结构表面变形监测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：至少三个微波探测器、数据采集传输单元、远程控制处理系统。所述至少三个微波探测器分别布置在不同高程位置且与所述待测结构互相通视。本发明专利技术同时还提供一种结构表面变形监测方法。利用本发明专利技术提供的结构表面变形监测系统及方法可以同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。

【技术实现步骤摘要】
结构表面变形监测系统及方法
本专利技术涉及建筑结构安全监测领域，尤其涉及建筑结构表面变形监测。
技术介绍
结构安全监测主要包括变形监测、渗流监测、应力应变监测、温度监测等。其中，变形监测直观可靠，可基本反映在各种荷载作用下的结构安全性态，因而成为最为重要的监测项目。本专利技术主要关注的是结构表面变形。目前，结构表面变形监测技术主要包括：常规大地测量技术、测量机器人监测技术、地面三维激光扫描技术、摄影测量与遥感技术、GPS技术等。以上表面变形测量技术或多或少存在一些缺点，难以同时实现高精度测量、自动化测量、不间断测量的要求。例如，常规大地测量技术利用传统的大地测量仪器，理论和方法较为成熟，测量数据可靠，观测费用相对较低。但该类方法观测所需要的时间长，劳动强度高，观测精度受到观测条件的影响较大，不能实现自动化观测等。测量机器人由带驱动马达和程控全站仪定位系统，结合激光、通讯及CCD技术组合而成，可以实现常规监测网测量的自动化。但是，单台测量机器人监测范围小，很难达到亚毫米级测量精度；多台联机又会出现设备利用率低的问题。激光雷达通过发射红外激光直接测量雷达中心到地面点的角度和距离信息，获取地面点的三维数据。但是激光雷达的测量精度在毫米至厘米之间，很难满足结构变形的监测精度。摄影测量与遥感技术是从摄影影像和其他非接触传感器系统获取结构的可靠信息，并对其进行记录、量测、分析与应用表达的科学和技术。摄影测量与遥感技术可以将变形体变形的特征信息全面地进行采集，具有快速、直观、全面的特点，但仍然存在测量精度不高的问题。GPS测量系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，利用距离变换求出结构的坐标，再通过长时间数据采集得到变形数据。GPS测量具有测站点无需通视、全天候观测、测量范围大等特点。但是GPS接收机在高山峡谷、密林深处等处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，监测精度和可靠性不高；误差源多，定位结果和观测值之间的关系复杂，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；GPS用于动态变形监测时，精度只能达到厘米级。合成孔径雷达干涉技术（SyntheticApertureRadarInterferometry，InSAR）可全天时、全天候、高精度地进行大面积地表变形监测，是变形监测的前沿技术和研究热点。基于星载InSAR的成功经验，近几年提出了地基InSAR（GroundBasedInSAR，GBInSAR）技术，该技术通过接收向变形体发射并返回的雷达波遥测信号，获取监测区域二维影像，通过合成孔径技术和步进频率连续波技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率，通过干涉技术实现优于毫米级的微变形监测。但它的缺点也很明显：无法同时测量结构三个方向的静态变形，更难以得到结构的振动特性，如振型、自振频率等。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种高精度、实时、可同时测量静态变形及动态振动特性的表面变形监测系统及方法。一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面测点三个视线方向的回波信号；三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性。一种应用结构表面变形监测系统监测待测结构表面变形的方法，包括：S1，在所述待测结构附近布设所述三个微波探测器，该三个微波探测器分别位于不同高程，获取该三个微波探测器的坐标；S2，所述三个微波探测器向所述待测结构发射微波信号并接收该待测结构返回的回波信号；S3，所述三个数据采集传输单元对所述位移回波进行数据采集，形成包含有时间信息的坐标数据；S4，所述远程控制处理系统根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的三维变形。与现有技术相比，本专利技术提供的结构表面变形监测系统及方法能够在满足监测精度的前提下同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。附图说明图1为本专利技术实施例提供的结构表面变形监测系统结构示意图。图2为本专利技术实施例提供的微波探测器工作原理示意图。图3为本专利技术实施例提供的数据采集传输单元工作原理图。图4为本专利技术实施例提供的结构表面变形监测方法流程图。