用于测量待监测地段的断层宽度的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及地震学和火山学领域，尤其涉及对称为“不稳定地段”的问题地段的监测，更具体地，涉及对这种地段上的断层的监测。在这点上，本发明尤其涉及一种将被布置在监测地段的反射总成，从观察点对该地段进行监测，电磁波从该观察点指向该反射总成。本发明还涉及一种借助于该反射总成来监测地段的方法。
【专利说明】
用于测量待监测地段的断层宽度的系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及地震学和火山学领域，尤其涉及对称为“不稳定地段”的地段的监测，更具体地，涉及对这种地段上的断层的监测。
【背景技术】
[0002]被称为“不稳定”的地段是指随时间的推移形成变型对象的陆地地区，所述变型是关于该地区是否为自然，其中这些改变对应于大规模运动(例如，地裂)，或是关于其是否随时间的推移被局部化或位于该地区的一些部分(例如，岩崩)。
[0003]通常，使用光纤破裂检测器或有线测距仪类单元(伸长计、超声波探伤仪、倾斜计等)来监测不稳定地段。
[0004]然而，这些监测技术并非十分令人满意，因为其要求在该地段监测的所有点均配备有有源设备。
[0005]还可使用处于差动配置的GPS无线电定位系统。
[0006]这里，这些GPS无线电定位系统也是需要本地电源的有源设备。
[0007]为了纠正这些缺点，文献EPO 811 854提出一种使用与布置在待监测的不稳定地段的反射总成相关联的雷达波的方法和设备，其尤其用于监测断层的扩展(或者地带或建筑物的运动)。这种总成包含三个反射元件，其将被放置在所监测的断层的任一侧，包括必须精确定向以正确地反射源自另一反射元件的电磁波的平面镜。
[0008]但是，这种技术具有缺点。其仅能实现对断层运动的横向测量，并且需要反射元件精确放置在断层的任一侧以避免定向误差。
【发明内容】
[0009]提出本发明以克服上述缺点。为此，根据第一方面，提出一种被设计成布置在监测地段的反射总成，从观察点监测所述地段，将电磁波从观察点指向所述反射总成，其中所述反射总成包含:
[0010]第一单元，其包含三面角反射器(trihedral ref I ec tor)和二面角偏转器(dihedral deflector)，所述三面角反射器包含顶点；
[0011 ]第二单元，其包含第一三面角反射器，所述第一三面角反射器包含顶点；
[0012]其中，第一和第二单元相对于彼此布置，从而使第一单元的三面角反射器将从所述观察点接收的电磁波向观察点反射，并且使所述二面角偏转器将源自所述观察点的、并在已由二面角偏转器向第二单元的第一三面角反射器偏转之后从所述第二单元的第一三面角反射器接收的电磁波向所述观察点偏转。
[0013]所述反射总成可包含第二三面角反射器，所述第二三面角反射器包含顶点，所述第二单元被调适成使得所述第二三面角反射器将观察点接收的入射电磁波沿其入射方向直接反射。
[0014]根据第二方面，本发明提出一种借助于根据本发明第一方面的反射总成来监测地段的方法，其包含以下步骤:
[0015]-借助于布置在从其监测所述地段的观察点处的电磁波传输/接收单元向反射总成传输电磁波；
[0016]-通过所述传输/接收单元获取由所述第一和第二单元反射的电磁波；
[0017]-对所述获取到的电磁波进行处理以自其推断第一光程和第二光程的长度；
[0018]-从所得的光程的长度确定所述第一单元的反射器的顶点与所述第二单元的第一反射器的顶点之间的距离，所述距离为所述待监测地段的特征。
[0019]有利地，根据本发明第二方面的方法是通过以下特征来完成，所述特征可被单独采用或以其技术上可行的任一组合来采用:
[0020]-从光程的长度确定观察点与第一单元的反射器的顶点之间的距离；
[0021]-第二单元包含第二三面角反射器，所述第二三面角反射器包含顶点，对所获取的电磁波进行处理以自其推断第三光程的长度，从而确定观察点与第二单元的第二反射器的顶点之间的距离；
[0022]-通过传输/接收单元在几个时刻获取由所述第一和第二单元反射的电磁波以估算所估算的距离中的至少一个的变化，并自其推断所述监测地段的任何移动；
[0023]-电磁波传输/接收单元为单基地雷达，并且其中，为了自其推断第一光程的长度和第二光程的长度中的至少一个，以雷达回波的到达顺序、监测地段的观察方向和监测地段的观察频带来对接收到的对应于监测地段尺寸的雷达回波进行分类。
[0024]根据第三方面，本发明提出一种地段监测系统，包含:根据本发明第一方面的反射总成;电磁波传输/接收单元;以及处理单元，其被配置成执行根据本发明第二方面的方法。
[0025]根据第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包含:代码指令，其用于在被处理器执行时执行根据本发明第二方面的方法。
