多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统技术方案

本发明专利技术揭示一种用于地表和地下监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，其包含基带合成孔径雷达SAR子系统、用于发射和接收多个波的射频RF收发器子系统、用于地表和地下监测的扫描子系统及电源，所述电源包含用于给所述系统提供电力的电力管理模块。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例涉及监测地表地下变形技术且更特定地说，涉及用于远程监测滑坡易发区域且在滑坡发生之前预测即将到来的滑坡的方法及系统。
技术介绍
传统上，存在常规方法来通过提前对即将到来的滑坡或涉及陆地移位的类似事件的潜在受影响区域提供警告来评估例如滑坡的危险状况。此外，归因于由滑坡、地形下沉以及建造及维护人造结构(例如桥梁、塔、建筑物、水坝及其它此类结构)时造成的不同类型的不稳定性引起的土地移动，可造成危害及灾害，其通常可造成相当大的人员损失及经济损失。结果，重要的是，实时监测土地移动以避免此类危害及灾害，且每当存在此类事件的迹象及发生概率时都通知公众。然而，实时监测滑坡的问题是，在大多数情况下，定期检查单个孤立的传感器同时进行视觉现场评估以确定滑坡的潜在风险，且没有足够多的或适当种类的传感器数据来实现对即将到来的事件的准确且及时预测。多种类型的测量传感器能够测量例如土地的移位、倾斜、下沉等等的斜坡的小幅度移动，例如地下测斜仪、沉降测量装置、地表伸缩计、裂缝测量装置等等安装在斜坡中以执行测量，且当测量数据超过预设阈值时发送危险信号。在使用中，用于供电的供电电缆及用于将测量数据发射到数据记录器的通信电缆相互连接。然而，安装成本较高，这是因为当安装测量装置时需要许多熟练工人在地面钻出深孔。仍然存在以下问题：测量传感器难以广泛地安装在偏远地区。此外，必须给用于检测滑坡的测量传感器供电，且测量传感器必须连接到通信电缆。然而，此电缆布线处理工作难以在陡坡中进行，且必须在没有配备通信及电力基础设施的山区安装单独的通信及供电设备。目前，在滑坡事件之前及期间实时收集及分析的数据尚不足以允许实现对潜在滑坡的路线及强度的逻辑预测。一般来说，可基于发生在特定区域中的以往事件或关于以往事件的时间及严重程度的有根据的猜测来发出滑坡警告。此外，对土地变形及结构移动的监测使用测地学方法，例如全站仪、水准测量及GPS勘测。特定地说，用于变形监测的测地学勘测方法包含经纬仪导线勘测、三角测量方法及全站仪方法。然而，此类方法
在相异点进行观察的能力有限。此外，此类方法是没有效率的且大区域的测量速度缓慢。此外，其它常规的测地学勘测方法，其提供合理的准确度，但是需要有经验的专业人员现场进行工作，这造成沉重工作负担、高的人身危险及低效率。特定地说，归因于在夜晚或连续降雨时无法意识到的危害，此类方法的现场工作是高人身危险的工作。另一方面，激光扫描及摄影技术可覆盖更宽的区域，但是其只可应用于白天及良好的天气状况下，这是因为激光会受雾霾及降雨影响。最新技术是利用通常称作InSAR的基于地面的干涉法合成孔径雷达。其是用于使用InSAR处理监测地表变形变化的遥感技术。尽管InSAR系统在全天候状况下都能以高的空间分辨率及高的地表检测变化准确度更有效率地监测大区域的移位，但其仍然具有许多缺点。现有基于地面的InSAR系统通常利用限于地表变形监测的毫米波频率系统。具有毫米数量级的短波长的毫米波信号不能穿透地表得到监测点的地下剖面图。然而，滑坡的主要原因起始于地下变形。因此，与表面变形相比，监测地下变形的能力也是极为重要的。此外，毫米波InSAR系统并不适合用于监测被森林树冠层及植被覆盖的地表。此是因为毫米波InSAR系统对细微的树叶移动极为敏感且其可在地表监测时产生虚假的返回信号。此外，越来越需要使用非破坏性遥感技术以进行灾难监测、风险评估以及建立用于危害及灾害管理的早期警告框架。此外，与覆盖面积小的常规地面真实情况监测仪器相比，仍然需要大面积监测。因此，所属领域中仍然需要系统及方法来解决以高的检测准确度实时地对土地及建筑物结构变形进行连续监测的无效率且最小化现场工作的风险。
技术实现思路
本专利技术的实施例通常揭示一种多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，其用于地球地表、地下及人造结构移动的区域的监测及剖面测量以实时确定发生在地下的任何种类的变形。特定地说，雷达剖面测量仪系统是高度紧凑的嵌入式雷达系统，所述嵌入式雷达系统可安装在地面或车辆上以监测地球地表、地下及人造结构移动及测量其剖面。根据本专利技术的实施例，雷达剖面测量仪系统包含基带合成孔径雷达(SAR)子系统、射频(RF)发射器及接收器(收发器)子系统、扫描子系统及电源，所述电源包含用于给雷达剖面测量仪系统供电的电力管理模块。在使用中，雷达剖面测量仪系统能够安装在至少一个平台上，所述至少一个平台可为机动化平台或位于地表上的固定平台。此外，雷达剖面测量仪系统可安装在移动车辆的平台上以提供对土地移动的连续监测。特定地