主要元件符号说明结构表面变形监测系统100微波探测器10温控晶振器111衰减器112第一功率分配器113第二功率分配器114正交检波器115上变频器116合成器117发射天线118接收天线119低噪音放大器120下变频器121数据采集传输单元20信号调理模块21A/D转换器22GPS授时模块23数字信号处理器24信号发射模块25电源与复位模块26第一无线天线27远程控制处理系统30第二无线天线31待测结构80如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术提供的结构表面变形监测方法及系统作进一步的详细说明。请参阅图1，本专利技术第一实施例提供一种结构表面变形监测系统100，用于监测待测结构80的表面三维变形。该结构表面变形监测系统100包括：三个微波探测器10、与所述三个微波探测器10对应的三个数据采集传输单元20、远程控制处理系统30。所述三个微波探测器10用于发射与接收微波信号，并将接收到的微波回波信号传送给所对应的数据采集传输单元20。所述三个微波探测器10设置于待测结构80附近的坚固地基上，具体地，所述三微波探测器10分别布置在不同高程位置且与所述待测结构80互相通视。所述三个微波探测器10通过发射和接收微波信号获取待测结构80表面多个测点三个视线方向的回波信号。具体地，所述三个微波探测器10利用线性调频连续微波，干涉测量待测结构80表面测点的视线方向变形。可以理解，所述微波探测器10的数量可以根据具体测量需求而定，只需保证至少提供三个视线方向的回波信号，即所述微波探测器10的数量可以大于或等于3个。进一步地，所述结构表面变形监测系统100还包括多个角反射器（图未示）。所述多个角反射器分别设置于待测结构80表面的各个测点，用于增强微波反射信号，便于所述微波探测器10准确的测量。所述微波探测器10包括低频电路、高频电路以及发射接收天线。请参见图2，本实施例中所述微波探测器10具体包括：温控晶振器111，用于产生固定频率的信号；衰减器112，用于对所述温控晶振器111产生的固定频率的信号进行衰减；第一功率分配器113，用于将所述衰减器112衰减后的信号分成第一信号与第二信号，其中，所述第一信号作为正交检波器115的本地振荡信号输入，第二信号作为输入上变频器116的中频信号；合成器117，用于产生本地振荡信号；第二功率分配器114，用于将所述合成器117产生的本地振荡信号分成第三信号与第四信号，其中，所述第三信号进入所述上变频器116，所述第四信号进入下变频器121；上变频器116，用于将所述第二信号与所述第三信号混频，产生射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，其特征在于，包括：三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面测点三个视线方向的回波信号；三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性。

【技术特征摘要】
1.一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，其特征在于，包括：三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面多个测点三个视线方向的回波信号；三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成每一测点的包含有时间信息的坐标数据；远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性，其中用于计算动态振动特性的动态采样频率的范围为10-100Hz。2.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，进一步包括多个角反射器设置于所述待测结构表面的各个测点。3.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述三个数据采集传输单元与所述远程控制处理系统通过无线天线进行数据传输。4.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述三个数据采集传输单元中每一数据采集传输单元包括：温控晶振器，用于产生固定频率的信号；衰减器，用于对所述温控晶振器产生的固定频率的信号进行衰减；第一功率分配器，用于将所述衰减器衰减后的信号分成第一信号与第二信号；合成器，用于产生本地振荡信号；第二功率分配器，用于将所述合成器产生的本地振荡信号分成第三信号与第四信号；上变频器，用于将所述第二信号与所述第三信号混频，产生射频信号；发射天线，用于向所述待测结构发射所述上变频器产生的射频信号；接收天线，用于接收来自所述待测结构的返回信号；低噪音放大器，用于放大所述接收天线接收到的返回信号；下变频器，用于将所述低噪音放大器放大后的返回信号和所述第四信号混频，产生中频信号；正交检波器，用于将来自所述下变频器的中频信号与来自所述第二功率分配器的第一信号混频，产生基带I/Q信号，该基带I/Q信号被作为变形信号送入所述数据采集传输单元。5.如权利要求1所述的结构表面变形监测系统，其特征在于，所述数据采集传输单元包括：A/D转换器，对所述回波信号进行模数转换形成数字回波信号；GPS授...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天云，孟丹，黄斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11