基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法及系统，属于遥感技术领域，包括：构建坡面信号反射模型；采集直达信号和多个反射信号，对直达信号和反射信号进行多通道文件读取与分离，计算直达信号和反射信号的载波相位差，对相邻传输周期间的多个载波相位差进行反演，得到反射信号多路径传播距离变化量；将反射信号多路径传播距离变化量代入坡面信号反射模型得到反射面形变量

【技术实现步骤摘要】
基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及遥感
，尤其涉及一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法及系统。

技术介绍

[0002]在灾害防治中，对山体坡面进行长时间连续监测，进而在发现滑坡风险时及时预警是预防山体滑坡，减小财产损失的有效方法。
[0003]目前，常用的监测方法由于信号源、设备布置等存在差异，均存在部分缺陷。例如，基于传统的大地测量方法进行形变监测，在监测面上布放多个全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)天线，利用GNSS直达信号对天线位置进行高精度差分定位，获得精确位置后通过对大量天线位置变化的分析实现三维形变监测。这是传统的一机多天线结构。但由于这种方法需要把GNSS天线固定在形变体上，是一种接触式测量，对于大面积的形变体无法全范围高密度布设天线，且在某些危险处天线甚至无法布设，故该方法一般适用于大坝、桥梁等重点监测对象。三维激光雷达扫描法作为一种非接触式测量方法，解决了传统的大地测量方法天线难以布设的问题，有使用激光雷达LIDAR对滑坡移位进行监测，通过对反射激光束的分析，精确得到待测物的三维数据，进而从中分析形变数据，但三维激光雷达成本高，扫描距离，扫描范围均有限，且云雾天气效果较差，无法实现全天候观测。地基合成孔径雷达(GB
‑
SAR)可以不受天气影响对反射面进行监测，获得反射面的三维形变量，且精度较高，但同样成本较高，使用星载SAR影响结合光学影响对滑坡进行监测，该方法能长时间稳定工作且检测范围较大，但受卫星重返周期限制，无法对固定位置进行长时间连续的形变监测。
[0004]而由于GNSS信号经反射面反射时，其极化特性、波形、相位等信号特征会随反射面距离等物理特征发生变化。依据GNSS直达信号和反射信号，分析信号经反射面反射后所携带的物理信息，可以大面积高效获得反射面的形变参数。该技术被称为全球卫星导航系统反射计(Global Navigation Satellite System
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Reflectometry，GNSS
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R)。相比传统的利用直达信号的测量方法，这种利用反射信号的GNSS
‑
R方法无需在形变体上布置接收天线，避免了天线放置，具有无接触测量的特点。有方案使用一根反射天线接收25米处山体坡面和近百米处山体的GNSS反射信号即GNSS
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R信号，通过移动接收天线模拟微小形变，根据直达和反射信号载波相位差进行形变反演。实验验证了使用真实坡面反射的GNSS
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R信号可以进行形变反演，但它获取的只是面向接收设备的一维形变，并未解决三维形变的测量问题。还有方案利用一根反射天线和多颗GNSS卫星，利用反射信号中来自不同卫星的数据，在屋顶对地面楼房等目标进行成像，通过分析两次成像目标的位置差异可以分析目标的形变量。但该方法所采用一根反射天线，依赖同时接收多颗卫星的信号，它要求地形开阔，对于楼顶建筑物等适用，但不适于对于公路坡面等倾斜侧面的微小位移进行高精度测量。还有方案利用一根反射天线接收金属板反射的GNSS信号，通过推动金属板模拟坡面形变，对直达信号和反射信号进行相关处理后得到了天线方向上的形变量，且达到厘米级的较高精
度。但该方法也存在采集时间短，只能对推动方向上造成的一维快速形变过程进行分析。
[0005]综上所述，上述方法主要基于一根反射天线分析天线方向上的反射体形变，只能反映二维形变过程，然而由于坡面的真实形变很难只发生在一根反射天线方向上，需要提出新的利用反射天线进行坡面形变的演变方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法及系统，用以解决现有技术中针对坡面形变监测时采用单个反射天线，使监测结果具有较大局限性的缺陷。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，包括：
[0008]根据直达天线和多个反射天线组成的GNSS
‑
R在坡面上进行多路径传播，构建坡面信号反射模型；
[0009]采集所述直达天线的直达信号和所述多个反射天线的反射信号，对所述直达信号和所述反射信号进行多通道文件读取与分离，计算所述直达信号和所述反射信号的载波相位差，对相邻传输周期间的多个载波相位差进行反演，得到反射信号多路径传播距离变化量；
[0010]将所述反射信号多路径传播距离变化量代入所述坡面信号反射模型得到反射面形变量
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反射信号传播距离变化量方程，对所述反射面形变量
