大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法及測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法及測量裝置，包括信號發送與接收裝置、信號處理單元。本發明根據雷達信號和回波信號計算目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離，利用圖像配準技術對監測點位置進行配準，根據觀測站的初始坐標、監測點的初始坐標以及目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離計算監測點的位移變化值。本發明化了大型人工建筑物實際三維形變的測量，測量精度高，可靠性好，易于工程實現。
【專利說明】
大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法及測量裝置
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種測量形變的裝置與方法，尤其涉及一種大型人工建筑物三維形變 的測量方法與測量裝置。
【背景技術】
[0002] 大型人工建筑物(如高層建筑、橋梁等)不可避免的受環境條件、負荷影響而引起 結構遭受破壞，這一破壞若不及時發現，將引起嚴重的性能、經濟以及生命財產安全問題。 因此，對此類建筑物微小形變的監測變得尤為重要。近年來，對于雷達技術的研究快速發 展。運用雷達技術，可實現對目標物體進行連續、精確的監測，得到被測物的形變量。
[0003] 現有利用雷達技術測量大型人工建筑物形變的技術只能在先驗知識或假設方向 下，將視線位移進行投影，獲取單一方向上的形變，而不能獲得建筑物的真實三維形變。現 有涉及利用雷達技術進行三維形變測量的技術，所采用的裝置、處理方法較為復雜，成本較 高，且不適于快速測量。
[0004] 因此，在實際應用中，用一種結構簡單，高精度、高可靠性和易于工程實現的三維 形變測量系統來獲取大型人工建筑物真實形變值具有更重要意義。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的問題是提供一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法及測 量裝置，用于解決現有技術中測量三維形變較為復雜的問題，實現大型人工建筑物三維形 變的測量。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種大型人工建筑物三維形變 的雷達測量方法，設置信號發送與接收裝置，所述信號發送與接收裝置包括至少3個設置于 目標建筑物周圍且不在同一條直線上的觀測站，所述觀測站用于向設置于目標建筑物上的 監測點發射雷達信號，并接收來自監測點的回波信號;所述大型人工建筑物三維形變的雷 達測量方法包括如下步驟：
[0007] 1)測量觀測站和監測點的初始位置；
[0008] 2)利用圖像配準技術對目標建筑物發生形變后的監測點位置進行配準；
[0009] 3)計算目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離；
[0010] 4)根據所述觀測站的初始位置、監測點的初始位置以及目標建筑物發生形變前后 的監測點與觀測站之間的距離計算監測點的位移變化值。
[0011] 通過圖像配準技術對發生形變后的監測點位置進行配準，可以保證觀測目標的唯 一性。
[0012] 上述的技術方案中，所述步驟1)中，利用雷達干涉技術、衛星定位技術測量觀測站 和監測點的初始位置。
[0013] 上述的技術方案中，所述步驟3)中，根據所述雷達信號和回波信號計算目標建筑 物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離。
[0014]上述的技術方案中，所述步驟3)中，計算目標建筑物發生形變后的監測點與觀測 站之間的距離時，將所述距離在所述監測點的初值處按泰勒級數展開并取一次項。
[0015]上述的技術方案中，所述步驟4)中，計算監測點的位移變化值所采用的方法為最 小二乘法擬合方法。
[0016] 本發明還提供一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置，其特征在于：包括 信號發送與接收裝置、信號處理單元，其中：
[0017] 信號發送與接收裝置，包括至少3個設置于目標建筑物周圍且不在同一條直線上 的觀測站，所述觀測站用于向設置于目標建筑物上的監測點發射雷達信號，并接收來自監 測點的回波信號；
[0018] 信號處理單元，用于測量觀測站和監測點的初始位置;根據所述雷達信號和回波 信號計算目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離，利用圖像配準技術對目 標建筑物發生形變后的監測點位置進行配準，根據觀測站的初始位置、監測點的初始位置 以及目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離計算監測點的位移變化值。
[0019] 進一步地，所述信號發送與接收裝置還包括與所述觀測站通過空間基線進行連接 的雷達裝置，所述觀測站發射的雷達信號是由觀測站接收來自雷達裝置發射的信號并發 射。
