一种形变监测与地形重构方法与流程

本发明涉及雷达监测技术领域，具体涉及一种形变监测与地形重构方法。

背景技术：

边坡地质灾害预警一直是矿山监测、地质勘测、应急救援等应用的关键任务之一，而相对于位移计、北斗差分监测设备、水准仪等常规监测技术手段，采用地基雷达进行远距离遥感监测的方式不受雨、雪、雾等气候影响和强光、夜晚等光照影响，测量精度达亚毫米级，可对大范围场景进行全面和快速测量，综合使用成本低，是一种极有前景的边坡形变监测技术手段。

目前已有的地形重构算法主要如下：当获得两个接收通道的数据后，可以形成两幅多视雷达图像，一般可定义其中一幅为主图像，另一幅为辅图像。通过雷达的主、辅两幅图像，就可以利用相位干涉技术估计高程，如图4所示，但当接收天线之间的基线距离不满足远小于斜距时，使用此方法计算高程时会存在较大误差，无法满足计算精度要求。

综上所述，急需一种形变监测与地形重构方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种形变监测与地形重构方法，以解决边坡监测的形变监测和地形重构问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种形变监测与地形重构方法，包括以下步骤：

步骤a：通过雷达监测装置获取雷达图像，所述雷达监测装置设有两个或两个以上的接收天线；

步骤b：对各个接收天线监测过程中接收的雷达图像进行时间序列差分干涉处理，再综合各个接收天线得到的真实形变值形成监测场景的形变信息；

步骤c：在监测场景范围内架设多个角反射器，通过雷达监测装置对监测范围内进行地形重构，对不同接收天线获取的雷达图像进行干涉合成孔径雷达成像，形成高程信息并对监测场景进行地形重构；

步骤d：通过gnss测量各角反射器中心处的位置信息，得到雷达监测装置测量高程的误差修正参数，并对步骤c中的高程信息进行误差修正，最终输出修正后的地形重构信息。

优选的，所述步骤b中，接收天线的个数为n个，n≥2；第i个接收天线对应的形变值δdi由相邻的两帧雷达影像通过相位干涉计算得到，采用表达式1)进行计算：

其中，c为光速，fc为雷达工作频率，φt和φt-1分别为当前时刻和前一时刻测得的相位值；雷达载波波长为λ，当|δdi|≤λ时，δdi与第i个接收天线对应的真实形变值相等，当δdi|＞λ时，对δdi进行相位解缠后获得第i个接收天线对应的真实形变值。

优选的，所述步骤b中，监测场景的形变信息d采用表达式2)计算：

优选的，所述步骤c中采用表达式7)进行地形重构：选取两个接收天线s1和s2，对监测点t进行地形重构，得到监测点t的高程ht:

其中，h1是接收天线s1的中心高度，r1和r2分别是接收天线s1和s2到监测点t的距离，b是s1到s2的基线长度，θ为接收天线s1的中心与地面的连线和接收天线s1到监测点t的连线两者之间的夹角，β为基线与水平面所呈的姿态角。

优选的，所述步骤d中，角反射器的个数为m个，m≥3；通过表达式8)得到第j个角反射器的高程误差δhj：

δhj＝hgj-hjj8)；

其中，hgj为通过gnss测得的第j个角反射器的高程，hjj为通过表达式7)地形重构得到的第j个角反射器的高程；

第j个角反射器到接收天线s1和s2的距离均值为lj，则地形重构的高程修正参数δht采用表达式9)计算：

进行误差修正后的高程值ht采用表达式10)计算：

ht＝ht+δht10)。

优选的，所述步骤c中，接收天线s1和s2到监测点t的距离r1和r2是通过合成孔径成像算法得到的。

优选的，所述步骤d中，通过gnss测量了角反射器中心处在wgs84坐标系下的坐标，同时通过雷达监测装置测量角反射器中心处在雷达监测坐标系中的坐标，得出wgs84坐标系与雷达监测坐标系中坐标的仿射变换参数，并把所有雷达监测点在雷达监测坐标系下的坐标转换为wgs84坐标系统下的经纬度坐标。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过设置多个接收天线，对各个接收天线监测过程中接收的雷达图像进行时间序列差分干涉处理，综合各个接收天线收到的形变信息，得到边坡的形变信息，同时通过对不同接收天线获取的雷达图像进行干涉合成孔径雷达成像，形成高程信息并对场景进行地形重构，完成对边坡的监测。

