基于天线阵的多目标微位移测量方法

文档序号:6218694阅读:666来源:国知局
基于天线阵的多目标微位移测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种大型建筑物多目标微位移测量方法,属于建筑物变形监测【技术领域】。本方法在被测物体上安装P个无源角反射器,在远离被测物体处安装阵列雷达。天线阵辐射信号照射所有角反射器并接收混合回波信号,并行形成P个最优波束分离出每个角反射器的回波信号,每个波束在需要分离的角反射器回波信号方向上增益最大,接收信号功率最强;在其它P-1个角反射器回波方向上形成零陷,将干扰降至最小。检测发射信号与恢复的各角反射器回波信号相位差,将相位差变化量转换为各角反射器的微位移量。本方法解决了多个角反射器回波信号很难分离的问题,实现了多目标微位移测量,抗干扰能力强,能够很好地应用于建筑物的微位移测量中。
【专利说明】基于天线阵的多目标微位移测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑物变形监测【技术领域】,涉及一种基于天线阵的多目标微位移测量方法。
【背景技术】
[0002]在自然界中建筑物会在各种影响因素的作用下,其形状,大小,位置会在时域空间中发生变化,如高层建筑物的摆动,大坝变形等。而当变形量超过变形体所能承受的允许范围时,则会给人类的生产生活带来严重灾难,因此对物体进行变形监测具有重要意义。
[0003]专利CN1542407A提出了一种微位移测量方法,该方法在被监测点放置一个无源角反射器,在监测点放置一个微波比相测量装置,微波比相测量装置的发射部分向角反射器发射一单频微波,角反射器由三块铝板组成,它把入射到它的微波按原路径全反射回来。比相测量装置的接收部分接收角反射器反射回来的微波信号,经与发射信号进行比相可测得微位移量。该测量方法成本低廉,使用方便安全。但该方法在实际使用中存在的最大问题是:为单频连续波雷达,抗干扰能力差,且只能测量单个微波发射器的微位移,不能实现多目标测量;而在大型建筑物的微位移检测工作中,一般都需要设置多个被监测点,因此,上述方法在实际的位移监测过程中受到了诸多限制。
[0004]本申请针对这个问题加以改进,对位移测量雷达进行改进,采用天线阵和最优波束形成技术来实现各角反射器回波信号的分离,从而实现多目标微位移测量,并提高其抗干扰能力。