[0020] 本發明具有的優點和積極效果是:一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法 及測量裝置，簡化了大型人工建筑物實際三維形變的測量，測量精度高，可靠性好，易于工 程實現。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明的大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置的結構示意圖；
[0022] 圖2是本發明的信號發送與接收裝置示意圖，圖2(a)是信號發送與接收裝置的第 一種組成方案，圖2(b)是信號發送與接收裝置的第二種組成方案；
[0023] 圖3是本發明的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法的流程圖；
[0024] 圖4是本發明的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法的計算示意圖，其中A x、A y、A z分別為監測點在x、y、z軸上的位移變化量，Ai(xi，yi，zi)為觀測站Ai的坐標，其中i 為整數且i多3;監測點T的坐標為監測點T(x，y，z)，監測點的初始位置為T Q(XQ，yQ，Z0)。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0026] 1、大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法
[0027]如圖1 一圖4所示，本發明提供一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，設 置信號發送與接收裝置，所述信號發送與接收裝置包括至少3個設置于目標建筑物周圍且 不在同一條直線上的觀測站A:，其中i為整數且i多3;所述觀測站仏用于向設置于目標建筑 物上的監測點T發射雷達信號，并接收來自監測點T的回波信號。該雷達測量方法的流程圖 如圖3所示，所述雷達測量方法的具體步驟包括：
[0028] (1)監測點T在所建立的三維坐標系中的初始位置為。(幼巧^別^計算各觀測站仏 的三維坐標為Ai(xi，yi，zi);
[0029] (2)雷達信號發送至目標建筑物的監測點T，各觀測站六:收到的回波信息，然后將 其發送至信息處理單元，利用雷達干涉技術或衛星技術獲取目標建筑物的監測點的初始位 置與各觀測站的距離R 1;
[0030] (3)某一時刻目標建筑物發生形變，提取該時刻信息處理單元的回波信號；
[0031] (4)利用圖像配準技術對目標建筑物發生形變后的監測點位置進行配準。其中圖 像配準技術為現有技術。通過圖像配準技術對目標建筑物發生形變后的監測點位置進行配 準，可以保證觀測目標的唯一性。圖像配準的具體方法為：以一個觀測站獲得的回波信號為 參考信號，計算另一個觀測站獲取的回波信號與參考信號的相關函數，尋找相關函數最大 值對應的距離偏移量，將另一個觀測站的回波信號反方向移動該距離偏離量，完成監測點 的配準。從而保證兩個觀測站的雷達回波信號在同一距離上對應同一目標。
[0032] (5)目標建筑物監測點的位置為T(x，y，z )，通過雷達干涉技術或衛星技術獲取各 觀測站Ai與目標建筑物的監測點T(x，y，z)在該時刻的距離R/，此時的A心=吖-Ri，A Ri為 目標建筑物監測點發生位移前后與各個觀測站間的距離變化量。
[0033] (6)如圖4所示，當目標建筑物監測點的位置從TQ(XQ，y Q，Z())移動到T(x，y，z)位置 時，發生了位移，將位移在x、y、z軸分解為三個部分A x、A y、A z，此時目標建筑物的監測點 T(x，y，z)與各觀測站仏的距離可表達為
[0035]由于目標建筑物的形變非常小，以上非線性方程組可近似化為線性方程組，因此 目標建筑物與各觀測站六:的距離在監測點的初值處T(XQ，yQ，Z())的泰勒級數展開式可表示 為：
則上述方程的線性表達式為A/hf/W .A/j .M .Ai?，由于坐標(XQ，yo，Z())和坐標(Xi，yi, V / Zi)已知，因此獲已知，而A Ri = R' i-Ri的值也已獲得，即可計算出亞的值，即可得到目標建 筑物的三維變化量A x、A y、A z。
[0038] (7)為了減小測量誤差，利用最小二乘法對A R變化值進行擬合，以確保目標建筑 物的三維形變量更接近真實值。
[0039] 另外，若只選擇三個不在同一直線上的觀測站，利用觀測站A:的坐標以及各觀測 站仏到目標建筑物監測點T的初始距離、發生形變后各觀測站六:到目標建筑物監測點T的距 離，亦可聯立方程組解出目標建筑物監測點T在三坐標方向上的位移值，即為目標建筑物監 測點T的高精度三維形變量。
[0040] 2、大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置
[0041] 本發明還提供一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置，結構示意圖如圖1 所示。該雷達測量裝置包括信號發送與接收裝置、信號處理單元。目標建筑物的監測點為T， 所述雷達測量裝置包括信號發送與接收裝置、信號處理單元：
