一种基于微波干涉的二维面形变监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于微波干涉的二维面形变监测方法及系统，其中形变监测方法包括：S1、选择稳定参考点和目标待测点；S2、求各个点的形变量；S3、误差补偿；S4、求水平位移和竖直位移；S5、形变监测。本发明专利技术还提供一种形变监测系统，包括：至少两个微波干涉形变测量雷达、n个稳定参考点、若干个目标待测点、雷达控制系统及远程监测平台；其中：n≥2；雷达控制系统包括误差补偿模块、位移计算模块及形变监测模块。本发明专利技术是一种适用于边坡、大坝的形变监测，且安装简便、使用成本低、自动化程度和精度高、监测效果好、不易受干扰的，能通过测量二维面在水平和竖直方向上的形变分量而实现对其稳定性监测的形变监测方法和系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波干涉的二维面形变监测方法及系统
本专利技术涉及一种二维面形变监测方法及系统，具体涉及一种基于微波干涉的二维面形变监测方法及系统。
技术介绍
在自然界和日常生活中，形变现象随处可见，物体所能承受的形变量都有一定的范围，当其形变量超出容许的范围时，将有可能发生灾难性的后果，如形变过大而引起的：山体滑坡，大型桥梁、摩天大楼、大型大坝等的坍塌，这些都会导致巨大的灾难的发生。为避免及降低灾害发生时的生命财产损失，形变监测就显得尤为重要。二维面形变监测以边坡监测为例，边坡监测技术经过多年的发展，根据监测对象的不同，大概可以分为以地表位移、地下水压力变化、爆破震动影响、锚固应力变化以及深部位移为主要监测对象等多类监测技术。其中：(1)监测地表位移为主的监测技术历史最为悠久，传统的地表位移监测技术主要通过大地测量法借助全站仪或者经纬仪对监测点坐标进行监测。近年来，随着电子信息技术的快速发展和各学科的交叉融合，多种地表位移监测技术不断涌现，如自动化全站仪监测网络、激光测距扫描技术、合成孔径雷达干涉测量技术、全球定位系统监测技术、数字成像监测技术、地理信息系统监测技术等，一系列的新型技术的专利技术和应用为边坡工程地表位移监测提供了更加方便有效地手段。(2)以地下水压力为主要监测对象的监测技术是将钻孔打在待检测并安装水压计从而探测边坡体内地下水的分布规律。(3)地震和爆破震动监测则是通过对爆破产生地震波的测试，解析出最大位移、速度、加速度、主振频率、波动速度和振动持续时间等参数来衡量爆破对边坡的影响程度。(4)锚固应力监测是通过监测布设在矿山边坡加固工程中锚索、锚杆上的高敏传感器、将下滑力的监测计算转化为对传感器数据的监测计算，继而计算出滑坡下滑力的大小，实现对施作锚固工程的局部高危边坡稳定性监测预警。这几类监测技术在特定条件或边坡稳定性评价的某方面具有独特的优势，但不具备推广到整个边坡全面监测的条件。又以大坝的形变监测为例：大坝安全监测的内容包括：形变监测、渗流监测、应力应变监测、温度检测和环境监测等。其中形变监测和渗流监测是重点，而形变监测更是重中之重。一般情况下，大坝的异常都是先通过坝体的形变来反映出来的，所以对于大坝的安全监测中需要列在首位的就是形变监测。大坝的形变可以分为水平形变和竖直形变，其中：(1)水平形变的监测方法有引张线法、视准线法、激光准直法、交会监测法、GPS法和导线法等。引张线法和GPS法应用较多，引张线法成本较低、操作简单，但是自动化程度不高，测量精度和标尺选择有关；GPS法自动化程度较高，但是，精度较差、成本略高。(2)竖直形变的监测方法有几何水准法、静力水准法、三角高程法和多点位移计法等，常用的方法有几何水准法和静力水准法，其中几何水准法能满足大部分大坝的监测要求，但是没办法实现自动化；静力水准法精度高但是易受环境影响。意大利IDS公司的IBIS-FM/FL系列产品同样是基于微波干涉技术的形变测量雷达系统，基于合成孔径成像算法，通过在高精度滑轨上直线匀速运动的雷达主机对观测场景形成不同时刻的雷达图像，并通过图像序列的相位变化估计场景中的形变，该方法存在一些局限性，如：1)体积重量大，部署困难；2)依赖场景中的强散射点，对于散射弱的区域测量效果差；3)容易受到地表植被和碎石的影响；4)无法测量大坝等二维面在水平和竖直方向上的形变分量。本专利技术拟提供一种适用于边坡、大坝等二维面形变监测，通过测量二维面在水平和竖直方向上的形变分量实现形变监测目的的形变监测方法和系统。