【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道监测，尤其涉及一种隧道监测系统、方法、设备、存储介质及产品。
技术介绍
1、隧道分为运营隧道和施工隧道，运营隧道包括公路隧道、铁路隧道、地铁隧道和地下步行通道等，当前隧道监测主要关注隧道拱顶的形变和内部三维轮廓成像。对于运营隧道，需要实时监测拱顶的形变，以判定隧道是否存在坍塌的风险；隧道内部三维成像不需要实时输出，在架设前期测量出隧道内部三维轮廓，在监测到显著的形变后再及时输出隧道内部三维轮廓即可。对于施工隧道，由于隧道内部轮廓一直在变化，不仅需要实时监测拱顶的形变结果，还需要实时监测内部三维轮廓成像结果，以确定隧道内部轮廓。
2、隧道事故主要分为拱顶局部区域跌落和大规模塌方，而任何一种事故都存在拱顶往下掉的表现，因此，隧道监测主要关注的是拱顶的沉降形变和内部三维轮廓成像。常规的监测设备包括三维激光扫描仪、倾角计和惯导等，在测量应用中，这些监测设备都需要在被测目标上进行施工，例如三维激光扫描仪想要测量准确，需要在被测目标体上固定反射体，倾角计和惯导更是需要把设备直接固定架设在被测目标上，这些操作都可能会诱发隧道结构破坏，造成更大的隐患。
3、三维激光扫描仪基于测距原理实现隧道形变测量，测距精度为毫米级，在发生微小的蠕动形变阶段，无法进行有效测量；三维激光扫描仪在测量沿隧道方向的大角度目标时，由于设备本身的测量精度只有毫米级，大角度目标在垂直方向产生一定的形变，由于激光和目标连线与垂直方向夹角较大，导致垂直形变在其连线上的分量较小（即大角度目标发生的毫米级垂直位移在激光测距方向的投影极小）
4、倾角计和惯导属于典型的点监测设备，在隧道监测中，一台设备只能实现一个局部点的测量，极大可能检测不到真实诱发隧道事故的区域，无法实现有效监测。而要通过多点布设，架设施工和后期维护成本高昂，并且无法实现隧道内部三维轮廓的成像测量。
5、基于上述分析可知，应用常规的监测设备进行隧道监测存在以下问题：
6、（1）接触式测量容易对隧道结构造成破坏，影响稳固性；（2）点测量只能针对局部点实现测量，精度不高，实时性不好；（3）受环境影响大，在灰尘和浓雾环境中几乎失效；（4）大角度时测量误差大，无法实现有效沉降测量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种隧道监测系统、方法、设备、存储介质及产品，以解决传统隧道监测技术存在对监测结构造成破坏，监测精度和实时性不高，受环境影响大以及无法有效监测大角度目标的问题。
2、本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种隧道监测系统，包括基准站以及多个监测组件；每个所述监测组件包括雷达以及设于所述雷达上的定位定向模块，所述定位定向模块的两根定位定向天线与雷达天线面平行且关于雷达中心点对称，所述定位定向模块与所述雷达连接；
3、所述基准站设于隧道口且作为雷达定位定向的基准；
4、多个监测组件分别设于隧道内，每个监测组件中的定位定向模块用于获取其定位定向天线与所述基准站之间的距离和角度，每个监测组件中的雷达用于根据定位定向天线与所述基准站之间的距离和角度计算雷达中心点空间位置和雷达天线面朝向；
5、每个监测组件中的雷达还用于产生射频信号，并对外辐射所述射频信号，接收经监测目标反射的雷达回波信号；对雷达回波信号进行处理，得到三维成像结果；从所述三维成像结果中选取稳定的成像目标点，并根据所述三维成像结果得到每个成像目标点的空间位置；计算每个成像目标点与雷达中心点的连线与雷达天线面朝向的夹角；计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形变；根据每个成像目标点的所述夹角和形变计算每个成像目标点的沉降位移。
6、进一步地，所述监测组件的数量根据隧道长度和雷达的探测距离来确定。
7、进一步地，每个所述监测组件中的雷达包括多发射通道、多接收通道、频综模块、信号处理模块以及fpga；所述频综模块用于在fpga的控制下产生射频信号，所述多发射通道用于向外辐射所述射频信号；所述多接收通道用于接收经监测目标反射的雷达回波信号；
8、所述信号处理模块用于：根据定位定向天线与所述基准站之间的距离和角度计算雷达中心点空间位置和雷达天线面朝向；对雷达回波信号进行处理，得到三维成像结果；从所述三维成像结果中选取稳定的成像目标点，并根据所述三维成像结果得到每个成像目标点的空间位置；计算每个成像目标点与雷达中心点的连线与雷达天线面朝向的夹角；计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形变；根据每个成像目标点的所述夹角和形变计算每个成像目标点的沉降位移。
9、进一步地，所述频综模块包括第一切换开关、第二切换开关、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一锁相环、第二锁相环、第一放大器、第二放大器、压控振荡器、压控晶振、时钟发射天线和时钟接收天线；
10、所述第一切换开关的第一静端与fpga连接、第一切换开关的第二静端与第一环路滤波器连接，第一切换开关的动端与压控晶振连接；所述第二切换开关的第一静端与第一锁相环连接，第二切换开关的第二静端与第二放大器的输入端连接，第二切换开关的动端与压控晶振、第二锁相环连接；所述第一锁相环还与第一环路滤波器、第一放大器的输出端连接，第一放大器的输入端与时钟接收天线连接；所述第二放大器的输出端与时钟发射天线连接；所述第二锁相环还与第二环路滤波器、压控振荡器连接，所述第二环路滤波器还与所述压控振荡器连接；
11、所述第一切换开关和第二切换开关的动端根据雷达的主从状态来控制，以实现所有雷达的射频信号的同步产生和对外辐射。
12、进一步地，所述雷达计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形变，包括：
13、获取前、后两帧雷达回波信号，对前、后两帧雷达回波信号分别进行脉冲压缩、信息提取和补偿，得到所述成像目标点在前后两帧的相位信息；
14、计算所述成像目标点在前后两帧的相位信息的差值，得到相位差；
15、根据所述相位差和雷达工作波长计算所述成像目标点的雷达测量形变。
16、进一步地，所述雷达根据每个成像目标点的所述夹角和形变计算每个成像目标点的沉降位移，计算公式为：
17、△yy=△rr/cosθ；
18、其中，△yy表示成像目标点的沉降位移，△rr表示成像目标点的雷达测量形变，θ表示成像目标点与雷达中心点的连线与雷达天线面朝向的夹角。
19、进一步地，所述监测系统还包括与每个监测组件中的雷达连接的监测平台；
