用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统及方法与流程

本发明涉及地表区域形变观测技术领域，尤其涉及一种用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统及方法。

背景技术

对采矿沉陷区、滑坡区、裂缝区地表的变形情况进行连续观察是预报矿区沉陷、滑坡、裂缝等地质灾害的有效途径之一。

目前，对采矿沉陷区、滑坡体、裂缝地表进行自动化监测通常采用两种方法：一种方法是采用接触式现场监测仪器，如拉杆、拉绳式位移计、磁制伸缩仪等，结合远程网络传输模块则可以实现地表区域的实时形变监测，但该方法的缺点是一次只能测量一个单独的点，还存在传感器安装耦合的问题；另一种方法是采用遥感技术，包括无人机摄影、激光雷达、insar等，定期采集地表区域影像数据，以观察该地表区域的形变，这种方法为非接触式，因此无须担心安装耦合的问题，但其缺点是只能进行定期观测，不能连续实时地监测，因此判断结果可能会不准确或者漏判。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统及方法，用以解决现有技术无法连续观察采矿沉陷区、滑坡区、裂缝区地表变形的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统，其包括m×n个激光探测单元组成的m×n现场位移探测阵列、基站；

所述现场位移探测阵列布设在待监测地表区域内，每个所述激光探测单元配备对应的目标靶，设置在其前方的预设距离处，二者构成一探测节点；所述现场位移探测阵列，用于获取每个所述激光探测单元与对应的目标靶的位移信息，并将所有所述位移信息通过无线网络发送至所述基站；

所述基站，用于通过发送驱动信号控制所述现场位移探测阵列启动，并接收所述现场位移探测阵列获取的上述所有位移信息，对所述位移信息进行数据处理，得到待监测地表区域的形变结果。

上述技术方案的有益效果如下：采用非接触式的激光探测单元，克服了现有接触式现场监测仪器安装耦合问题。通过矩阵式探测单元的布设安装，且多个探测单元之间能够通过自组网协议栈进行无线数据传输，避免了因连线太多带来的安装困难，通过基站的数据处理可将传统的点监测转换为面监测，能够为滑坡体、矿区塌陷、裂缝的区域性形变监测提供更多、更可靠的数据。

基于上述方法的另一个实施例中，用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统还包括太阳能供电单元、数据控制中心；

所述太阳能供电单元，用于为基站运行提供电源；

所述数据控制中心，用于对所有基站的处理结果进行进一步分析，并展示，所述数据控制中心支持4g/3g/gprs通信。

上述技术方案的有益效果是：在无线激光矩阵监测系统无故障的情况下，太阳能供电单元能够永久为无线激光矩阵监测系统供电。因此，在连续观测地表区域形变时，避免了换电池带来的工作复杂度。在无线激光矩阵监测系统安装完成后，能连续实时观测待监测地表区域的各处形变。而设置数据控制中心，是因为专家不可能一直呆在待监测地表区域进行研究，数据控制中心可以获取多个待监测地表区域内基站传来的数据信息，远程专家可以在数据控制中心对无线激光矩阵监测系统获取的各待监测地表区域的形变结果进行介入分析，避免发生采矿沉陷、滑坡、裂缝等情况的误判，增加了判断结果的准确性。

进一步，每个所述激光探测单元包括激光位移传感器、无线数据传输模块；所述激光位移传感器与无线数据传输模块电气连接；

所述激光位移传感器，用于向对应的目标靶发送激光信号，并接收返回的携带二者位移信息的激光信号，对返回的所述激光信号进行数据解析获取所述位移信息；

所述无线数据传输模块，用于接收所述基站发送的驱动信号，将所述驱动信号传输至对应的激光位移传感器控制其启动，并将所述激光位移传感器获取的位移信息通过无线网络发送至所述基站。

上述进一步方案的有益效果是：与现有技术的接触式现场监测仪器相比，上述方案采用m×n的现场位移探测阵列进行数据监测，可测量整个待监测地表区域的形变，以及形变过程，各个探测单元中激光位移传感器获取的位移信息是独立的，彼此之间不存在无干扰，因此无须担心安装耦合问题。与现有技术的遥感技术相比，上述方案可以连续实时观测整个待监测地表区域的形变，以及形变过程，具有突出的技术优点。并且，采用了无线数据传输模块，避免了有线数据连接带来的安装困难、各单元耦合严重的问题。

