CN103792531B - 基于天线阵的多目标微位移测量方法 - Google Patents

基于天线阵的多目标微位移测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型建筑物多目标微位移测量方法，属于建筑物变形监测技术领域。本方法在被测物体上安装P个无源角反射器，在远离被测物体处安装阵列雷达。天线阵辐射信号照射所有角反射器并接收混合回波信号，并行形成P个最优波束分离出每个角反射器的回波信号，每个波束在需要分离的角反射器回波信号方向上增益最大，接收信号功率最强；在其它P‑1个角反射器回波方向上形成零陷，将干扰降至最小。检测发射信号与恢复的各角反射器回波信号相位差，将相位差变化量转换为各角反射器的微位移量。本方法解决了多个角反射器回波信号很难分离的问题，实现了多目标微位移测量，抗干扰能力强，能够很好地应用于建筑物的微位移测量中。

Description

基于天线阵的多目标微位移测量方法
技术领域
本发明属于建筑物变形监测技术领域，涉及一种基于天线阵的多目标微位移测量方法。
背景技术
在自然界中建筑物会在各种影响因素的作用下，其形状，大小，位置会在时域空间中发生变化，如高层建筑物的摆动，大坝变形等。而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时，则会给人类的生产生活带来严重灾难，因此对物体进行变形监测具有重要意义。
专利CN1542407A提出了一种微位移测量方法，该方法在被监测点放置一个无源角反射器，在监测点放置一个微波比相测量装置，微波比相测量装置的发射部分向角反射器发射一单频微波，角反射器由三块铝板组成，它把入射到它的微波按原路径全反射回来。比相测量装置的接收部分接收角反射器反射回来的微波信号，经与发射信号进行比相可测得微位移量。该测量方法成本低廉，使用方便安全。但该方法在实际使用中存在的最大问题是：为单频连续波雷达，抗干扰能力差，且只能测量单个微波发射器的微位移，不能实现多目标测量；而在大型建筑物的微位移检测工作中，一般都需要设置多个被监测点，因此，上述方法在实际的位移监测过程中受到了诸多限制。
本申请针对这个问题加以改进，对位移测量雷达进行改进，采用天线阵和最优波束形成技术来实现各角反射器回波信号的分离，从而实现多目标微位移测量，并提高其抗干扰能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于天线阵的多目标微位移测量方法，该方法采用天线阵和最优波束形成技术来实现多目标的微位移测量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于天线阵的多目标微位移测量方法，使用角反射器和阵列雷达构成微位移测量***，角反射器安装在建筑物上，阵列雷达远离被测物。阵列雷达辐射信号照射角反射器，并接收角反射器回波信号，通过最优波束形成技术，在期望信号方向上接收功率最强，在干扰方向上形成零陷，恢复各个角反射器的回波信号，通过检测收发信号之间的相位差变化量计算各角反射器的微位移量，实现了多目标微位移测量。
进一步，所述角反射器为由三个互相垂直相交的成本低廉的金属平面构成的反射体，它能将入射的微波信号按原方向反射回去，即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷达截面积。
进一步，所述阵列雷达由信道和信号处理两部分构成，其中1个发射信道辐射信号，N个接收信道接收回波信号，并下变频得到N路基带回波信号。信号处理部分包括最优权矢量计算，最优波束形成，干涉相位测量，微位移量计算。
进一步，所述阵列雷达发射信号的工作过程为：发射信道将本地产生的基带信号与中频本振信号混频后，上变频至中频，然后经中频放大后与射频本振混频，上变频到射频信号，经功率放大器由天线辐射到角反射器上。
进一步，所述阵列雷达接收信号的工作过程为：接收信道1到N接收每个角反射器反射的回波信号，经低噪声放大器后与射频本振混频，下变频为中频信号，然后与中频本振信号二次混频，下变频为N路基带信号。
进一步，所述阵列雷达的最优权矢量为：它将需要恢复的角反射器回波信号作为期望信号，将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号，使用最优权矢量形成的最优波束来恢复期望信号，有多少个角反射器就有多少个最优权矢量，就形成多少个最优波束，最优权矢量要满足以下条件：(1)在期望信号方位上该最优波束输出功率最大；(2)在干扰信号方位上该最优波束输出功率为零，即该最优权矢量与干扰信号方向矢量正交；(3)不影响输出信噪比。
进一步，所述阵列雷达的最优权矢量在计算时需要事先知道每个角反射器相对于天线阵的方位，可以有两种方法来实现：(1)通过常规测量手段如GPS技术确定各角反射器的位置坐标以及天线阵各单元天线位置坐标，利用几何位置关系确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位；(2)可以使用超分辨空间谱估计算法如MUSIC算法计算每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位。
进一步，所述阵列雷达的每个角反射器回波信号恢复过程为：使用最优权系数对下变频后的基带信号进行最优波束形成即可得到每个角反射器的回波信号，抑制了其他角反射器的回波信号。
