一种雷达测量主从机系统的制作方法

本实用新型涉及一种雷达测量领域，具体涉及一种雷达测量主从机系统。

背景技术：

作为全球第一交通及制造大国，我国有百余万座桥梁、三万多条隧道、两百多万台起重机械，其中相当部分因超负荷或超期服役而存在不同程度的结构隐患。结构关键点的三维形变反映结构的整体受力、衰变特性及结构隐患情况，是结构监测的关键参数；挠度是其中的垂向一维形变分量，是各类梁式结构的跨中或端点等关键部位形变。但大型结构形变监测一直面临高精度、远距离、全天候三大瓶颈问题，卫星定位、微波雷达、全站仪、图像测量是目前的主要方法。

全球卫星定位系统以卫星作为位置基准，能够对野外物体的三维形变进行全天候监测，在国内外应用广泛，典型代表是美国GPS。但受限于GPS民用授时精度限制，其三维定位精度仅为厘米级。利用北斗系统打破其技术与价格垄断、突破精度瓶颈是主要发展方向。微波雷达利用雷达原理实现测距，具有毫米级的测距精度，能全天候工作；但其仅能监测一维轴向形变。突破三维形变监测的技术瓶颈，是其发展的关键。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种雷达测量主从机系统，利用北斗系统实现对物体的三维形变监测。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种雷达测量主从机系统，包括雷达测量主机、雷达测量从机以及有源反射器；所述有源反射器设置在被测点；所述雷达测量从机与雷达测量主机通过光纤连接；所述雷达测量主机和所述雷达测量从机均包括微波雷达测距仪、北斗接收单元，所述雷达测量主机还包括控制系统和第五天线，所述雷达测量从机还包括第一天线和第四天线；

其中，所述控制系统包括ASIC三维解析器、第一微处理器、双频编码器、第一放大器、光纤通讯系统和微波发射器，所述第一微处理器分别与所述ASIC三维解析器的输入端/输出端、双频编码器的输入端和光纤通讯系统的输入端/输出端连接，所述第一放大器分别与所述双频编码器的输出端、微波发射器的输入端连接，所述微波发射器的输出端与所述第五天线连接；

所述微波雷达测距仪包括微控制器、鉴相处理单元、时差测量单元、第一环形器、第一解调器、第一功分器、第一微波源和第一混频器，所述微控制器分别与所述北斗接收单元的输出端、光纤通讯系统的输入端/输出端、鉴相处理单元的输出端、时差测量单元的输出端以及第一微波源的输入端连接；所述第一功分器分别与所述第一微波源的输出端、第一环形器、第一混频器的输入端连接；所述第一环形器还分别与所述第一天线、第一混频器的另一输入端连接，所述第一混频器的输出端分别与所述鉴相处理单元的输入端、时差测量单元的输入端连接；所述第四天线通过所述第一解调器分别与所述鉴相处理单元的输入端、时差测量单元的输入端连接；

所述有源反射器包括第二天线、第三天线、第二微处理器、第二环形器、第二混频器、第二功分器、低通滤波器、第二解调器、调制器、第二微波源和地址解析及匹配单元；所述第二环形器分别与所述第二天线、第二功分器的输出端连接，所述第二功分器的输入端与所述第二微波源连接，所述第二混频器的输入端分别与所述第二环形器、第二功分器连接，所述第二混频器的输出端与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器的输出端与所述第二解调器连接，所述第二解调器的输出端与所述地址解析与匹配器连接，所述地址解析与匹配器的输出端与所述第二微处理器连接，所述第二微处理器的输出端与所述调制器连接，所述调制器的输出端与所述第三天线连接。

作为优化，所述第一功分器通过第一功放与所述第一环形器连接。

作为优化，所述第一环形器依次通过第一低噪放大器、第一滤波器与所述第一混频器连接。

作为优化，所述第一混频器通过第二滤波器分别与所述鉴相处理单元、时差测量单元连接。

作为优化，所述第四天线通过第二低噪放大器与所述第一解调器连接，所述第一解调器分别通过第三滤波器、第四滤波器、第五滤波器与所述鉴相处理单元、时差测量单元连接。

作为优化，所述低通滤波器的输出端通过第二功放与所述第二解调器的输入端连接，所述调制器的输出端通过第四功放与第三天线连接；所述第二解调器为FM解调器。

作为优化，所述第二功分器通过第三功放与所述第二环形器连接；所述第二环形器通过第三低噪放大器与所述第二混频器连接。

作为优化，所述第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线均为杆状天线。

作为优化，所述第一天线和第二天线为发射/接收天线，所述第四天线为接收天线，所述第三天线和第五天线为发射天线。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用雷达原理实现测距，并根据测距结果得到有源反射器的坐标，具有毫米级的测距精度，能全天候工作，结构简单，设计合理。