进一步，所述无线数据传输模块的无线传输频段为2.4ghz频段，并采用zigbee自组网协议栈作为网络协议；

所述现场位移探测阵列采用间歇式休眠工作模式，通过基站定时发送驱动信号唤醒所述现场位移探测阵列中的部分或全部激光探测单元，进行数据采集。

上述进一步方案的有益效果是：采用无线传输技术，将多个探测单元智能互联构成矩阵式监测阵列，改进了传统监测技术的单点监量，实现了区域面的监测。采用间歇式休眠工作模式，既能避免无线激光矩阵监测系统过度工作带来的发热、损坏，而且可以连续、实时观测待监测地表区域形变的近乎完整过程，帮助技术人员有效判断采矿沉陷、滑坡、裂缝等地表变形情况。

进一步，所述激光位移传感器包括激光发射器、激光接收器、处理器；所述处理器包括输入端、输出端、数据端，输入端与所述激光接收器的输出端连接，输出端与所述激光发射器的输入端连接，数据端作为所述激光位移传感器的数据端，与所述无线数据传输模块的数据端连接；所述激光位移传感器的数据端支持串口rs232数据输出和电压输出两种模式；

所述激光位移传感器在接收到所述驱动信号后启动，进行数据采集，通过所述激光发射器向对应的目标靶发送激光信号，通过所述激光接收器接收返回的携带二者位移信息的激光信号，通过所述处理器对返回的所述激光信号进行解析获取所述位移信息。

上述进一步方案的有益效果是：激光位移传感器和目标靶布设在待监测地表区域的形变区，能够测得二者的线性位移，进而获得待监测地表区域的形变结果。并且，上述进一步方案采用非接触式传感技术，克服了传感器安装耦合问题。

进一步，所述无线数据传输模块包括无线处理器、功率放大器、第一天线；

所述无线处理器采用wlt2408无线处理器；

所述功率放大器采用型号cc2591功率放大器；

所述第一天线采用rp-sma接口、50ω、3dbi、2.4ghz天线。

上述进一步方案的有益效果是：通过无线数据传输模式，减少了现场布线，使用时可根据监测需要灵活增加或减少监测节点数目，而不影响系统其他部件的工作。

进一步，所述基站包括无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理单元、第二天线、第三天线；所述数据处理单元包括第一数据端、第二数据端，所述第一数据端经所述无线传输网络路由与所述第二天线连接，所述第二数据端经所述远程网络传输单元与所述第三天线连接；

所述无线传输网络路由，用于通过第二天线进行所述基站与所述探测节点之间的双向数据通信；所述无线传输网络路由支持2.4ghz频段通信；

所述远程网络传输单元，用于通过第三天线进行所述基站和数据控制中心之间的双向数据通信；所述远程网络传输单元支持4g/3g/gprs通信；

所述数据处理单元，用于对所述现场位移探测阵列获取的所有位移信息结合对应的所述现场位移探测阵列的坐标信息进行数据处理。

上述进一步方案的有益效果是：上述进一步方案能够实时采集现场数据，并通过基站发送至远程的数据控制中心，通过计算机进行远程网络访问，实时、连续观测现场形变情况。

进一步，所述太阳能供电单元包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、dc-dc电源管理电路；所述充放电控制器包括输入端、第一输出端和第二输出端，其中，输入端与所述太阳能电池板的输出端连接，第一输出端与所述基站的供电端连接，第二输出端与所述蓄电池的输入端连接；

所述太阳能电池板，用于将太阳能转化成电能，并将所述电能输出至所述充放电控制器；

所述充放电控制器，用于对所述太阳能电池板输出的电能与基站运行所需预设电能进行比较，当所述太阳能电池板输出的电能大于基站运行所需预设电能时，控制所述蓄电池充电，而当所述太阳能电池板输出的电能小于基站运行所需预设电能时，控制所述蓄电池放电；

所述蓄电池，用于将所述太阳能电池板输出的电能大于基站运行所需预设电能的剩余部分进行存储，并在太阳能电池板输出的电能小于基站运行所需预设电能时，向基站供电；

所述dc-dc电源管理电路，用于将所述充放电控制器输出的电能进行电压转换，为所述基站的数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元供电。

上述进一步方案的有益效果是：由于基站的数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元供电的用电需求不一致，太阳能供电单元单独为基站的数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元分别进行独立供电。

进一步，所述太阳供电单元，提供3.3v、5v、9v的电源；其中，

所述3.3v电源为基站的所述数据处理单元供电；

所述5v电源为基站的所述无线传输网络路由供电；

所述9v电源为基站的所述远程网络传输单元供电。

上述进一步方案的有益效果是：通过dc-dc电源管理电路，将充放电控制器输出的电能转化成3.3v、5v、9v，分别为基站的数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元供电，且不影响各自工作。

