器、带锁相环的介质振荡电路、数字化控制器；所述频率合成器包括锁相环、DDS芯片、低通滤波器。所述锁相环包括低通滤波器、相位检测器、分频器、电压控制振荡器。所述基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统还包括角反射器，所述角反射器用于反射雷达信号发射机发射的所述雷达信号。优选的，一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统，所述雷达信号收发机的所述信号发射机发射大时宽大带宽线性调皮连续波信号，经过所述功率放大器，然后通过所述信号发射机的所述信号耦合器输出至所述信号接收机；所述数据采集控制单元对所述功率放大器的打开和关闭进行控制，控制信号发射机发射大时宽大带宽线性调皮连续波信号。所述信号接收机中的接收天线接收所述角反射器反射回来的回波信号，并将信号传输至所述低噪声放大器，经过所述中频滤波器以及所述混频器后得到目标的回波信号；最后通过所述主控计算机对回波信号进行处理得到所述形变信息。
[0009]优选的，一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变数据处理方法，所述主控计算机中对所述回波信号进行处理的步骤如下：
[0010]步骤1：获取N个监测影像数据集；
[0011]步骤2：使用后向投影算法（back projection）得到N幅SAR单视复数图像（SLC）；
[0012]步骤3：主影像与N
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1幅辅影像做干涉，得到N
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1幅干涉幅值图；
[0013]步骤4：计算N
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1幅干涉幅值图的幅度相关系数图，选取相关系数大的干涉图作为目标图像；
[0014]步骤5：计算目标图像的相位得到干涉相位图；
[0015]步骤6：计算干涉相位图中的相位残差点；
[0016]步骤7：对干涉相位图进行相位滤波；
[0017]步骤8：对滤波后的干涉相位图进行二维相位解缠绕；
[0018]步骤9：计算得到目标的微形变值。
[0019]优选的，所述步骤1中的发射信号和接收信号模型分别表示为：
[0020]ꢀꢀ
（1）
[0021]ꢀꢀ
（2）
[0022]其中为调频斜率，B为信号带宽，T是FMCW的线性调频周期，是载波频率，τ是发射信号的时间延迟。
[0023]雷达信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统，其特征在于所述雷达系统包括两个精密线性导轨（21）、雷达信号收发机（22）、数据采集控制单元（23）、电源模块（24）和主控计算机（25）；所述两个精密线性导轨（21）垂直安装用于放置雷达传感器，所述雷达信号收发机（22）设置于所述精密线性导轨（21）上，实现雷达信号收发机（22）随导轨运动进行数据采集，所述数据采集控制单元（23）实现对精密导轨（21）和雷达信号收发机（22）的启动控制，所述主控计算机（25）实现对采集数据的处理，并生成目标场景的单视复数图像，获取目标的形变信息，所述电源模块（24）实现对设备的供电。所述雷达信号收发机（22）包括信号发射机（221）、信号接收机（222）、频率综合器（223）、频率合成器（224）、功率放大器（225）、信号处理单元（226）；所述数据采集控制单元（23）包括flash数据存储器（231）、高速缓存（232）、时钟管理（233）、ADC（234）、FPGA控制器（235）、AGC控制字（236）；所述电源模块（24）包括蓄电池（241）、整流器（242）、逆变器（243）、充电器（244）、开关（245）。所述信号发射机（221）包括变频器（2211）、功率放大器（2212）、直接数字式频率合成器（2213）、带通滤波器（2214）、信号耦合器（2215）、隔离器（2216）、发射天线（2217）；所述信号接收机（222）包括接收天线（2221）、低噪声放大器（2222）、中频滤波器（2223）、中频放大器（2224）、自动增益控制（AGC）（2225）、下变频器（2226）、视频放大器（2227）、混频器（2228）；所述频率综合器（223）包括倍频器（2231）、上变频器（2232）、分频器（2233）、带锁相环的介质振荡电路（2234）、数字化控制器（2235）；所述频率合成器（224）包括锁相环（2241）、DDS芯片（2242）、低通滤波器（2243）。所述锁相环（2241）包括低通滤波器（22411）、相位检测器（22412）、分频器（22413）、电压控制振荡器（22414）。所述基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变监测系统还包括角反射器（11），所述角反射器用于反射雷达信号发射机（221）发射的所述雷达信号。所述雷达信号收发机（22）的所述信号发射机（221）发射大时宽大带宽线性调皮连续波信号，经过所述功率放大器（2212），然后通过所述信号发射机（221）的所述信号耦合器（2215）输出至所述信号接收机（222）；所述数据采集控制单元（23）对所述功率放大器（2212）的打开和关闭进行控制，控制信号发射机（221）发射大时宽大带宽线性调皮连续波信号。所述信号接收机（222）中的接收天线（2221）接收所述角反射器（11）反射回来的回波信号，并将信号传输至所述低噪声放大器（2222），经过所述中频滤波器（2223）以及所述混频器（2228）后得到目标的回波信号；最后通过所述主控计算机（25）对回波信号进行处理得到所述形变信息。2.根据权利要求1所述的一种基于77GHzFMCW的GB
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SAR形变数据处理方法，其特征在于，所述主控计算机（25）中对所述回波信号进行处理的步骤如下：步骤1：获取N个监测影像数据集；步骤2：使用后向投影算法（back projection）得到N幅SAR单视复数图像（SLC）；步骤3：主影像与N
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1幅辅影像做干涉，得到N
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1幅干涉幅值图；步骤4：计算N
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1幅干涉幅值图的幅度相关系数图，选取相关系数大的干涉图作为目标图像；步骤5：计算目标图像的相位得到干涉相位图；步骤6：计算干涉相位图中的相位残差点；步骤7：对干涉相位图进行相位滤波；步骤8：对滤波后的干涉相位图进行二维相位解缠绕；步骤9...

【专利技术属性】
技术研发人员：周梦媛，李传东，石亚伟，李华青，王慧维，罗勇，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：