隧道形变与振动非接触式监测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种隧道形变与振动非接触式监测系统及方法，涉及隧道形变与振动监测技术领域，包括：微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取；存储与输出模块：用于显示或保存包括系统扫描角度分布和隧道结构被测测点的形变与振动位移序列值或波形，异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关信息传输到数据平台。本发明专利技术能够实现隧道剖面和线路方向所有测点的形变与振动位移的自动化监测。与振动位移的自动化监测。与振动位移的自动化监测。

【技术实现步骤摘要】
隧道形变与振动非接触式监测系统及方法


[0001]本专利技术涉及隧道形变与振动监测
，具体地，涉及一种隧道形变与振动非接触式监测系统及方法。

技术介绍

[0002]当前地铁、高铁、快速公路等基础实施组成了现代交通体系，而隧道设施是其重要组成部分，其建造与服役期间的安全至关重要。隧道设施在复杂多变的地质条件和环境工况下易使线路结构产生形变(包含沉降)，一旦沉降及形变超过安全极限，极易导致重大安全事故，严重威胁经济社会发展和人民生命财产安全。此外，外界的冲击及振动激励，亦会导致隧道结构振动损伤。因此，对隧道结构的形变与振动全天时全天候监测，具有迫切的工程需求。
[0003]针对上述需求，目前主要的监测方法有静力水准仪、全站仪、分布式光纤等。其中静力水准仪易受温度、延迟效应、液体材料、气压等因素影响；全站仪通过测定各参考点相对坐标计算变形量，但是测量过程易受地形通透条件和气象条件影响，且需人工单点测量操作；分布式光纤的隧道变形监测方法，需要埋入式布设光纤，施工难度大、检修维护困难。因此现有技术与方法难以解决隧道剖面及线路方向形变与振动的多测点、长距离、高精度监测难题，且在监测便捷性、全天时全天候监测性、自动化监测等方面存在较大困难。
[0004]公开号为CN109100735A的专利技术专利，公开了一种地铁隧道形变监测系统及方法，包括：中央处理装置、主机、监测模块、振动传感器、信号处理电路、A/D转换模块、图像采集模块以及图像处理模块；其中，振动传感器与信号处理电路连接，信号处理电路与A/D转换模块连接，图像采集模块与图像处理模块连接，A/D转换模块与图像处理模块均与中央处理装置连接，中央处理装置与主机双向通信连接，监测模块与中央处理装置连接。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种隧道形变与振动非接触式监测系统及方法。
[0006]根据本专利技术提供的一种隧道形变与振动非接触式监测系统及方法，所述方案如下：
[0007]第一方面，提供了一种隧道形变与振动非接触式监测系统，所述系统包括：
[0008]微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；
[0009]控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取；
[0010]存储与输出模块：用于显示或保存包括但不限于系统扫描角度分布、隧道结构被测测点的形变与振动位移序列值或波形、异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关
信息传输到数据平台。
[0011]优选地，所述微波收发器包括：线性调频连续波微波信号源、功率分配器、混频器、相移器、放大器、发射天线阵列以及接收天线阵列；
[0012]信号源与功率分配器相连，一部分与相移器相连，通过发射天线辐射信号，另一部分作为混频用本振信号；相移器与发射天线相连，用于通过相移调控使发射天线阵列发射的合成波束的主瓣朝向某一个设定的扫描角度；接收天线阵列和放大器相连，输出的放大信号和混频器相连，在混频器端和本振信号混频，输出多通道基带信号。所述相移器的数量等于发射天线个数，所述的相移器也可以使用时间延迟线或其他具有相移控制功能的器件。
[0013]优选地，所述发射天线阵列和接收天线阵列的布置方式为：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，监测隧道剖面时，需依据隧道剖面的测点分布方向，布置该角度分布方向的发射和接收天线阵列；
[0014]监测隧道线路方向测点的形变与振动时，需依据隧道线路方向，布置该方向的发射和接收天线阵列；同时监测隧道剖面和线路方向时，需在两个方向组合布置；发射天线阵列的发射天线个数需大于或等于2，发射天线间的间距为等间距或不等间距布置；接收天线阵列的接收天线个数需大于或等于1，接收天线间的距离可为等间距或者不等间距布置。
[0015]优选地，所述控制与处理器包括：扫描控制单元和信号采集与处理单元；
[0016]扫描控制单元，用于对发射天线通道的相移控制、循环扫描周期的控制及对微波收发器其他常规参数的控制；所述的相移控制通过每个发射天线连接的相移器的配置实现。
[0017]信号采集与处理单元，用于对多通道基带信号进行同步采集，对采集的基带信号通过处理提取被测目标或测点的形变与振动位移值；所述信号处理单元还包括对异常工况的识别与剔除处理。
[0018]优选地，所述存储与输出模块的数据传输方式包括：模拟量输出和数字量通信的有线传输方式，以及蓝牙、wifi、无线网络或其他无线传输方式。
[0019]第二方面，提供了一种隧道形变与振动非接触式监测方法，所述方法包括：
[0020]步骤S1：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，确定微波收发器的发射合成波束的扫描角度方向序列；
[0021]步骤S2：所述微波收发器依次控制发射朝向扫描角度方向序列元素的合成波束，同时接收回波信号，对生成的基带信号进行采集；