另一方面，本发明实施例提供了一种使用上述无线激光矩阵监测系统进行地表形变监测的方法，包括如下步骤：

在待监测地表区域布设现场位移探测阵列；各激光探测单元之间的距离小于500m，且激光探测单元与目标靶之间跨越地表区域形变位置，二者之间无障碍物；无线数据传输模块的第一天线与地面的垂直高度不小于1m；

在待监测地表区域布设基站；所述基站与各激光探测单元之间距离小于1km，基站的第二天线和第三天线与地面的垂直高度不小于1.5m；

基站定时发送驱动信号控制所述现场位移探测阵列中的部分或全部激光探测单元启动；

所述现场位移探测阵列启动后，获取所启动的每个所述激光探测单元与对应的目标靶的位移信息，并将所有所述位移信息通过无线网络发送至所述基站；

所述基站接收所述现场位移探测阵列获取的上述所有位移信息，对所述位移信息进行数据处理，得到待监测地表区域的形变结果。

采用上述实施例的有益效果是：与现有技术的接触式现场监测仪器相比，上述方案采用m×n的现场位移探测阵列进行数据监测，可测量整个待监测地表区域的形变，以及形变过程，各个探测单元中激光位移传感器获取的位移信息是独立的，彼此之间不存在无干扰，因此无须担心安装耦合问题；与现有技术的遥感技术相比，上述方案可以连续实时观测整个待监测地表区域的形变，以及形变过程，具有突出的技术优点。并且，采用了无线数据传输模块，避免了有线数据连接带来的安装困难、各单元耦合严重的问题。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1无线激光矩阵监测系统组成示意图；

图2为本发明实施例2无线激光矩阵监测系统组成示意图；

图3为本发明实施例2激光探测单元组成示意图；

图4为本发明实施例2激光位移传感器组成示意图；

图5为本发明实施例2无线数据传输模块组成示意图；

图6为本发明实施例2基站组成示意图；

图7为本发明实施例2太阳能供电单元组成示意图；

图8为本发明实施例3使用无线激光矩阵监测系统进行地表区域形变观测的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统，如图1所示，该无线激光矩阵监测系统包括m×n个激光探测单元组成的m×n现场位移探测阵列、基站等。其中，m和n的数量根据待监测区域的面积大小和布设需求确定。现场位移探测阵列和基站之间通过无线网络进行双向数据传输。

现场位移探测阵列布设在待监测地表区域内，布设方式可采用均匀布设，用于监测该待监测地表区域内可能存在的采矿沉陷、滑坡、裂缝等地表变形情况。

每个激光探测单元配备一个对应的独立目标靶，该目标靶设置在对应的激光探测单元前方的预设距离处，二者构成一探测节点。所有探测单元对应的预设距离相同，即每个探测单元和对应的目标靶的位置关系在初始安装时就已经是固定好的。现场位移探测阵列，获取每个所述激光探测单元与对应的目标靶之间的位移信息，即线性位移，并将所有所述位移信息通过无线网络发送至基站。

基站，通过给现场位移探测阵列发送驱动信号，控制整个或局部现场位移探测阵列启动。基站，还接收启动后的现场位移探测阵列获取的上述所有位移信息，对所述位移信息进行数据处理，例如滤波、去噪、放大等，结合现场位移探测阵列各个激光探测单元的坐标信息，得到待监测地表区域的形变结果。

优选地，各个探测单元与基站之间能够通过自组网协议栈进行无线数据传送，避免因连线太多而造成安装困难。

优选地，该待监测地表区域的形变结果可以以三维位移图的形式进行显示，其中，x、y为探测单元的横纵坐标，z表示探测单元测得的位移或者位移变化量。

实施时，当待监测地表区域出现采矿沉陷、滑坡、裂缝时，激光探测单元与对应的目标靶的位置关系将发生变化。例如，激光探测单元与对应的目标靶二者之间发生裂缝或裂缝扩大时，二者之间的线性位移将增加，二者之间发生采矿沉陷、滑坡时，二者之间的线性位移也会发生变化，因此通过本实施例给出的无线激光矩阵监测系统将测得发生这一变化的具体坐标以及其变化大小，从而帮助专业人员作出待监测地表区域是否将发生采矿沉陷、滑坡、裂缝以及其具体位置的判断。