‑
反射信号传播距离变化量方程进行反演，得到坡面三维形变量反演结果。
[0011]根据本专利技术提供的一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，根据直达天线和多个反射天线组成的GNSS
‑
R在坡面上进行多路径传播，构建坡面信号反射模型，包括：
[0012][0013]其中：
[0014][0015]R
n
表示任一反射信号比直达信号多的路径传播距离差值，R
T
表示R
n
中经坡面反射前的部分，R
R
表示R
n
中经坡面反射后的部分，L
n
表示R
R
在水平地面上的投影距离，ψ
n
表示R
T
和R
R
在地面投影线之间的夹角，θ和分别为通过查询实验时间卫星位置得到所用GEO卫星的仰角和方位角，坡面反射点的位置坐标为R
n
(x,y,z)，任一反射天线的位置坐标为T
n
(x
Tn
,y
Tn
,h
Tn
)。
[0016]根据本专利技术提供的一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，采集所述直达天线的直达信号和所述多个反射天线的反射信号，包括：
[0017]在单个预设周期内，按照等时间间隔依次采集所述多个反射天线的反射信号；
[0018]根据北斗系统空间信号接口控制文件，获取任一GNSS卫星上的北斗导航信号：
[0019][0020]其中，j为卫星编号，A
j
表示信号幅度，C
j
表示B3I信号测距码，D
j
表示在B3I信号测距码上调制的数据码，f表示B3I信号载波频率，表示初相位，t表示卫星信号采集时间；
[0021]对应地，被所述直达天线接收的所述直达信号与相比具有时延τ1和相移即：
[0022][0023]经过坡面的所述反射信号与相比具有时延τ2和相移即：
[0024][0025]则所述直达信号与所述反射信号的相位差为：
[0026][0027]根据本专利技术提供的一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，对所述直达信号和所述反射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，其特征在于，包括：根据直达天线和多个反射天线组成的全球导航卫星系统反射计GNSS
‑
R在坡面上进行多路径传播，构建坡面信号反射模型；采集所述直达天线的直达信号和所述多个反射天线的反射信号，对所述直达信号和所述反射信号进行多通道文件读取与分离，计算所述直达信号和所述反射信号的载波相位差，对相邻传输周期间的多个载波相位差进行反演，得到反射信号多路径传播距离变化量；将所述反射信号多路径传播距离变化量代入所述坡面信号反射模型得到反射面形变量
‑
反射信号传播距离变化量方程，对所述反射面形变量
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反射信号传播距离变化量方程进行反演，得到坡面三维形变量反演结果。2.根据权利要求1所述的基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，其特征在于，根据直达天线和多个反射天线组成的GNSS
‑
R在坡面上进行多路径传播，构建坡面信号反射模型，包括：其中：R
n
表示任一反射信号比直达信号多的路径传播距离差值，R
T
表示R
n
中经坡面反射前的部分，R
R
表示R
n
中经坡面反射后的部分，L
n
表示R
R
在水平地面上的投影距离，ψ
n
表示R
T
和R
R
在地面投影线之间的夹角，θ和分别为通过查询实验时间卫星位置得到所用GEO卫星的仰角和方位角，坡面反射点的位置坐标为R
n
(x，y，z)，任一反射天线的位置坐标为T
n
(x
Tn
，y
Tn
，h
Tn
)。3.根据权利要求1所述的基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，其特征在于，采集所述直达天线的直达信号和所述多个反射天线的反射信号，包括：在单个预设周期内，按照等时间间隔依次采集所述多个反射天线的反射信号；根据北斗系统空间信号接口控制文件，获取任一GNSS卫星上的北斗导航信号：其中，j为卫星编号，A
j
表示信号幅度，C
j
表示B3I信号测距码，D
j
表示在B3I信号测距码上调制的数据码，f表示B3I信号载波频率，表示初相位，t表示卫星信号采集时间；对应地，被所述直达天线接收的所述直达信号与相比具有时延τ1和相移即：经过坡面的所述反射信号与相比具有时延τ2和相移即：
则所述直达信号与所述反射信号的相位差为：4.根据权利要求1所述的基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，其特征在于，对所述直达信号和所述反射信号进行多通道文件读取与分离，包括：确定采集器的预设采样位数、预设采样率和预设采集时长；将所述预设采样位数、所述预设采样率和所述预设采集时长依次相乘，得到反射信号通道中各个反射天线对应的数据比特位置，在所述反射信号通道数据中按照所述数据比特位置进行查找，平均划分出多个反射天线数据；所述直达信号仅包含一根直达天线数据，将所述直达信号作为直达天线数据。5.根据权利要求4所述的基于导航反射信号的坡面三维形变非接触测量方法，其特征在于，计算所述直达信号和所述反射信号的载波相位差，对相邻传输周期间的多个载波相位差进行反演，得到反射信号多路径传播距离变化量，包括：将所述直达天线数据分别与任一反射天线数...

【专利技术属性】
技术研发人员：严颂华，梅捷，陈璨，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：