[0022]步骤S3：对采集的基带信号进行处理，基于相位干涉测量原理和非线性解调方法，依次提取每个扫描角度方向序列元素的测点形变与振动位移值；
[0023]步骤S4：根据上述步骤，间隔一定的周期时间，开展循环扫描测量，得到所有监测测点形变与振动位移的时程信号。
[0024]优选地，所述步骤S2中，微波收发器通过相移控制使发射天线阵列发射合成波束，合成波束的主瓣朝向扫描角度方向，波束扫描角度控制方式为：
[0025]设扫描角度方向序列为[θ1,
…
θ
s
,
…
θ
S
]，s＝1,2,
…
S，则扫描角度方向为θ
s
时，以第一个发射天线为参考点，发射天线阵列的各天线的相移控制元素或相移器设定值分别为0,2πd2sinθ
i
/λ
c
,
…
,2πd
K
sinθ
i
/λ
c
；
[0026]式中，d
k
(n＝2,
…
K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长。θ
s
为以中心轴线为基准，波束扫描的角度。各发射天线发射的信号为线性调频连续波信号或其他相当于线性调频连续波的信号。
[0027]优选地，所述步骤S3中，提取每个扫描角度方向序列元素的测点形变与振动位移值包括：
[0028]每个发射天线发射的是线性调频连续波，基于相位干涉测量原理，通过非线性解调方法提取某扫描周期某一扫描角度方向序列元素的测点形变与振动位移值x(p,θ
s
)计算为：
[0029][0030]式中，x(p,θ
s
,iT
sweep...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，包括：微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取；存储与输出模块：用于显示或保存包括系统扫描角度分布和隧道结构被测测点的形变与振动位移序列值或波形，异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关信息传输到数据平台。2.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述微波收发器包括：线性调频连续波微波信号源、功率分配器、混频器、相移器、放大器、发射天线阵列以及接收天线阵列；信号源与功率分配器相连，一部分与相移器相连，通过发射天线辐射信号，另一部分作为混频用本振信号；相移器与发射天线相连，用于通过相移调控使发射天线阵列发射的合成波束的主瓣朝向某一个设定的扫描角度；接收天线阵列和放大器相连，输出的放大信号和混频器相连，在混频器端和本振信号混频，输出多通道基带信号；所述相移器的数量等于发射天线个数，所述的相移器能够使用时间延迟线或其他具有相移控制功能的器件。3.根据权利要求2所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述发射天线阵列和接收天线阵列的布置方式为：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，监测隧道剖面时，需依据隧道剖面的测点分布方向，布置该角度分布方向的发射和接收天线阵列；监测隧道线路方向测点的形变与振动时，需依据隧道线路方向，布置该方向的发射和接收天线阵列；同时监测隧道剖面和线路方向时，需在两个方向组合布置；发射天线阵列的发射天线个数需大于或等于2，发射天线间的间距为等间距或不等间距布置；接收天线阵列的接收天线个数需大于或等于1，接收天线间的距离为等间距或者不等间距布置。4.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述控制与处理器包括：扫描控制单元和信号采集与处理单元；扫描控制单元，用于对发射天线通道的相移控制、循环扫描周期的控制及对微波收发器其他常规参数的控制；所述的相移控制通过每个发射天线连接的相移器的配置实现；信号采集与处理单元，用于对多通道基带信号进行同步采集，对采集的基带信号通过处理提取被测目标或测点的振动与形变位移值；所述信号处理单元还包括对异常工况的识别与剔除处理。5.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述存储与输出模块的数据传输方式包括：模拟量输出和数字量通信的有线传输方式，以及蓝牙、wifi、无线网络或其他无线传输方式。6.一种隧道形变与振动非接触式监测方法，其特征在于，基于如权利要求1
‑
5中任意一项所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，包括：步骤S1：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，确定微波收发器的发射合成波束的扫描角度方向序列；
步骤S2：所述微波收发器依次控制发射朝向扫描角度方向序列元素的合成波束，同时接收回波信号，对生成的基带信号进行采集；步骤S3：对采集的基带信号进行处理，基于相位干涉测量原理和非线性解调方法，依次提取每个扫描角度方向序列元素的测点形变与振动位移值；步骤S4：根据上述步骤，间隔一定的周期时间，开展循环扫描测量，得到所有监测测点形变与振动位移的时程信号。7.根据权利要求6所述的隧道形变与振动非接触式监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，微波收发器通过相移控制使发射天线阵列发射合成波束，合成波束的主瓣朝向扫描角度方向，波束扫描角度控制方式为：设扫描角度方向序列为[θ1,
…
θ
s
,
…
]，s＝1,2,
…
，则扫描角度方向为θ
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭志科，熊玉勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：