进一步，所述阵列雷达的每个角反射器微位移量计算方法为：将恢复的每个角反射器基带回波信号与发射基带信号进行复相关运算，得到收发信号间的相位差，然后再使用干涉相位测量技术，计算前后两次收发信号相位差的变化量，利用相位差变化量与位移量之间的关系，计算出每个角反射器的微位移量。
本发明的有益效果在于：本发明提供的基于天线阵的微位移测量方法克服了现有技术中存在的不足，通过采用最优波束形成技术，解决了多个角反射器回波信号难以分离和相互干扰问题，提高了测量精度，具有很强的抗干扰性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为多目标微位移测量***总体结构图；
图2为***工作流程图；
图3为阵列雷达结构框图；
图4为最优波束示意图；
具体实施方式
在本发明中，微位移测量***由角反射器和阵列雷达组成，角发射器安装在被测建筑物上，阵列雷达安装在远离被测物的位置。阵列雷达辐射信号照射角反射器并接收回波信号，采用最优波束形成技术分离恢复出每个角反射器的回波信号，通过检测收发信号之间的相位差变化量检测每个角反射器的微位移量。
(1)***测量原理
以均匀线阵为例说明本发明的基本原理。天线阵为由N+1个阵元构成，阵元间距为d，第1到第N个阵元用于接收，第N+1个阵元用于发射信号。设第i个角反射器回波信号相对于天线阵的入射角为θi，以第一个阵元为参考，其方向矢量为：
a(θi)＝[ej0 e-jβ … e-j(n-1)β … e-j(N-1)β]T (公式1)
上式中λ为信号波长，c为光速，f为雷达信号射频载波频率。
假设发射的基带信号为s(t)，通过天线辐射的射频信号为
天线阵的阵元1接收到的第i个角反射器的射频回波信号为：
式中的Ri为微波信号在θi方向的往返距离；ρi表示信号传播所引起的幅度衰减。
将信号下变频为复基带信号，表示为：
N元天线阵列接收到的第i个回波的信号矢量为
Xi(t)＝a(θi)si(t) (公式5)
N元天线阵列接收到的所有回波的信号矢量为
上式中的方向矩阵A＝[a(θi) a(θi) … a(θi) … a(θN)]；
信号矩阵S(t)＝[s1(t) s2(t) … si(t) … sP(t)]；
对接收到的信号进行最优波束合成，恢复出的第p个角反射器回波信号为：
合理设计波束最优权，使得干扰项有用信号项最大。通过波束形成恢复出的第i个角反射器回波信号为
将发送基带信号s(t)作为参考信号，与恢复出第p个角反射器的回波信号做复相关运算得到：
Φp(t)为雷达发射信号与第p个角反射器回波信号之间的相位差,Rpp为复相关值的模值。将前后两个时刻tk与tk+1的测量结果做干涉测量，得到相位差变化量ΔΦp：
这里的angle(·)为表示求复数相角的运算符。
第p个角反射器在θp方向的位移量ΔRp与相位差变化量ΔΦp之间的关系为：
因而，第p个角反射器在θp方向的位移量ΔRp为：
(2)波束最优权矢量设计
对于多目标微位移测量***来说，将需要分离的信号视为期望信号，其他信号为干扰信号，理想的波束权系数应该满足这样的条件：(1)能够使目标方位上波束输出功率最大；(2)使干扰方位波束输出为零；(3)不影响输出信噪比。设期望分离的目标方位为θp，其他目标(这里就是干扰信号)方位为θi,(i＝1,2,…,P,i≠p)，波束权系数为Wp。这一波束形成器最优化求解问题可以表述为:
显而易见，该式等价于
需要满足的约束条件是：
其最优权矢量为：
上式中B＝I-C(CHC)-1·CH,其中C＝[a(θ1) a(θ2) … a(θi) … a(θP)],i≠p；CHC为N×N维的满秩可逆方阵；
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为基于天线阵的多目标微位移测量***总体结构图，如图所示，本***包括无源角反射器和阵列雷达两部分,无源角反射器安装在被测物上，阵列雷达辐射射频信号照射所有角反射器，并接收反射回波信号，经运算处理计算出各微波反射器的微位移量。
图2为多目标微位移测量***工作流程图。如图所示，本方法包括6个步骤，步骤一：在被测物上安装多个角反射器；步骤二：在远离被测物处安装阵列雷达；步骤三：确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位：根据角反射器安装位置坐标和天线阵各单元天线位置坐标及排列方式，确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位；或者通过超分辨来波方向估计算法确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位；步骤四：计算最优权矢量：在已知每个角反射器回波信号相对于天线阵方位的基础上，计算出多个最优权矢量，一个角反射器对应一个最优权矢量，对应一个最优波束；将需要恢复的角反射器回波信号作为期望信号，将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号，每个角反射器所对应的最优权矢量形成的最优波束在期望方向上输出功率最大，在干扰方向上形成零陷；步骤五：恢复每个角反射器回波信号：阵列雷达照射所有角反射器，并接收混合回波信号，使用步骤四中计算的最优权矢量对应的最优波束恢复每个角反射器回波信号；步骤六：计算每个角反射器位移量：使用干涉相位测量技术计算出每个角反射器回波信号与雷达发射信号之间的相位差变化量，从而计算出每个角反射器的位移量。