附图说明

图1为本实用新型一种雷达测量主从机系统的结构示意图。

图2为雷达测量主机和雷达测量从机的具体结构示意图。

图3为有源反射器的具体结构示意图。

附图中，1为雷达测量主机，11为控制系统，111为ASIC三维解析器，112为第一微处理器，113为双频编码器，114为第一放大器，115为微波发射器，116为光纤通讯系统，12为微波雷达测距仪，121为微控制器，1211为鉴相处理单元，1212为时差测量单元，122为第一微波源，123为第一功分器，124为第一功放，125为第一环形器，126为第一混频器，127为第一解调器，128为第一低噪放大器，1281为第二低噪放大器，129为第一滤波器，1291为第二滤波器，1292为第三滤波器，1293为第四滤波器，1294为第五滤波器，13为北斗接收单元，14为第五天线，2为雷达测量从机，21为第一天线，22为第四天线，3为有源反射器，31为第二天线，311为第三天线，32为第二环形器，33为第二混频器，34为低通滤波器，35为第二微波源，36为第二解调器，361为调制器，37为地址解析与匹配器，38为第二功分器，39为第二功放，391为第三功放，392为第四功放，393为第三低噪放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1-3所示，一种雷达测量主从机系统，包括雷达测量主机1、雷达测量从机2以及有源反射器3；有源反射器设置在被测点；雷达测量从机2与雷达测量主机1通过光纤连接，本实施例中，1个雷达测量主机连接多个雷达测量从机2，每3个雷达测量从机对有源反射器3进行测量。雷达测量主机1和雷达测量从机2均包括微波雷达测距仪12、北斗接收单元13，雷达测量主机1还包括控制系统11和第五天线，雷达测量从机2还包括第一天线21和第四天线22。其中，控制系统11由DSP芯片和FPGA组成，包括ASIC三维解析器111、第一微处理器112、双频编码器113、第一放大器114、光纤通讯系统115和微波发射器115，第一微处理器112分别与ASIC三维解析器111的输入端/输出端、双频编码器113的输入端和光纤通讯系统116的输入端/输出端连接，第一放大器114分别与双频编码器113的输出端、微波发射器115的输入端连接，微波发射器115输出端与第五天线14连接。本实施例中，第五天线为微波雷达杆状发射天线。

第一微处理器112控制双频编码器113产生双频编码地址信号，通过第一放大器114将信号放大，并通过微波发射器115和第五天线14发送放大后的双频编码地址信号给有源反射器。

本实施例中，第一微处理器112采用市场上普通的微处理器即可，双频编码器采用双路光电/霍尔/电机编码器。

第一微处理器112通过光纤控制雷达测量从机2发送测距信号，同时也通过光纤接收雷达测量从机2发送的距离信息。

北斗接收单元13配合北斗地基增强系统对雷达测量从机2的三维坐标进行精确标定，并在测距结束后提供本次测距的精确时间，北斗接收单元13具体包括北斗接收机和北斗天线。

当雷达测量从机2接收到被测点的返回信号后通过解调、滤波、鉴相，然后将测距结果连同北斗时间通过光纤通讯系统发送到雷达测量主机1，由ASIC三维解析器111完成三维形变解析。

本实施例中，ASIC三维解析器111的解析过程需要求解一组非线性方程组。从测量原理可知，解析过程需要求解一组非线性方程组。但当距离变化量较小时，可以通过台泰勒数展开选取一次项，将非线性方程组变为线性方程组。利用DSP的数字信号处理功能，结合FPGA的并行处理能力，单点三维解析速度可以实现2KHz以上水平。