【发明内容】

[0005]有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于天线阵的多目标微位移测量方法,该方法采用天线阵和最优波束形成技术来实现多目标的微位移测量。
[0006]为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
[0007]—种基于天线阵的多目标微位移测量方法,使用角反射器和阵列雷达构成微位移测量系统,角反射器安装在建筑物上,阵列雷达远离被测物。阵列雷达辐射信号照射角反射器,并接收角反射器回波信号,通过最优波束形成技术,在期望信号方向上接收功率最强,在干扰方向上形成零陷,恢复各个角反射器的回波信号,通过检测收发信号之间的相位差变化量计算各角反射器的微位移量,实现了多目标微位移测量。
[0008]进一步,所述角反射器为由三个互相垂直相交的成本低廉的金属平面构成的反射体,它能将入射的微波信号按原方向反射回去,即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷达截面积。
[0009]进一步,所述阵列雷达由收发通道和信号处理两部分构成,其中I个发射通道辐射信号,N个接收通道接收回波信号,并下变频得到N路基带回波信号。信号处理部分包括最优权形成,最优波束形成,干涉相位测量,微位移量计算等部分。
[0010]进一步,所述阵列雷达发射信号的工作过程为:将本地产生的基带信号与中频本振信号混频后,上变频至中频,然后经中频放大后与射频本振混频,上变频到射频信号,经功率放大器由天线辐射到角反射器上。
[0011]进一步,所述阵列雷达接收信号的工作过程为:天线I到N接收各个角反射器反射的回波信号,经低噪声放大器后与射频本振混频,下变频为中频信号,然后与中频本振信号二次混频,下变频为N路基带信号。
[0012]进一步,所述阵列雷达的最优权矢量为:它将需要恢复的角反射器回波信号作为有用的期望信号,将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号,最优权矢量是指该矢量满足以下条件:(I)使期望信号方位上接收信号功率输出最大;(2)使干扰方位波束输出为零,即该矢量与干扰信号方向矢量正交;(3)不影响输出信噪比。
[0013]进一步,所述阵列雷达的最优权矢量在计算时需要事先知道各角反射器相对于天线阵的方位,可以有两种方法来实现:(I)通过常规测量手段如GPS技术确定各角反射器的位置坐标以及天线阵各单元天线位置坐标,利用几何位置关系确定各角反射器相对于天线阵的方位;(2)可以使用超分辨空间谱估计算法如MUSIC算法计算各角反射器相对于天线阵的来波方向/方位。
[0014]进一步,所述阵列雷达的各角反射器回波信号恢复过程为:使用最优权系数对下变频后的基带信号进行波束形成即可得到各个角反射器的回波信号,抑制了其他角反射器的干扰信号。
[0015]进一步,所述阵列雷达的各角反射器微位移量计算方法为:将恢复的各个角反射器基带回波信号与发射基带信号进行复相关运算,得到收发信号间的相位差,然后再使用干涉测量技术,计算前后两次收发信号相位差的变化量,利用相位差变化量与位移量之间的关系,计算出各角反射器的微位移量。
[0016]本发明的有益效果在于:本发明提供的基于天线阵的微位移测量方法克服了现有技术中存在的不足,通过采用最优波束形成技术,解决了多个角反射器回波信号的难以分离和干扰抑制问题,提高了精度,具有很强的抗干扰性。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
[0018]图1为多目标微位移测量系统总体结构图;
[0019]图2为系统工作流程图;
[0020]图3为阵列雷达结构框图;
[0021]图4为最优波束示意图;
【具体实施方式】
[0022]在本发明中,微位移测量系统由角反射器和阵列雷达组成,角发射器安装在被测建筑物上,阵列雷达安装在远离被测物的位置。阵列雷达辐射信号照射角反射器并接收回波信号,采用最优波束形成技术分离恢复出各角反射器的回波信号,通过检测收发信号之间的相位差变化量检测角反射器的微位移量。
[0023](I)系统测量原理[0024]以均匀线阵为例说明本发明的基本原理。天线阵为由N+1个阵元构成,阵元间距为d,第I到第N个阵元用于接收,第N+1个阵元用于发射信号。设第i个角反射器回波信号相对于天线阵的入射角为Qi,以第一个阵元为参考,其方向矢量为:
[0025]a(0i) = [eJO e_je …卜伽1)0 …一-瓜―1)0]1 (公式 I)
[0026]上式中
【权利要求】
1.一种基于天线阵的多目标微位移测量方法,使用角反射器和阵列雷达构成微位移测量系统,角反射器安装在建筑物上,阵列雷达远离被测物;阵列雷达辐射信号照射角反射器,并接收角反射器回波信号,通过最优波束形成技术,恢复出各个角反射器的回波信号,通过检测收发信号之间的相位差变化量计算各角反射器的微位移量,实现多目标微位移测量。
2.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法,其特征在于:所述角反射器为由三个互相垂直相交的成本低廉的金属平面构成的反射体,它能将入射的微波信号按原方向反射回去,即使尺寸不大的角反射器也具有很大的雷达截面积。
3.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法,其特征在于:所述阵列雷达由收发通道和信号处理两部分构成,信道部分包含I个发射通道辐射信号,N个接收通道接收回波信号,并下变频得到N路基带回波信号;信号处理部分包括最优权形成,最优波束形成,干涉相位测量,微位移量计算等部分。
4.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法,其特征在于:它将需要恢复的角反射器回波信号作为有用的期望信号,将其他所有角反射器回波信号作为干扰信号,最优权矢量是指该矢量满足以下条件:(I)使期望信号方位上接收信号功率输出最大;(2)使干扰方位波束输出为零,即该矢量与干扰信号方向矢量正交;(3)不影响输出信噪比。
5.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法,其特征在于:所述阵列雷达的最优权矢量在计算时需要事先知道各角反射器相对于天线阵的方位,可以有两种方法来实现:(I)通过常规测量手段如GPS技术确定各角反射器的位置坐标以及天线阵各单元天线位置坐标,利用几何位置关系确定各角反射器相对于天线阵的方位;(2)使用超分辨空间谱估计算法如MUSIC算法计算各角反射器相对于天线阵的来波方向/方位。
6.根据权利要求1所述的基于天线阵的多目标微位移测量方法,其特征在于:所述阵列雷达辐射信号可为窄带信号如单频连续波信号,也可为宽带信号如线性调频连续波。
【文档编号】G01S13/08GK103792531SQ201410060204
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】王韬, 郑海升, 王坤, 张洪, 李康男, 高叶霞, 杨力生, 张潘, 谢芝茂, 谢晓姣 申请人:重庆大学
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