基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大型建筑物多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，屬于建筑物變形監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法在被測(cè)物體上安裝P個(gè)無源角反射器，在遠(yuǎn)離被測(cè)物體處安裝陣列雷達(dá)。天線陣輻射信號(hào)照射所有角反射器并接收混合回波信號(hào)，并行形成P個(gè)最優(yōu)波束分離出每個(gè)角反射器的回波信號(hào)，每個(gè)波束在需要分離的角反射器回波信號(hào)方向上增益最大，接收信號(hào)功率最強(qiáng)；在其它P-1個(gè)角反射器回波方向上形成零陷，將干擾降至最小。檢測(cè)發(fā)射信號(hào)與恢復(fù)的各角反射器回波信號(hào)相位差，將相位差變化量轉(zhuǎn)換為各角反射器的微位移量。本方法解決了多個(gè)角反射器回波信號(hào)很難分離的問題，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)微位移測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地應(yīng)用于建筑物的微位移測(cè)量中。
【專利說明】基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑物變形監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在自然界中建筑物會(huì)在各種影響因素的作用下，其形狀，大小，位置會(huì)在時(shí)域空間中發(fā)生變化，如高層建筑物的擺動(dòng)，大壩變形等。而當(dāng)變形量超過變形體所能承受的允許范圍時(shí)，則會(huì)給人類的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重災(zāi)難，因此對(duì)物體進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)具有重要意義。
[0003]專利CN1542407A提出了一種微位移測(cè)量方法，該方法在被監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)無源角反射器，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)放置一個(gè)微波比相測(cè)量裝置，微波比相測(cè)量裝置的發(fā)射部分向角反射器發(fā)射一單頻微波，角反射器由三塊鋁板組成，它把入射到它的微波按原路徑全反射回來。比相測(cè)量裝置的接收部分接收角反射器反射回來的微波信號(hào)，經(jīng)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比相可測(cè)得微位移量。該測(cè)量方法成本低廉，使用方便安全。但該方法在實(shí)際使用中存在的最大問題是:為單頻連續(xù)波雷達(dá)，抗干擾能力差，且只能測(cè)量單個(gè)微波發(fā)射器的微位移，不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)量；而在大型建筑物的微位移檢測(cè)工作中，一般都需要設(shè)置多個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此，上述方法在實(shí)際的位移監(jiān)測(cè)過程中受到了諸多限制。
[0004]本申請(qǐng)針對(duì)這個(gè)問題加以改進(jìn)，對(duì)位移測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行改進(jìn)，采用天線陣和最優(yōu)波束形成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各角反射器回波信號(hào)的分離，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)微位移測(cè)量，并提高其抗干擾能力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，該方法采用天線陣和最優(yōu)波束形成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的微位移測(cè)量。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，使用角反射器和陣列雷達(dá)構(gòu)成微位移測(cè)量系統(tǒng)，角反射器安裝在建筑物上，陣列雷達(dá)遠(yuǎn)離被測(cè)物。陣列雷達(dá)輻射信號(hào)照射角反射器，并接收角反射器回波信號(hào)，通過最優(yōu)波束形成技術(shù)，在期望信號(hào)方向上接收功率最強(qiáng)，在干擾方向上形成零陷，恢復(fù)各個(gè)角反射器的回波信號(hào)，通過檢測(cè)收發(fā)信號(hào)之間的相位差變化量計(jì)算各角反射器的微位移量，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)微位移測(cè)量。
[0008]進(jìn)一步，所述角反射器為由三個(gè)互相垂直相交的成本低廉的金屬平面構(gòu)成的反射體，它能將入射的微波信號(hào)按原方向反射回去，即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷達(dá)截面積。
[0009]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)由收發(fā)通道和信號(hào)處理兩部分構(gòu)成，其中I個(gè)發(fā)射通道輻射信號(hào)，N個(gè)接收通道接收回波信號(hào)，并下變頻得到N路基帶回波信號(hào)。信號(hào)處理部分包括最優(yōu)權(quán)形成，最優(yōu)波束形成，干涉相位測(cè)量，微位移量計(jì)算等部分。
[0010]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的工作過程為:將本地產(chǎn)生的基帶信號(hào)與中頻本振信號(hào)混頻后，上變頻至中頻，然后經(jīng)中頻放大后與射頻本振混頻，上變頻到射頻信號(hào)，經(jīng)功率放大器由天線輻射到角反射器上。
[0011]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)接收信號(hào)的工作過程為:天線I到N接收各個(gè)角反射器反射的回波信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器后與射頻本振混頻，下變頻為中頻信號(hào)，然后與中頻本振信號(hào)二次混頻，下變頻為N路基帶信號(hào)。
[0012]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)的最優(yōu)權(quán)矢量為:它將需要恢復(fù)的角反射器回波信號(hào)作為有用的期望信號(hào)，將其他所有角反射器回波信號(hào)作為干擾信號(hào)，最優(yōu)權(quán)矢量是指該矢量滿足以下條件:(I)使期望信號(hào)方位上接收信號(hào)功率輸出最大；(2)使干擾方位波束輸出為零，即該矢量與干擾信號(hào)方向矢量正交；(3)不影響輸出信噪比。