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种适用于边坡、大坝的形变监测，且安装简便、使用成本低、自动化程度和精度高、监测效果好、不易受干扰的，能通过测量二维面在水平和竖直方向上的形变分量而实现对其稳定性监测的形变监测方法和系统。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：为便于本文的理解和叙述，现对以下名词作出说明：1、雷达探测范围：表示本专利技术中微波干涉形变测量雷达的波束角范围和最大工作距离内的区域。2、稳定参考点：指使用本专利技术中微波干涉形变测量雷达进行形变测量的过程中，形变量始终为零的参考点，也被称为固定参考点、地面控制点。3、坐标系：本文使用的坐标系为三维坐标系，其xy平面与水平面平行，x轴与坡体竖直截面方向平行，如附图2所示。4、水平位移和竖直位移：水平位移指坐标系x轴方向上的位移，竖直位移指坐标系z轴方向上的位移。本专利技术提供一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，该方法包括以下步骤：S1、选择稳定参考点和目标待测点在微波干涉形变测量雷达探测范围内，选择位于待监测的二维面上的若干目标待测点及n个稳定参考点；所述稳定参考点为在整个测量时间内不发生形变位移的点位，且稳定参考点的个数n≧2；且满足|rik-rjk|≥δr，其中rik和rjk分别表示任意目标待测点i和j到微波干涉形变雷达k的距离，δr表示雷达的距离分辨率；因为测量雷达有一个距离分辨率，就是说它在距离上面不能够分辨离得太近的两个目标，所以为了把参考点区分开来，必须满足距离间隔大于分辨率。S2、求各个点的形变量使用至少两台的微波干涉形变测量雷达同时对选择的稳定参考点和目标待测点进行形变测量并采集形变量数据，同时将形变量数据传输给雷达控制系统；S3、误差补偿雷达控制系统基于稳定参考点的形变量数据建立误差补偿模型，通过误差补充模型对目标待测点的形变量数据进行误差补偿，得到目标待测点的形变量Δl；S4、求水平位移和竖直位移雷达控制系统对目标待测点的形变量Δl根据其设定的坐标系进行数据投影，根据各稳定参考点、目标待测点、及微波干涉形变测量雷达的位置信息及其投影关系，求出目标待测点的水平位移和竖直位移；S5、形变监测在雷达控制系统内设置水平位移阀值和竖直位移阀值，当步骤S4中求出的水平位移超出水平位移阀值或者竖直位移超出竖直位移阀值，即判定该二维面发生危害，雷达控制系统发出警报信号给远程监测平台实现对该二维面的形变监测。进一步地，步骤S3中建立的误差补偿模型是指：将测量系统形变监测误差分为零均值误差和缓变误差；基于稳定参考点的形变量测量数据，采用时域平滑去除零均值误差，再采用最小二乘法求得稳定参考点的缓变误差；然后通过稳定参考点的缓变误差对目标待测点的测量数据进行补偿得到目标待测点的形变量Δl；所述零均值误差指测量误差，所述缓变误差包括系统误差和单位距离大气误差。进一步地，步骤S3中的误差补偿模型具体是指：其中：d1-dn分别代表n个稳定参考点的形变量数据经过L次求和之后补偿掉测量误差之后的数据；L代表时域窗长；dmea1i-dmeani分别代表n个稳定参考点的测量误差；dsysi代表系统误差；a(ti)代表单位距离大气误差；r1i-rni分别代表n个稳定参考点到微波干涉形变测量雷达的径向距离；基于上述误差补偿模型，采用最小二乘法即可计算出系统误差dsys和单位距离大气误差a(t)；然后基于求得的系统误差dsys和单位距离大气误差a(t)，根据如下公式补偿目标待测点的缓变误差，得到目标待测点的实际形变量Δl：Δl＝ddis＝(d-dsys-a(t)·r)-dmea其中：d表示雷达测得的目标待测点的形变量数据；λ表示雷达发射信号的波长；表示相位差；r为目标待测点到测量雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择稳定参考点和目标待测点在微波干涉形变测量雷达探测范围内，选择位于待监测的二维面上的若干目标待测点及n个稳定参考点；所述稳定参考点为在整个测量时间内不发生形变位移的点位，其中：n≧2；且满足|rik‑rjk|≥δr，其中rik和rjk分别表示任意目标待测点i和j到微波干