图3为阵列微位移测量雷达电路结构框图。阵列雷达由信道和信号处理两部分构成。信道部分包含1个发射信道辐射信号，N个接收信道接收回波信号；信号处理部分包括最优权矢量计算，最优波束形成，相关处理，干涉相位测量，微位移量计算。发射信道为：基带信号发生器与中频本振混频，上变频后变换为中频信号，经中频放大器后，与射频本振信号混频，上变频到射频信号，经功率放大器后，由第N+1个阵元辐射到建筑上的P个角反射器上。接收信道为：天线1到N接收各个收角反射器反射的回波信号，经低噪声放大器后与射频本振混频，下变频为中频信号，然后与中频本振信号二次混频，下变频为N路基带信号。这N路基带信号送往最优权矢量计算模块，可以使用超分辨来波方向估计算法如MUSIC算法，计算出每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位θi，计算出P个最优权矢量。使用最优权矢量对接收到的基带信号进行最优波束形成，恢复出每个角反射器的回波信号。将各回波信号与发送的基带信号做相关运算，计算收发信号之间的相位差。使用干涉相位测量模块计算出每个角反射器回波信号与雷达发射信号之间的相位差变化量。使用微位移量计算模块，计算出每个角反射器的位移量。
图4为最优波束示意图。假设目标方位上安装有3个角反射器，天线阵为16元的间隔为半波长的均匀线阵，3个角反射器相对于天线阵的来波方向分别为0°,-10°,10°,阵列雷达分别形成3个最优波束，其波束方向图如图所示，可以看出用于恢复0°方向回波信号的波束在-10°,10°方向上形成零陷，在0°方向接收信号最强；同样地用于恢复-10°方向回波信号的波束在0°,10°方向上形成零陷，在-10°方向接收信号最强；用于恢复10°方向回波信号的波束在-10°,0°方向上形成零陷，在10°方向接收信号最强。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：在被测物上安装多个角反射器；
步骤二：在远离被测物处安装阵列雷达；
步骤三：确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位：根据角反射器安装位置坐标和天线阵各单元天线位置坐标及排列方式，确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位；或者通过超分辨来波方向估计算法确定每个角反射器回波信号相对于天线阵的方位；
步骤四：计算最优权矢量：在已知每个角反射器回波信号相对于天线阵方位的基础上，计算出多个最优权矢量，一个角反射器对应一个最优权矢量，对应一个最优波束；将需要恢复的角反射器回波信号作为期望信号，将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号，每个角反射器所对应的最优权矢量形成的最优波束在期望方向上输出功率最大，在干扰方向上形成零陷；
步骤五：恢复每个角反射器回波信号：阵列雷达照射所有角反射器，并接收混合回波信号，使用步骤四中计算的最优权矢量对应的最优波束恢复每个角反射器回波信号；
步骤六：计算每个角反射器位移量：使用干涉相位测量技术计算出每个角反射器回波信号与雷达发射信号之间的相位差变化量，从而计算出每个角反射器的位移量。
2.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：所述角反射器为由三个互相垂直相交的成本低廉的金属平面构成的反射体，它能将入射的微波信号按原方向反射回去，即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷达截面积。
3.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：所述阵列雷达由信道和信号处理两部分构成，信道部分包含1个发射信道辐射信号，N个接收信道接收回波信号；信号处理部分包括最优权矢量计算，最优波束形成，干涉相位测量，微位移量计算。
4.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：它将需要恢复的角反射器回波信号作为期望信号，将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号，使用最优权矢量形成的最优波束来恢复期望信号，有多少个角反射器就有多少个最优权矢量，就形成多少个最优波束，最优权矢量要满足以下条件：(1)在期望信号方位上该最优波束输出功率最大；(2)在干扰信号方位上该最优波束输出功率为零，即该最优权矢量与干扰信号方向矢量正交；(3)不影响输出信噪比。
5.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：所述阵列雷达的最优权矢量在计算时需要事先知道各角反射器相对于天线阵的方位，可以有两种方法来实现：(1)使用GPS技术确定各角反射器的位置坐标以及天线阵各单元天线位置坐标，利用几何位置关系确定每个角反射器相对于天线阵的方位；(2)使用MUSIC算法计算每个角反射器相对于天线阵的方位。
6.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法，其特征在于：所述阵列雷达辐射信号为单频连续波信号或线性调频连续波信号。
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