[0042] (1)信號發送與接收裝置，包括至少3個設置于目標建筑物周圍且不在同一條直線 上的觀測站A:，所述觀測站仏用于向設置于目標建筑物上的監測點T發射雷達信號，并接收 來自監測點T的回波信號。信號發送與接收裝置可以采用2種方案，如圖2(a)、2(b)所示。
[0043] 對于圖2(a)所示的方案，各觀測站Ai分別設置雷達裝置，向監測點T發射信號：由 觀測站M接收回波信號，并進行處理。各個觀測站M均安裝雷達發射裝置，信號由天線發射 出去，遇到監測點T后雷達信號返回，各觀測站M接收天線收到回波信號。
[0044] 對于圖2(b)所示的方案，監測點T設置雷達裝置，向各觀測站六:發射信號：由監測 點T接收回波信號，并進行處理。這種方案，可將雷達裝置設置于方便安裝的任意地方，該地 方方便與各個觀測站Adi過空間基線進行連接，各個觀測站M收到由雷達裝置發射的信號 后通過天線發射出去，遇到監測點T后雷達信號返回，各觀測站M接收天線收到回波信號。
[0045] (2)信號處理單元，用于測量觀測站A4P監測點T的初始位置;利用圖像配準技術 對目標建筑物發生形變后的監測點T的位置進行配準，根據所述雷達信號和回波信號計算 目標建筑物發生形變前后的監測點T與觀測站仏之間的距離，根據觀測站M的初始位置、監 測點T的初始位置以及目標建筑物發生形變前后的監測點T與觀測站六:之間的距離計算監 測點T的位移變化值。
[0046] 以上對本發明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例， 不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明范圍所作的均等變化與改進等，均應 仍歸屬于本專利涵蓋范圍之內。
【主權項】
1. 一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，其特征在于:設置信號發送與接收 裝置，所述信號發送與接收裝置包括至少3個設置于目標建筑物周圍且不在同一條直線上 的觀測站，所述觀測站用于向設置于目標建筑物上的監測點發射雷達信號，并接收來自監 測點的回波信號，所述大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法包括如下步驟： 1) 測量觀測站和監測點的初始位置； 2) 利用圖像配準技術對目標建筑物發生形變后的監測點位置進行配準； 3) 計算目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離； 4) 根據所述觀測站的初始位置、監測點的初始位置以及目標建筑物發生形變前后的監 測點與觀測站之間的距離計算監測點的位移變化值。2. 根據權利要求1所述的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，其特征在于:所述 步驟1)中，利用雷達干涉技術、衛星定位技術測量觀測站和監測點的初始位置。3. 根據權利要求1所述的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，其特征在于:所述 步驟3)中，根據所述雷達信號和回波信號計算目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站 之間的距離。4. 根據權利要求1所述的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，其特征在于:所述 步驟3)中，計算目標建筑物發生形變后的監測點與觀測站之間的距離時，將所述距離在所 述監測點的初始位置處按泰勒級數展開并取一次項。5. 根據權利要求1所述的大型人工建筑物三維形變的雷達測量方法，其特征在于:所述 步驟4)中，計算監測點的位移變化值所采用的方法為最小二乘法擬合方法。6. -種大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置，其特征在于:包括信號發送與接收 裝置、信號處理單元，其中： 信號發送與接收裝置，包括至少3個設置于目標建筑物周圍且不在同一條直線上的觀 測站，所述觀測站用于向設置于目標建筑物上的監測點發射雷達信號，并接收來自監測點 的回波信號； 信號處理單元，用于測量觀測站和監測點的初始位置;利用圖像配準技術對目標建筑 物發生形變后的監測點位置進行配準;根據所述雷達信號和回波信號計算目標建筑物發生 形變前后的監測點與觀測站之間的距離;根據觀測站的初始位置、監測點的初始位置以及 目標建筑物發生形變前后的監測點與觀測站之間的距離計算監測點的位移變化值。7. 根據權利要求6所述的一種大型人工建筑物三維形變的雷達測量裝置，其特征在于： 所述信號發送與接收裝置還包括與所述觀測站通過空間基線進行連接的雷達裝置，所述觀 測站發射的雷達信號是由觀測站接收來自雷達裝置發射的信號并發射。
【文檔編號】G01S13/88GK105929393SQ201610257219
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】王雅敏, 肖平
【申請人】湖南鐳氪信息科技有限公司