微波雷达测距仪12包括微控制器121、鉴相处理单元1211、时差测量单元1212、第一环形器125、第一解调器127、第一功分器123、第一微波源122和第一混频器126，微控制器121分别与北斗接收单元13的输出端、光纤通讯系统116的输入端/输出端、鉴相处理单元1211的输出端、时差测量单元1212的输出端以及第一微波源122的输入端连接，第一功分器123分别与第一微波源122的输出端、通过第一功放124与第一环形器125、第一混频器126的输入端连接；第一环形器125还分别与第一天线21连接，且依次通过第一低噪放大器128、第一滤波器129与第一混频器126另一的输入端连接，第一混频器126的输出端通过第二滤波器1291分别与鉴相处理单元1211、时差测量单元1212连接；第四天线22通过第二低噪放大器1281与第一解调器127连接，第一解调器127分别通过第三滤波器1292、第四滤波器1293、第五滤波器1294与鉴相处理单元1211的输入端、时差测量单元1212的输入端连接。第一环形器125的方向为第一功放124至第一天线21，第一天线21至第一低噪放大器128。

本实施例中，第一天线21为微波雷达发射/接收天线，第四天线22为微波雷达接收天线。

微控制器121收到来自雷达测量主机1的控制信号后，发出控制信号给第一微波源122，第一微波源122产生微波测距信号发送给第一功分器123，第一功分器将微波测距信号一分为二，一路信号通过第一功放124发送给第一环形器125，并由与第一环形器125连接的第一天线21发送给有源反射器3；另一路信号直接传输给第一混频器126，第一混频器126的输出信号通过第二滤波器1291发送给鉴相处理单元1211和时差测量单元1212。

本实施例中，微控制器121采用ARM微控制器，但是，这不代表仅用这一种微控制器。

由于2.4GHz、5.8GHz波段成熟，本实施例中，第一微波源的输出信号频率包含2.4GHz波段。第一功放和第一低噪放大器实现对信号的放大，其输入范围包含2.4GHz频段；为保证高精度，噪声系数应较低；频段增益大于20-25dB以上。第二低噪放大器用于提高进入鉴相处理单元鉴相信号的信噪比，其增益需要达到30-40dB才能保证测相信号信噪比。

本实施例中，第一至第五滤波器均为带通滤波器，完成2.4GHz波段信号的滤噪，其通带包含2.4GHz，通带损耗较低、带外抑制度高。

第一天线21、第四天线22分别接收有源反射器3发来的返回信号，一路信号依次通过第二低噪放大器1281、第一解调器127和第三至第五滤波器传输给鉴相处理单元1222和时差测量单元1212；另一路信号依次通过第一环形器125、第一低噪放大器128、第一滤波器129、第一混频器126，第一混频器126将第一微波源122的其中一路信号与此路信号混频后通过第二滤波器1291传输给鉴相处理单元1222和时差测量单元1212。

本实施例中，设置第三至第五滤波器的作用是因为测的是有源反射器的三维位移，所以需要对三个微波进行解调、滤波，通过鉴相处理单元测量接收信号与发射信号之间的相位差，从而得出有源反射器的三维位移。

有源反射器3包括第二天线31、第三天线311、第二微处理器371、第二环形器32、第二混频器33、第二功分器38、低通滤波器34、第二解调器36、调制器361、第二微波源35和地址解析及匹配单元37；第二环形器32与第二天线31连接，且第二功分器38的输出端通过第三功放391与第二环形器32连接，第二功分器38的输入端与第二微波源35连接，第二混频器33的输入端与第二功分器38的输出端连接，且第二环形器32的输出端通过第三低噪放大器393与第二混频器33连接；第二混频器33的输出端与低通滤波器34连接，低通滤波器34的输出端通过第二功放39与第二解调器36连接，第二解调器36的输出端与地址解析与匹配器37连接，地址解析与匹配器37的输出端与第二微处理器371连接，第二微处理器37的输出端与调制器361连接，调制器361的输出端通过第四功放392与第三天线311连接。本实施例中，第二解调器36为FM解调器。第二环形器32的方向为第二天线31至第三低噪放大器393，第三功391放至第二天线31。

本实施例中，第二天线31为微波雷达发射/接收天线，第三天线311为微波雷达发射天线。第二微处理器371采用市场上普通的微处理器即可。

第二微波源35为能输出138-4200MHz任一值的信号源，以能方便设置与第一微波源122的差频。

第一功分器123和第二功分器38主要实现微波信号分路，第一功分器123的输入端频率范围须包含2.4GHz波段、分配损耗约为3dB；为避免信号串扰，它还需具有一定端口隔离度。

