CN105223545B - 一种位移监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位移监测***及方法，所述***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。本发明可实现毫米精度位移监测，***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。
Description
技术领域
本发明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***。
背景技术
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(Total Station)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纬仪，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1e-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***，实现对于三维轮廓的扫描。激光扫描***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(SyntheticAperture Radar)。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***。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***，可以在4000米范围内实现0.1mm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***，但价格较为昂贵。
GNSS即全球导航卫星***的简称，目前有四家：美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧洲的Galileo及我国自主研发的北斗***。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一机多天线技术，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***。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***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***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***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，***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。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种位移监测***及方法，以实现待检测结构的精确位移监测。
根据本发明一方面，其提供了一种位移监测***，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。
根据本发明另一方面，其提供了一种位移监测方法，其包括：
固定于待测结构上的N个无线信标发射无线信号；
所述无线信号经空间传播由M个接收天线接收，经馈线进入信号接收模块；其中，N≥1，M≥2；
所述信号接收模块利用放大器将所述无线信号进行放大，并与本地振荡器信号混频实现下变频，由模数转换器转变为数字信号后输出；
信号处理模块接收所述数字信号，并根据所述数字信号先区分出不同的无线信标信号，并分别对其进行信息解调、码相位解调和载波相位解调；
所述信号处理模块对解调后的无线信标信号进行综合处理计算，得到各个无线信标的实时位置信息。
本发明可实现毫米精度位移监测，***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。
附图说明
图1是本发明中位移监测***的结构示意图；
图2是本发明中位移监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种位移监测***，其包括：无线信标模块，信号接收模块和信号处理模块。
所述无线信标模块可包含多个无线信标，每个信标包括发射天线、无线信号发射器和调制信号发生器；为了扩大监测范围，无线新标模块还可以包括放大器，或者还可以选择包含其他传感器单元，回传其测量数据等。每个所述信标固定在待检测结构上，用于发射无线信号。
所述信号接收模块包括天线及馈线，放大器，本地振荡器，混频器，模数转换器和数模转换器，用于信号的放大、混频和模数转换等。所述天线及馈线用于接收所述信标发射的无线信号，所述无线信号经过放大器放大后与所述本地振荡器的信号经所述混频器实现变频，并经模数转换器转换成数字信号后输出；
所述信号处理模块包含数字信号处理器，其用于接收所述信号接收模块输出的数字信号，并对其进行相应的处理。具体地，所述数字信号在信号处理模块内分解出不同的无线信标的信号，再分别对其进行码相位解调和载波相位解调，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。
所述数字信号处理器由通用处理器(GPP)，图形处理器(GPU),可编程逻辑电路(FPGA)或数字信号处理器(DSP)中的一个或多个组合而成。
软件运行于所述数字信号处理器上，用于实现码相位解算和载波相位解算，可以在不同数字信号处理器用相应开发语言加以实现。所述软件还可选择实现信息解调，用于解调其他传感器单元回传的测量数据。
所述信号处理模块还可连接至计算机、数据库等信息处理、显示、存储、查询等设备。
可选地，所述无线信标模块包含多个传感器，用于测量待测结构的相应数据；信号处理模块包含信息解调模块。无线信标读取传感器测量数据并编码进其发射的无线信号中，信号处理模块的信息解调模块对其进行解调。
可选地，所述信号接收模块具有接收天线馈线延迟测量和补偿功能。
可选地，所述信号处理模块的输出可以通过计算机进行再处理和显示，可以通过数据库进行存档和查询。
本发明还提出了一种位移监测方法，如图2所示，其包括：
步骤101：固定于待测结构关键点的无线信标发射无线信号，各无线信标可以选择由频分、码分、时分等复用方式加以区分。
步骤102：无线信号经空间传播由各个天线接收，经馈线进入信号接收模块。
步骤103：无线信号在信号接收模块内由放大器进行放大，与本地振荡器信号混频实现下变频，由模数转换器转变为数字信号。