说，射频(RF)收发器子系统发射及接收多个波，且射频(RF)收发器电连接到基带SAR子系统。扫描子系统包含用于地表和地下监测的扫描构件。根据本专利技术的实施例，地表及地下的扫描可通过电子射束控制技术而以电子形式实现。根据本专利技术的另一实施例，地表及地下的扫描可通过机动化平台控制而以机械方式实现。根据本专利技术的实施例，雷达剖面测量仪系统可穿透到地表下大约10cm处以得到地下剖面图及地下移动机制。根据本专利技术的实施例，一种用于监测区域及测量其剖面的方法包含以下步骤：通过发射多个信号以完成区域的扫描进行的雷达信号采集，及确定扫描是否是对区域的新扫描。特定地说，每一次扫描包含发射在至少一个载波频率的调频连续波(FMCW)信号的序列。此外，所述方法包含以下步骤：处理响应于所述多个信号中的每一信号作为数字化数据所接收的多个回波信号并将其存储在数据库中，其中每一次扫描包含多个数字文件且所存储的扫描是对区域的新扫描。根据本专利技术的实施例，所述方法进一步包含以下步骤：将数据转换成多个合成孔径雷达(SAR)图像、将每一合成孔径雷达(SAR)图像存储在数据库中及确定所存储的合成孔径雷达(SAR)图像是否是区域的新的合成孔径雷达(SAR)图像。根据本专利技术的实施例，一种用于通过使用雷达剖面测量仪系统监测潜在危害区域中的自然灾害的方法包含以下步骤：将雷达剖面测量仪系统安装到远离潜在危害区域的平台上、以预定义时间间隔执行定期监测、以高精度变化检测能力生成场景的3D图像，及经由有线及/或无线通信网络将3D图像发送到数据中心及/或监测机构，所述有线及/或无线通信网络包含(但不限于)局域网(LAN)、广域网(WAN)及个人区域网(PAN)。根据本专利技术的一个实施例，上面安装雷达剖面测量仪系统的平台是固定平台。根据本专利技术的另一实施例，上面安装雷达剖面测量仪系统的平台是移动平台。根据本专利技术的另一实施例，一种用于通过雷达时序控制器(RTC)及高速模数转换器(ADC)获取数据的方法包含以下步骤：通过由雷达时序控制器(RTC)获得对高速模数转换器(ADC)的控制处置来起始数据获取过程、等待来自外部时序控制单元的触发器信号，及以指定时钟速率及样本数目采样模数转换器(ADC)。附图说明为了使本专利技术的上文叙述的特征能够被详细地了解，可通过参考其中一些在附图中
加以说明的实施例进行对上文简要概述的本专利技术的更特定描述。然而，应注意，附图只说明本专利技术的典型实施例且因此不应被视为限制其范围，这是因为本专利技术可允许其它同等有效的实施例。图1说明根据本专利技术的一个实施例的地下雷达剖面测量仪系统的系统架构的功能方框图；图2说明根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于地表和地下监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，所述系统包括：基带合成孔径雷达SAR子系统，其用于生成、接收雷达信号并以数字形式处理雷达信号；射频RF发射器及接收器(收发器)子系统，其用于发射及接收多个波，所述射频RF收发器子系统电连接到所述基带SAR子系统；扫描子系统，其包括用于地表和地下监测的扫描构件，所述扫描子系统电连接到所述基带SAR子系统及射频RF收发器子系统；以及电源，其包括用于给所述系统提供电力的电力管理模块。

【技术特征摘要】
2014.12.04 MY PI20147036381.一种用于地表和地下监测的多频带可再配置地下雷达剖面测量仪系统，所述系统包括：基带合成孔径雷达SAR子系统，其用于生成、接收雷达信号并以数字形式处理雷达信号；射频RF发射器及接收器(收发器)子系统，其用于发射及接收多个波，所述射频RF收发器子系统电连接到所述基带SAR子系统；扫描子系统，其包括用于地表和地下监测的扫描构件，所述扫描子系统电连接到所述基带SAR子系统及射频RF收发器子系统；以及电源，其包括用于给所述系统提供电力的电力管理模块。2.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述系统进一步包括：可再配置基带信号合成器，其用于生成所需雷达波形及时序和控制信号；数据记录器，其用于接收传入雷达信号数据并将其记录在数据库中；以及嵌入式合成孔径雷达SAR处理器子系统，其用于实时处理所述雷达信号数据。3.根据权利要求2所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述嵌入式雷达处理器子系统包括：双信道模数转换器ADC，其用于将多个已接收的FMCW中频IF信号转换成数字样本；基于现场可编程门阵列FPGA的距离相关器，其用于将所述传入样本变换成1D压缩距离域样本；以及基于现场可编程门阵列FPGA的方位相关器，其用于将多个压缩距离域样本变换成多个2D压缩方位域样本。