低通滤波器34完成取出低频信号功能，故其通带须包含测相频率，其通带为DC-2MHz，带外抑制在3-1000MHz内可达56dB以上。

第二功放39用于放大低频信号，以保证进入第二解调器36的调频信号的调制度，其增益需要达到30-40dB才能保证调频信号调制度。

为保证测量精度，第一天线和第二天线选择为2.4GHz的杆状天线，其增益为14dB，第三天线和第四天线选择为5.8GHz的杆状天线，其增益为16dB。

地址解析与匹配器37用于解析雷达测量主机1传输的双频编码地址信号并与自身的有源反射器3的地址进行匹配，当有源反射器3的地址与雷达测量主机1传输的双频编码地址信号匹配成功后，打开电子开关，第二微处理器371开始工作，有源反射器3的第二天线31接收雷达测量从机2传来的测距信号，第二微波源35发出返回信号通过第二功分器38将信号一分为二，其中一路信号与雷达测量从机2的第一微波源发出的测距信号依次经过第二混频器33、低通滤波器34、第二功放39传输给第二微处理器371，第二微处理器371控制调制器361将接收到的信号重新调制到5.8GHz后，通过第四功放392放大信号，由第三天线311传输给雷达测量从机2，由雷达测量从机2的第四天线22接收；另一路信号依次通过第三功放391、第二环形器32由第二天线31发送给雷达测量从机2，由雷达测量从机2的第一天线21接收，经由第一低噪放大器128、第一滤波器129传输到第一混频器126，第一混频器126将第一微波源122的其中一路信号与第二微波源35的其中一路信号混频后通过第二滤波器1291发送给鉴相处理单元和时差测量单元。

不同的有源反射器3设置在不同的被测点，每个有源反射器3有一个特定的地址，在特定时间内，只有地址匹配的有源反射器才返回信号，从而实现多测点的时分复用。具体采用频率识别模式，分别使各雷达测量从机以及各目标点的有源反射器信号源中心频率fIm以及fIIn存在微小的差频ΔfIm与ΔfIIn，让各雷达测量从机和各有源反射器的发射信号中心频率互不相等，即ΔfIm≠ΔfI(m+1)及ΔfIIn≠ΔfII(j+n)，其中，fI表示雷达测量从机的信号源中心频率，fII表示有源反射器的信号源中心频率，m、n分别表示雷达测量从机和有源反射器的数量。雷达测量从机和有源反射器的差频分别由第一混频器和第二混频器完成。

通过调节测相频率、并在各个雷达测量从机利用频率识别技术，从而在频域上实现多雷达、多目标的识别，并消除雷达发射天线泄漏与多路径干扰。本实施例中，混频器可以用乘法器替代。

本实施例中，鉴相处理单元采用傅里叶变换鉴相法，时差测量单元采用TDC-GP2专用测时电路。通过时差测量单元完成初始距离的测量，通过鉴相处理单元实现距离变化量测量。

本实施例中，一个雷达测量主机1可以控制多个雷达测量从机2，一个雷达测量从机2至少可以接收3个有源反射器3的信号。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用雷达原理实现测距，并根据测距结果得到有源反射器的坐标，具有毫米级的测距精度，能全天候工作，结构简单，设计合理。

本实用新型的工作原理：

将有源反射器设置在被测点，第一微处理器控制双频编码器产生双频编码地址信号，并通过第一放大器将信号放大，并通过微波发射器和第五天线发送放大后的双频编码地址信号，有源反射器通过匹配双频编码地址打开电子开关并接收来自雷达测量从机的测距信号并发出返回信号给雷达测量从机，雷达测量从机将返回信号通过解调、滤波、鉴相得到测距结果，雷达测量从机将测距结果和北斗时间传输给雷达测量主机，雷达测量主机根据测距结果以及雷达测量从机的坐标信息计算出有源反射器的坐标。

本实用新型一种雷达测量主从机系统的具体实施，涉及到的ASIC三维解析器、双频编码器、光纤通讯系统、地址解析与匹配器均是现有技术，并非专利申请权利要求所要保护的范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。