20、所述监测平台，用于接收每个监测组件中的雷达发送的雷达中心点空间位置、雷达天线面朝向和三维成像结果；根据每个雷达中心点本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道监测系统，其特征在于，所述监测系统包括基准站以及多个监测组件；每个所述监测组件包括雷达以及设于所述雷达上的定位定向模块，所述定位定向模块的两根定位定向天线与雷达天线面平行且关于雷达中心点对称，所述定位定向模块与所述雷达连接；
2.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述监测组件的数量根据隧道长度和雷达的探测距离来确定。
3.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，每个所述监测组件中的雷达包括多发射通道、多接收通道、频综模块、信号处理模块以及FPGA；所述频综模块用于在FPGA的控制下产生射频信号，所述多发射通道用于向外辐射所述射频信号；所述多接收通道用于接收经监测目标反射的雷达回波信号；
4.根据权利要求3所述的隧道监测系统，其特征在于，所述频综模块包括第一切换开关、第二切换开关、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一锁相环、第二锁相环、第一放大器、第二放大器、压控振荡器、压控晶振、时钟发射天线和时钟接收天线；
5.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述雷达计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形
6.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述雷达根据每个成像目标点的所述夹角和形变计算每个成像目标点的沉降位移，计算公式为：
7.根据权利要求1~6中任一项所述的隧道监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括与每个监测组件中的雷达连接的监测平台；
8.一种隧道监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：
9.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，对所述雷达回波信号进行处理，包括：
10.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，获取雷达中心点空间位置和雷达天线面朝向，包括：
11.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，所述计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形变，包括：
12.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，每个成像目标点的沉降位移的具体计算公式为：
13.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，在获取雷达回波信号之前，所述监测方法还包括同步每个雷达的频综模块产生的射频信号，所述频综模块包括第一切换开关、第二切换开关、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一锁相环、第二锁相环、第一放大器、第二放大器、压控振荡器、压控晶振、时钟发射天线和时钟接收天线；
14.根据权利要求8~13中任一项所述的隧道监测方法，其特征在于，所述监测方法还包括：根据每个雷达中心点空间位置和雷达天线面朝向，对同一时刻接收到的所有三维成像结果进行图像拼接，得到隧道内部三维轮廓。
15.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序/指令，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序/指令以实现如权利要求8~14中任一项所述的隧道监测方法。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如权利要求8~14中任一项所述的隧道监测方法。
17.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如权利要求8~14中任一项所述的隧道监测方法。
...【技术特征摘要】
1.一种隧道监测系统，其特征在于，所述监测系统包括基准站以及多个监测组件；每个所述监测组件包括雷达以及设于所述雷达上的定位定向模块，所述定位定向模块的两根定位定向天线与雷达天线面平行且关于雷达中心点对称，所述定位定向模块与所述雷达连接；
2.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述监测组件的数量根据隧道长度和雷达的探测距离来确定。
3.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，每个所述监测组件中的雷达包括多发射通道、多接收通道、频综模块、信号处理模块以及fpga；所述频综模块用于在fpga的控制下产生射频信号，所述多发射通道用于向外辐射所述射频信号；所述多接收通道用于接收经监测目标反射的雷达回波信号；
4.根据权利要求3所述的隧道监测系统，其特征在于，所述频综模块包括第一切换开关、第二切换开关、第一环路滤波器、第二环路滤波器、第一锁相环、第二锁相环、第一放大器、第二放大器、压控振荡器、压控晶振、时钟发射天线和时钟接收天线；
5.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述雷达计算每个成像目标点相对于雷达中心点的形变，包括：
6.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述雷达根据每个成像目标点的所述夹角和形变计算每个成像目标点的沉降位移，计算公式为：
7.根据权利要求1~6中任一项所述的隧道监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括与每个监测组件中的雷达连接的监测平台；
8.一种隧道监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：
9.根据权利要求8所述的隧道监测方法，其特征在于，对...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨上元，王生水，邓美连，黄凤青，黄明健，
申请(专利权)人：华诺星空技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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