4.根据权利要求2所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述信号合成器子系统是基于现场可编程门阵列FPGA的数字信号合成器。5.根据权利要求4所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述信号合成器是包括输入模块、数字逻辑模块及至少一个数模转换器的可再配置基带数字信号合成器。6.根据权利要求5所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述输入模块包括参考时钟及串行接口。7.根据权利要求5所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述数字逻辑模块包括：多个内部寄存器，其用于提供再配置能力；直接数字合成器DDS核心；频率分布图生成器，其用于生成所述DDS核心所需的调谐字及产生所需基带输出信号；有限状态机FSM，其用于同步所述信号合成器的操作序列；时序控制单元TCU，其用于生成多个时钟信号，所述TCU电连接到所述输入模块的所述参考时钟；以及时钟分配器，其用于分配所述多个时钟信号，其中所述所需基带输出信号是呈将由所述至少一个数模转换器转换成模拟格式的数字格式。8.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统包括多频带天线及射频RF收发器，所述射频RF收发器电连接到所述基带合成孔径雷达SAR子系统。9.根据权利要求8所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统是多频带、高线性且低相噪调频连续波FMCW雷达系统。10.根据权利要求8所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统包括调频连续波FMCW信道。11.根据权利要求10所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括：高分辨率斜坡生成器锁相环PLL，其用于提供高线性FMCW波形；使用宽频带电压控制振荡器VCO，其中VCO输出相位被馈送到可编程小数分频器中；以及倍频器，其用于将频率范围扩大至少一个因子以提供从大约2000MHz到大约24000MHz的范围中的多频带可再配置扫频；其中电压控制振荡器VCO的所述输出是高度线性且低相噪FMCW波形，且电压控制振荡器VCO的所述输出的中心频率可在大约500MHz到大约6000MHz的范围中的宽频率频带内编程。12.根据权利要求11所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述锁相环PLL包括低噪声相频检测器，且所述低噪声相频检测器比较所述电压控制振荡器VCO相位与参考相位且调整所述电压控制振荡器VCO以保持至少一个相位为匹配的。13.根据权利要求12所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括：高功率放大器HPA，其用于放大所述调频连续波FMCW信号，且所述FMCW信号是通过多频带发射天线而发射；接收天线，其用于接收返回信号；低噪声放大器LNA，其用于放大所述返回信号；以及正交混频器，其用于混频所述传入的接收信号与发射信号的一部分以降频转换成中频IF信号，且所述中频IF信号是由所述模数转换器ADC转换成多个数字样本且存储在所述数据记录器115中以供处理；其中可在多频带频率上以高线性度及低相噪数字式地再配置所述调频连续波FMCW信号的扫频，所述多频带频率例如从选自UHF、L及S频带的低微波频率到选自C、X及Ku频带的多个高微波频率。14.根据权利要求13所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括射频RF混频器，其用于混频所述中频IF信号与接收自发射器链的调频连续波FMCW线性调频信号以形成基带信号。15.根据权利要求12所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述射频RF收发器子系统进一步包括中频IF放大器及滤波器以用于所述基带信号的信号调节。16.根据权利要求1所述的雷达剖面测量仪系统，其中所述扫描子系统的所述扫描构件
\t进一步包括3D合成孔径雷达SAR扫描器以在垂直及水平方向上进行测量，以生成地下剖面图及干涉图。17.根据权利要求16所述的雷达剖面测量仪系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林天赐，郭文杰，陈俊吉，蔡明炎，
申请(专利权)人：艾雷达私人有限公司，
类型：发明
国别省市：马来西亚;MY