[0013]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)的最優(yōu)權(quán)矢量在計(jì)算時(shí)需要事先知道各角反射器相對(duì)于天線陣的方位，可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn):(I)通過常規(guī)測(cè)量手段如GPS技術(shù)確定各角反射器的位置坐標(biāo)以及天線陣各單元天線位置坐標(biāo)，利用幾何位置關(guān)系確定各角反射器相對(duì)于天線陣的方位；(2)可以使用超分辨空間譜估計(jì)算法如MUSIC算法計(jì)算各角反射器相對(duì)于天線陣的來波方向/方位。
[0014]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)的各角反射器回波信號(hào)恢復(fù)過程為:使用最優(yōu)權(quán)系數(shù)對(duì)下變頻后的基帶信號(hào)進(jìn)行波束形成即可得到各個(gè)角反射器的回波信號(hào)，抑制了其他角反射器的干擾信號(hào)。
[0015]進(jìn)一步，所述陣列雷達(dá)的各角反射器微位移量計(jì)算方法為:將恢復(fù)的各個(gè)角反射器基帶回波信號(hào)與發(fā)射基帶信號(hào)進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算，得到收發(fā)信號(hào)間的相位差，然后再使用干涉測(cè)量技術(shù)，計(jì)算前后兩次收發(fā)信號(hào)相位差的變化量，利用相位差變化量與位移量之間的關(guān)系，計(jì)算出各角反射器的微位移量。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的基于天線陣的微位移測(cè)量方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，通過采用最優(yōu)波束形成技術(shù)，解決了多個(gè)角反射器回波信號(hào)的難以分離和干擾抑制問題，提高了精度，具有很強(qiáng)的抗干擾性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0018]圖1為多目標(biāo)微位移測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為系統(tǒng)工作流程圖；
[0020]圖3為陣列雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖4為最優(yōu)波束示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]在本發(fā)明中，微位移測(cè)量系統(tǒng)由角反射器和陣列雷達(dá)組成，角發(fā)射器安裝在被測(cè)建筑物上，陣列雷達(dá)安裝在遠(yuǎn)離被測(cè)物的位置。陣列雷達(dá)輻射信號(hào)照射角反射器并接收回波信號(hào)，采用最優(yōu)波束形成技術(shù)分離恢復(fù)出各角反射器的回波信號(hào)，通過檢測(cè)收發(fā)信號(hào)之間的相位差變化量檢測(cè)角反射器的微位移量。
[0023](I)系統(tǒng)測(cè)量原理[0024]以均勻線陣為例說明本發(fā)明的基本原理。天線陣為由N+1個(gè)陣元構(gòu)成，陣元間距為d，第I到第N個(gè)陣元用于接收，第N+1個(gè)陣元用于發(fā)射信號(hào)。設(shè)第i個(gè)角反射器回波信號(hào)相對(duì)于天線陣的入射角為Qi，以第一個(gè)陣元為參考，其方向矢量為:
[0025]a(0i) = [eJO e_je …卜伽1)0 …一-瓜―1)0]1 (公式 I)
[0026]上式中
【權(quán)利要求】
1.一種基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，使用角反射器和陣列雷達(dá)構(gòu)成微位移測(cè)量系統(tǒng)，角反射器安裝在建筑物上，陣列雷達(dá)遠(yuǎn)離被測(cè)物；陣列雷達(dá)輻射信號(hào)照射角反射器，并接收角反射器回波信號(hào)，通過最優(yōu)波束形成技術(shù)，恢復(fù)出各個(gè)角反射器的回波信號(hào)，通過檢測(cè)收發(fā)信號(hào)之間的相位差變化量計(jì)算各角反射器的微位移量，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)微位移測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，其特征在于:所述角反射器為由三個(gè)互相垂直相交的成本低廉的金屬平面構(gòu)成的反射體，它能將入射的微波信號(hào)按原方向反射回去，即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷達(dá)截面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，其特征在于:所述陣列雷達(dá)由收發(fā)通道和信號(hào)處理兩部分構(gòu)成，信道部分包含I個(gè)發(fā)射通道輻射信號(hào)，N個(gè)接收通道接收回波信號(hào)，并下變頻得到N路基帶回波信號(hào)；信號(hào)處理部分包括最優(yōu)權(quán)形成，最優(yōu)波束形成，干涉相位測(cè)量，微位移量計(jì)算等部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，其特征在于:它將需要恢復(fù)的角反射器回波信號(hào)作為有用的期望信號(hào)，將其他所有角反射器回波信號(hào)作為干擾信號(hào)，最優(yōu)權(quán)矢量是指該矢量滿足以下條件:(I)使期望信號(hào)方位上接收信號(hào)功率輸出最大；(2)使干擾方位波束輸出為零，即該矢量與干擾信號(hào)方向矢量正交；(3)不影響輸出信噪比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，其特征在于:所述陣列雷達(dá)的最優(yōu)權(quán)矢量在計(jì)算時(shí)需要事先知道各角反射器相對(duì)于天線陣的方位，可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn):(I)通過常規(guī)測(cè)量手段如GPS技術(shù)確定各角反射器的位置坐標(biāo)以及天線陣各單元天線位置坐標(biāo)，利用幾何位置關(guān)系確定各角反射器相對(duì)于天線陣的方位；(2)使用超分辨空間譜估計(jì)算法如MUSIC算法計(jì)算各角反射器相對(duì)于天線陣的來波方向/方位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于天線陣的多目標(biāo)微位移測(cè)量方法，其特征在于:所述陣列雷達(dá)輻射信號(hào)可為窄帶信號(hào)如單頻連續(xù)波信號(hào)，也可為寬帶信號(hào)如線性調(diào)頻連續(xù)波。
【文檔編號(hào)】G01S13/08GK103792531SQ201410060204
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】王韜, 鄭海升, 王坤, 張洪, 李康男, 高葉霞, 楊力生, 張潘, 謝芝茂, 謝曉姣 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)