涉形变雷达k的距离，δr表示雷达的距离分辨率；S2、求各个点的形变量使用至少两台的微波干涉形变测量雷达同时对选择的稳定参考点和目标待测点进行形变测量并采集形变量数据，同时将形变量数据传输给雷达控制系统；S3、误差补偿雷达控制系统基于稳定参考点的形变量数据建立误差补偿模型，通过误差补充模型对目标待测点的形变量数据进行误差补偿，得到目标待测点的形变量Δl；S4、求水平位移和竖直位移雷达控制系统对目标待测点的形变量Δl根据其设定的坐标系进行数据投影，根据各稳定参考点、目标待测点、及微波干涉形变测量雷达的位置信息及其投影关系，求出目标待测点的水平位移和竖直位移；S5、形变监测在雷达控制系统内设置水平位移阀值和竖直位移阀值，当步骤S4中求出的水平位移超出水平位移阀值或者竖直位移超出竖直位移阀值，即判定该二维面发生危害，雷达控制系统发出警报信号给远程监测平台实现对该二维面的形变监测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择稳定参考点和目标待测点在微波干涉形变测量雷达探测范围内，选择位于待监测的二维面上的若干目标待测点及n个稳定参考点；所述稳定参考点为在整个测量时间内不发生形变位移的点位，其中：n≧2；且满足|rik-rjk|≥δr，其中rik和rjk分别表示任意目标待测点i和j到微波干涉形变雷达k的距离，δr表示雷达的距离分辨率；S2、求各个点的形变量使用至少两台的微波干涉形变测量雷达同时对选择的稳定参考点和目标待测点进行形变测量并采集形变量数据，同时将形变量数据传输给雷达控制系统；S3、误差补偿雷达控制系统基于稳定参考点的形变量数据建立误差补偿模型，通过误差补充模型对目标待测点的形变量数据进行误差补偿，得到目标待测点的形变量Δl；S4、求水平位移和竖直位移雷达控制系统对目标待测点的形变量Δl根据其设定的坐标系进行数据投影，根据各稳定参考点、目标待测点、及微波干涉形变测量雷达的位置信息及其投影关系，求出目标待测点的水平位移和竖直位移；S5、形变监测在雷达控制系统内设置水平位移阀值和竖直位移阀值，当步骤S4中求出的水平位移超出水平位移阀值或者竖直位移超出竖直位移阀值，即判定该二维面发生危害，雷达控制系统发出警报信号给远程监测平台实现对该二维面的形变监测。2.根据权利要求1所述的一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，其特征在于，步骤S3中建立的误差补偿模型是指：将测量系统形变监测误差分为零均值误差和缓变误差；基于稳定参考点的形变量测量数据，采用时域平滑去除零均值误差，再采用最小二乘法求得稳定参考点的缓变误差；然后通过稳定参考点的缓变误差对目标待测点的测量数据进行补偿得到目标待测点的形变量Δl；所述零均值误差指测量误差，所述缓变误差包括系统误差和单位距离大气误差。3.根据权利要求2所述的一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，其特征在于，步骤S3中的误差补偿模型具体是指：其中：d1-dn分别代表n个稳定参考点的形变量数据经过L次求和之后补偿掉测量误差之后的数据；L代表时域窗长；dmea1i-dmeani分别代表n个稳定参考点的测量误差；dsysi代表系统误差；a(ti)代表单位距离大气误差；r1i-rni分别代表n个稳定参考点到微波干涉形变测量雷达的径向距离；基于上述误差补偿模型，采用最小二乘法即可计算出系统误差dsys和单位距离大气误差a(t)；然后基于求得的系统误差dsys和单位距离大气误差a(t)，根据如下公式补偿目标待测点的缓变误差，得到目标待测点的实际形变量Δl：Δl＝ddis＝(d-dsys-a(t)·r)-dmea其中：d表示雷达测得的目标待测点的形变量数据；λ表示雷达发射信号的波长；表示相位差；r为目标待测点到测量雷达的径向距离。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于微波干涉的二维面形变监测方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠，邓峰，彭志伟，蒋伟明，焦润之，
申请(专利权)人：长沙深之瞳信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43