与现有技术相比，本实施例采用的是非接触式的激光探测单元，克服了现有接触式现场监测仪器具有的安装耦合问题。通过矩阵式探测单元的布设，多个探测单元之间能够通过自组网协议栈进行无线数据传送，避免了连线太多带来的的安装困难，通过基站进行数据处理可将传统的点监测转换为面监测，能够为滑坡体、矿区塌陷、裂缝的区域性形变监测提供更多、更可靠的数据。

实施例2

在实施例1的基础上进行优化，用于地表区域形变观测的无线激光矩阵监测系统还包括太阳能供电单元、数据控制中心，如图2所示。

太阳能供电单元的输出端与基站的供电端连接，为基站运行提供电源。现场位移探测阵列内设可替换电源，由专业技术人员定期进行替换，并不使用太阳能供电单元进行供电。

数据控制中心，对不同待监测地表区域内所有基站的处理结果进行进一步分析，并展示，有助于找到地表区域形变最先开始或最严重的位置。数据控制中心包括计算机，支持4g/3g/gprs通信，对应地，基站的远程数据传输也支持4g/3g/gprs通信。

优选地，每个激光探测单元包括激光位移传感器、无线数据传输模块，其连接关系如图3所示，激光位移传感器与无线数据传输模块之间电气连接。每个激光位移传感器配备一个无线数据传输模块，二者设置于一处预设位置处，构成一个探测节点(即单个信息采集节点)。本实施例中，激光位移传感器布设在地表，无线数据传输模块布设在其地表支架上，二者放置于同一坐标位置。激光位移传感器是一种基于激光测距原理的非接触式位移探测器。

具体地，如图4所示，激光位移传感器包括激光发射器、激光接收器、处理器等，其外部接口包括数据接口、供电接口等。激光位移传感器由无线数据传输模块传输来的驱动信息号控制其启动，进行数据采集。激光位移传感器通过数据接口与无线数据传输模块进行电气连接。该数据接口支持串口rs232数据输出和电压输出两种模式。

处理器作为激光位移传感器的核心，包括输入端、输出端、数据端，输入端与激光接收器的输出端连接，输出端与激光发射器的输入端连接，数据端作为激光位移传感器的数据端(数据接口)，与所述无线数据传输模块的数据端连接。

优选地，激光位移传感器可采用现有的yf-yj10激光位移传感器。

具体地，无线数据传输模块包括无线处理器、功率放大器、第一天线，如图5所示。无线处理器通过功率放大器与第一天线连接。其外部接口包括数据接口。无线数据传输模块，接收所述基站发送的驱动信号，将所述驱动信号传输至对应的激光位移传感器控制其启动，并且，将所述激光位移传感器获取的位移信息通过无线网络发送至基站。

无线数据传输模块的无线传输频段采用2.4ghz频段，并采用zigbee自组网协议栈作为网络协议。无线数据传输模块通过串口线连接激光位移传感器，驱动激光位移传感器采集数据。

具体地，无线处理器采用wlt2408无线处理器。功率放大器采用型号cc2591功率放大器。第一天线采用rp-sma接口、50ω、3dbi、2.4ghz天线。cc2530芯片内部驻留兼容zigbee协议半开源的协议栈z-stack作为网络协议，具有智能自组网功能。协议栈z-stack网络协议采用簇树状网络的父子节点和网状网的路由表设计。

优选地，如图6所示，基站包括无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理单元、第二天线、第三天线。数据处理单元包括第一数据端、第二数据端，第一数据端经无线传输网络路由与第二天线连接，第二数据端经远程网络传输单元与第三天线连接。

优选地，第二天线可采用rp-sma接口、50ω、3dbi、2.4ghz天线，第三天线可采用cdma3dbi天线。无线传输网络路由可采用基于zigbee的wlt2408模块，远程网络传输单元可采用基于cdma2000ev-do网络的zwd-35a无线数据传输模块，数据处理单元可采用stm32f103数据处理器。

具体地，无线传输网络路由，通过第二天线进行基站与探测节点之间的双向数据通信。无线传输网络路由，负责接收各信息采集节点的位移信息并经rs232串口通信发送至远程网络传输单元。远程网络传输单元，通过第三天线进行基站和数据控制中心之间的双向数据通信；远程网络传输单元支持4g/3g/gprs通信。