(2)本发明中，通过对单个接收天线的两帧雷达影像进行相位干涉计算，可快速得出单个接收天线监测到的边坡形变信息。

(3)本发明中，通过对所有接收天线的真实形变值综合求解，得出最终的监测场景的形变信息d，可提升形变信息的可靠性，减少监测误差。

(4)本发明中，选取两个接收天线s1和s2，通过余弦定理求解监测点的高程值，过程简便，且不受基线距离和斜距的约束，扩大了地形重构算法的适用范围。

(5)本发明中，通过设置角反射器，利用gnss测量角反射器的高程，可得到地形重构的高程修正参数，可对地形重构中的高程值进行修正后再输出，提升地形重构的精度。

(6)本发明中，通过合成孔径成像算法计算后进行相位解缠和误差修正得出接收天线到监测点的斜距，能提升斜距测量的精度。

(7)本发明中，通过对比角反射器在gnss测量时和雷达监测装置测量时的坐标，得出坐标的仿射变换参数，可以将所有雷达监测点在雷达监测坐标系下的坐标转换为wgs84坐标系统下的经纬度坐标。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例中雷达监测装置的结构示意图；

图2是本申请实施例中雷达监测装置的侧视图；

图3是本申请实施例中地形重构算法的原理图；

图4是现有技术中地形重构的流程图；

其中，1、底座，2、转轴，3、转臂，4、天线架，5、发射天线，6、接收天线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例：

参见图1至图4，一种形变监测与地形重构方法，本实施例应用于边坡监测。

一种形变监测与地形重构方法，采用如图1所示的雷达监测装置，该雷达监测装置包括设置在底座1上的转轴2，与转轴2连接的转臂3，转臂3可绕转轴2进行360°旋转，也可根据测量要求在指定扇形区域内旋转；转臂3远离转轴2的一端铰接有天线架4，天线架4可相对于转臂3调节俯仰角度，调节范围为±45°；天线架4上设有发射天线5和接收天线6，本实施例中，雷达监测装置设有一个发射天线5和两个接收天线6(分别为接收天线s1和接收天线s2)，如图2所示；本实施例中，发射天线5和两个接收天线6均采用正方形的喇叭天线，其中，两个接收天线6沿垂直方向列，两接收天线6之间的中心距离间隔至少为正方形喇叭天线的两倍边长；发射天线5的中心设于两接收天线6中心线的中垂线上，且发射天线5中心点距离接收天线6中心点连线的距离不少于3倍天线边长，使接收天线6接收的信号之间不会形成干涉，并且在测量范围内形成接收天线6之间的基线，能够有效的进行地形重构，达到精度要求。采用上述雷达监测装置进行边坡形变监测和地形重构的方法包括以下步骤：

步骤a：通过雷达监测装置获取雷达图像，所述雷达监测装置设有两个或两个以上的接收天线；

步骤b：对各个接收天线监测过程中接收的雷达图像进行时间序列差分干涉处理，综合各个接收天线得到的真实形变值形成监测场景的形变信息；

步骤c：在监测场景范围内架设多个角反射器，通过雷达监测装置对监测范围内进行地形重构，对不同接收天线获取的雷达图像进行干涉合成孔径雷达成像，形成高程信息并对监测场景进行地形重构；