步骤104：数字信号从信号接收模块输出之后，进入信号处理模块。
步骤105：数字信号在信号处理模块内先区分不同的无线信标的信号，分别进入各自进程进行处理。各处理进程包括信息解调，码相位解调和载波相位解调。
步骤106：解调后的信号进行综合处理计算，得到各个无线信标的实时位置信息。
步骤107：无线信标的实时位置信息可以通过计算机进行显示，可以通过数据库进行存档和查询。
所述信号处理模块的具体处理如下：
假设有N个无线信标，第i个无线信标的坐标为其发射信号为si(t)，可以表示为编码和载波两部分：
其中，mi(t)为编码，cos(ωit)为载波，运算符表示调制过程，因调制方式不同而异。
假设信号接收模块有M个接收天线，第j个接收天线坐标为天线到接收机的馈线的信号时延为Tj。在***布设时通过测绘手段确定，Tj利用网络分析仪等方法测定，二者为已知量。
第i个无线信标发射的信号到达第j个接收天线具有时延 c为真空光速，|| ||为求空间两点距离的运算。类似有第i个无线信标发射的信号到达第j′个天线有时延Tij′。信号si(t)分别经过j和j′两路天线和馈线进入接收机，，进行滤波、放大、模数转换等处理。此时两路信号的时延分别为Tij+Tj和Tij′+Tj＇。数字信号进入信号处理模块，进行码相位解调和载波相位解调得到所述两路信号的码相位差和载波相位差，并根据所述码相位差和载波相位差得到这两路信号的时间延迟之差ΔTijj′＝(Tij+Tj)-(Tij′+Tj′)，就可以确定无线信标的坐标满足下列双曲线方程：
上式中各符号定义如前所述：其中，c为真空中的光速，Tij为第i个无线信标发射的无线信号到达第j个接收天线的时延，Tij′为第i个无线信标发射的信号到达第j′个接收天线的时延，Tj和Tj′分别为第j个和第j′个接收天线与其对应的馈线之间的时延，为第i个无线信标的坐标，和为第j个接收天线和第j′个接收天线的坐标。
利用M个天线两两之间的信号时延差，可以列出M-1个类似方程，可以求解维度小于M-1的定位问题。例如，布设两个天线即可实现一维位移的监测，布设四个天线可实现三维位移的监测。
实施例1：
无线信标模块采用Arduino Pro Mini作为编码控制器，基于CC1101射频收发芯片的HC-11无线串口模块负责射频信号发送，工作频段为433MHz，工作距离约为1000m。由于B210具有两个射频通道，可以实现一维位移监测。
信号接收模块利用Ettus公司的USRP B210开发板，开发板包括射频开关、放大器、收发器、FPGA及USB3.0接口等。天线采用433MHz 3dB增益标准螺旋天线。馈线采用KSR400/LMR400型同轴线。
信号处理模块基于CPU实现，具体硬件为移动工作站ThinkPadW520，软件基于GNURadio开发的信号处理程序实现，软件算法如前所述。
实施例2：
信号处理模块及信号接收模块硬件不变，通过软件设置接收频率至2.4GHz。
无线信标采用基于nRF24l01+的无线模块，工作于2.4GHz。
实施例3：
信号处理模块基于嵌入式CPU和FPGA实现，具体硬件为Xilinx Zynq-7000全可编程SoC ZC706评估板，核心器件为Xilinx Zynq-7000内含ARM核心和FPGA，可以实现信号高速处理。
信号接收模块利用ADI公司的AD-FMCOMMS5-EBZ开发板，板载两块双通道射频收发器，可以实现四路射频信号的收发，可以实现三维位移监测。
无线信标可以采用例1或2的实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种位移监测***，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。
2.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述无线信标包括发射天线、无线信号发射器和调制信号发生器。
3.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述无线信标模块还包括：
放大器，用于放大所述无线信号；
传感器单元，用于测量待测结构相应数据，所述无线信标还发射所测量的所述相应数据。
4.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述信号接收模块包括天线及馈线、放大器、本地振荡器、混频器、模数转换器和数模转换器。
5.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述
信号处理模块由通用处理器，图形处理器，可编程逻辑电路或数字信号处理器中的一个或多个组合而成。
6.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述信号接收模块具有接收天线馈线延迟测量和补偿功能。
7.根据权利要求1所述的位移监测***，其中，所述信号处理模块根据码相位解调结果和载波相位解调结果得到M个接收天线两两之间的信号时延差，并求解下式得到N个无线信标的坐标：
其中，c为真空中的光速，Tij为第i个无线信标发射的无线信号到达第j个接收天线的时延，Tij′为第i个无线信标发射的信号到达第j′个接收天线的时延，Tj和Tj′分别为第j个和第j′个接收天线与其对应的馈线之间的时延，为第i个无线信标的坐标，和为第j个接收天线和第j′个接收天线的坐标。
8.根据权利要求1-7任一项所述的位移监测***，其中，M的值比所要监测位移的维度大1。
9.一种位移监测方法，其包括：
固定于待测结构上的N个无线信标发射无线信号；
所述无线信号经空间传播由M个接收天线接收，经馈线进入信号接收模块；其中，N≥1，M≥2；
所述信号接收模块利用放大器将所述无线信号进行放大，并与本地振荡器信号混频实现下变频，由模数转换器转变为数字信号后输出；
信号处理模块接收所述数字信号，并根据所述数字信号先区分出不同的无线信标信号，并分别对其进行信息解调、码相位解调和载波相位解调；
所述信号处理模块对解调后的无线信标信号进行综合处理计算，得到各个无线信标的实时位置信息，其中，所述信号处理模块对解调后的无线信标信号进行综合处理计算具体包括：
根据码相位解调结果和载波相位解调结果得到M个接收天线两两之间的信号时延差，并通过求解下式得到N个无线信标的坐标：
其中，c为空气中的光速，(Tij+Tj-Tij′-Tj′)为第j个接收天线和第j′个接收天线之间的信号时延差；Tij为第i个无线信标发射的无线信号到达第j个接收天线的时延，Tij′为第i个无线信标发射的信号到达第j′个接收天线的时延，Tj和Tj′分别为第j个和第j′个接收天线与其对应的馈线之间的时延，为第i个无线信标的坐标，和为第j个接收天线和第j′个接收天线的坐标。
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