可选地，数据处理单元可采用计算机，对现场位移探测阵列获取的所有位移信息进行数据处理，把信息采集节点的位移信息与对应的信息采集节点的坐标信息进行结合，生成三维的待监测地表区域的形变结果。数据处理单元对现场位移探测矩阵采集的数据进行前期处理后，由第三天线通过已覆盖的4g/3g/gprs网络将数据发送至数据控制中心。并且，数据处理单元定时向探测节点发送唤醒信号，唤醒激光探测单元工作。

优选地，如图7所示，太阳能供电单元包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、dc-dc电源管理电路。充放电控制器包括输入端、第一输出端和第二输出端，其中，输入端与太阳能电池板的输出端连接，第一输出端与基站的供电端连接，第二输出端与蓄电池的输入端连接。

优选地，充放电控制器可采用solarctk3a，蓄电池可采用sail55d23l-12v。

具体地，太阳能电池板，将太阳辐射的太阳能转化成电能，并将该电能输出至充放电控制器。充放电控制器，对太阳能电池板输出的电能与基站运行所需预设电能进行比较，当所述太阳能电池板输出的电能大于基站运行所需预设电能时，控制所述蓄电池充电，具体地，将所述太阳能电池板输出的电能中供基站运行所需预设电能经所述第一输出端输出至基站进行供电，剩余电能经所述第二输出端输出至所述蓄电池进行充电；当所述太阳能电池板输出的电能小于基站运行所需预设电能时，控制所述蓄电池放电，具体地，根据所述太阳能电池板输出的电能和所述蓄电池释放的电能之和等于基站运行所需预设电能，控制蓄电池放电，并将所述太阳能电池板输出的电能和所述蓄电池释放的电能经所述第一输出端输出至基站供电。

蓄电池，将太阳能电池板输出的电能大于基站运行所需预设电能的剩余部分进行存储，并在太阳能电池板输出的电能小于基站运行所需预设电能时，向基站供电。

dc-dc电源管理电路，将所述充放电控制器输出的电能进行电压转换，为所述基站的数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元供电。本实施例中dc-dc电源管理电路功能仅涉及电压转换，因此采用电压转换器即可实现相应功能，本领域技术人员能够理解，此处不进行赘述。通过dc-dc电源管理电路，太阳供电单元提供3.3v、5v、9v的电源；其中，3.3v电源为基站的数据处理单元供电；5v电源为基站的无线传输网络路由供电；9v电源为基站的远程网络传输单元供电。

实施时，激光位移传感器在接收到驱动信号后启动，进行数据采集，通过激光发射器向对应的目标靶发送激光信号，通过激光接收器接收返回的携带二者位移信息的激光信号，通过处理器对返回的所述激光信号进行解析获取位移信息。

激光位移传感器测得该探测节点的线性位移，无线数据传输模块将该位移数据通过无线网络，即局域网，发送至基站，经过基站数据处理单元的数据处理后，通过远程网络传输单元发送至远程的数据控制中心，进行进一步分析、处理。

与实施例1相比，本实施例提供的用于连续观测地表区域形变的激光矩阵监测系统作了多方面优化，提供了便于野外监测的电源设置及便于多个待监测地表区域同时进行远程监视，能够依据监测矩阵能够更好地对沉陷区、滑坡区、裂缝区的地表形变情况进行监测。

实施例3

本发明的一个具体实施例，公开了一种使用实施例2所述的无线激光矩阵监测系统进行地表区域形变观测的方法，如图8所示，包括如下步骤：

s1.在待监测地表区域布设现场位移探测阵列，各激光探测单元之间距离应小于500m，且激光探测单元与目标靶之间跨越地表区域形变位置，二者之间无障碍物；无线数据传输模块的第一天线与地面的垂直高度不小于1m。探测节点可按照横纵坐标布设总数量为2～126个。

s2.在待监测地表区域布设基站，基站与各激光探测单元之间距离应小于1km，基站的第二天线和第三天线与地面的垂直高度应不小于1.5m，一般，一个待监测地表区域内只布设一个基站。

s3.基站定时发送驱动信号唤醒现场位移探测阵列中的部分或全部激光探测单元，以进行数据采集。

s4.现场位移探测阵列启动后，获取所启动的每个激光探测单元与对应的目标靶之间的位移信息，并将所有位移信息通过无线网络发送至基站，以进一步分析。

s5.基站接收到现场位移探测阵列获取的上述所有位移信息后，对所述位移信息进行数据处理，得到待监测地表区域的形变结果。并可以将待监测地表区域的形变结果通过第三天线发送至数据控制中心进行进一步处理、分析。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。