步骤d：通过gnss测量各角反射器中心处的位置信息，得到雷达监测装置测量高程的误差修正参数，并对步骤c中的高程信息进行误差修正，最终输出地形重构信息。

其中，步骤b中接收天线的个数为n个，n≥2；第i个接收天线对应的形变值δdi由相邻的两帧雷达影像通过相位干涉计算得到，采用表达式1)计算接收天线s1和接收天线s2测得的形变值：

其中，c为光速，fc为雷达工作频率，φt和φt-1分别为当前时刻和前一时刻测得的相位值；雷达载波波长为λ，当|δdi|≤λ时，δdi与第i个接收天线对应的真实形变值相等，当δdi|＞λ时，对δdi进行相位解缠后获得第i个接收天线对应的真实形变值。

雷达监测装置的第i个天线(i＝1,2,......n)对应的真实形变值为δdi，对n个接收天线的真实形变值求均值，输出的监测场景的形变信息d为：

分别对接收天线s1和接收天线s2接收的雷达图像进行时间序列差分干涉处理，通过表达式1)～表达式2)可得出接收天线s1得到的真实形变值δd1、得出接收天线s2得到的真实形变值δd2，则最终输出的监测场景(边坡)的形变信息d为：

步骤c中，在雷达监测范围内选取地质稳固点架设3个以上的角反射器，通过gnss或者全站仪等测得各个角反射器中心处的wgs84坐标系(worldgeodeticsystem一1984coordinatesystem)下经纬度和高程；

当雷达监测范围确定，由于雷达监测装置的角度分辨率和距离分辨率不变，因此每个雷达监测点的位置也固定。每帧雷达影像先通过综合相干系数、信噪比、相位稳定性多阈值对监测区域进行ps(永久散射)点筛选，确定角反射器在雷达监测坐标系中的位置。雷达监测坐标系是指，以雷达转轴为中心的极坐标系；

通过各角反射器在雷达监测坐标系下的坐标与wgs84坐标系下的坐标，计算出从雷达监测坐标系统转换为wgs84坐标系统的坐标仿射变换参数；通过坐标仿射变换参数，把所有雷达监测场景范围内的监测点在雷达监测坐标系下的坐标转换为wgs84坐标系统下的经纬度坐标，并作为监测点的经纬度坐标结果输出；

通过本申请的地形重构方法，算出雷达监测场景范围内所有监测点的高程值(包括各角反射器的高程值)：如图3所示，x轴正向为指向纸面外，y轴的正向为水平向右，z轴的正向为竖直向上；接收天线s1和接收天线s2到监测点t的斜距分别为r1和r2，是通过合成孔径成像算法得到后进行相位解缠和误差修正后得到的距离值；h1是接收天线s1的中心高度；b是s1到s2的基线长度，θ为接收天线s1的中心与地面的连线和接收天线s1到监测点t的连线两者之间的夹角，β为基线与水平面所呈的姿态角，γ为接收天线s1对监测点t的俯视角，则监测点t的高程ht为：

ht＝h1-r1cosθ4)；

θ＝90°-γ5)；

联立表达式4)～表达式6)可得：

步骤d中，由表达式7)得到雷达监测场景范围内各监测点的高程，其中，角反射器的个数为m个，m≥3；通过表达式8)得到第j个角反射器的高程误差δhj：

δhj＝hgj-hjj8)；

其中，hgj为通过gnss测得的第j个角反射器的高程，hjj为通过表达式7)地形重构得到的第j个角反射器的高程；由于通过gnss测得的高程值精度较高，以hgj为真值；

第j个角反射器到接收天线s1和s2的距离均值为lj，j＝1,2,......,m，则地形重构的高程修正参数δht为：

进行误差修正后的高程值ht为：

ht＝ht+δht10)。

雷达监测装置最终输出信息包括监测场景的形变信息和地形重构信息，包括：雷达监测范围内监测点的形变量d(远离雷达视线方向为正，靠近雷达视线方向为负)、监测点的高程ht，监测点在wgs84坐标系下的经纬度坐标。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。