[0026]本发明具有诸多优点。
[0027]可从观察点获得断层的径向和法线方向上的同时测量。
[0028]此外，由于元件紧凑，因此易于在待监测地段安装不同的元件;元件数量较少，并且容许定向误差。
【附图说明】
[0029]以下描述可显现本发明的其它特征、目的和优点，这些描述仅为说明性的而非限制性的，并且必须结合附图来理解这些描述。在附图中:
[0030]图1示出根据本发明的对地段的监测；
[0031]图2示出根据第一或第二实施例的用于监测地段的方法的步骤。
[0032]在所有附图中，相似的元件具有相同的参考数字。
【具体实施方式】
[0033]本文中规定，“三面角反射器(trihedral ref lector)”表示包含三个平面的反射器，其中所述三个平面可具有除三角形以外的形状，可反射电磁波，并且两两正交并在被称为顶点的点处组合。
[0034]这种类型的三面角反射器的熟知技术效果为:不管光线的入射角多大，其均可将入射光线向其到达方向反射，这使得三面角反射器相对于定向不确定性较为稳固。在可见光领域，这种反射器被称为回射器(retroreflector)。通过扩展，术语“三面角反射器”还涵盖回射器以及具有相同技术效果的楞勃透镜。
[0035]图1示出根据本发明的对地段的监测。具有地，该地段包含将借助于包含反射总成10和电磁波传输/接收单元UE/R的监测系统进行监测的断层F。将反射总成10定位在该不稳定地段以监测断层F(尤其断层F的宽度)。
[0036]反射总成包含布置在断层F的一侧的第一单元I和布置在断层F的另一侧的第二单元2 ο
[0037]从观察点O观察该地段，其中电磁波传输/接收单元UE/R布置在观察点0，所述传输/接收单元UE/R被配置成从该地段的观察点O传输指向反射总成的电磁波。指明了，观察点O可不同于从其传输电磁波的点。
[0038]优选地，传输/接收单元Ue/r为单基地雷达。具有地，其为传输频率约为22GHz且带宽约为SGHz的宽频带传输。其包含具有抛物面反射器的一个或多个传输和接收天线。每个天线具有38dB左右的增益和在3dB处约为1.7°的开度角。所述雷达在Ikm处照射的区域具有30m左右的直径。使用探视器使雷达指向待监测地段。
[0039]第一单元I包含三面角反射器Rl，三面角反射器Rl包含顶点SI和二面角偏转器Dl。
[0040]第二单元2包含第一三面角反射器R2，第一三面角反射器R2包含顶点S2。
[0041]第一单元I的三面角反射器Rl的顶点和第二单元2的第一三面角反射器R2的顶点为基准点，并且当将第一单元I和第二单元2布置在待监测地段时，其被完美定位。以此方式，可将第一单元I的三面角反射器Rl的顶点和第二单元2的第一三面角反射器R2的顶点定位在断层F的任一侧。
[0042]在断层F的任一侧，配置第一单元I和第二单元2使得三面角反射器Rl将其接收的电磁波直接向观察点O反射，并且使得第一单元I的二面角偏转器Dl在已向第一反射器R2偏转电磁波之后将其从第二单元2的第一反射器R2接收的电磁波向此观察点O偏转。
[0043 ]由此，源自传输/接收单元Ue/r的指向反射总成1的电磁波回过来产生已传播经过以下光程的电磁波:
[0044]第一光程El，其使得源自传输/接收单元UE/R的电磁波由二面角偏转器Dl向第二单元2的第一反射器R2偏转，第一反射器R2向二面角偏转器Dl反射波束，使得该二面角偏转器Dl继而向传输/接收单元Ue/r偏转波束；
[0045]第二光程E2，其使得源自传输/接收单元UE/R的电磁波由三面角反射器Rl向传输/接收单元Ue/r反射。
[0046]假定二面角偏转器Dl和三面角反射器Rl的位置已知，则第一和第二光程El、E2在第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间产生距离dsi—s2。
[0047]在放置第一单元I和第二单元2使得在第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离(151-52局部垂直于断层F并且地段的变形为与断层壁延展分离的移动的情况下，对第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离ds1-s2的变化的测量提供对断层F的宽度变化的直接测量。
[0048]在其它情况下，估算断层F的宽度变化要求一方面对此变化的径向分量进行估算，即，根据第一单元的三面角反射器的顶点SI的观察方向(在观察点O与第一单元I的三面角反射器的顶点SI之间取得的方向)的分量，并且另一方面对横向分量进行估算，S卩，根据垂直于此观察方向的方向的分量。
[0049]此外，反射总成10使得第二单元2包含，除了第一三面角反射器R2之外，第二三面角反射器R2’，所述第二三面角反射器R2’包含顶点S2’。
[0050]因此，指向反射总成10的源自传输/接收单元UE/R的电磁波回过来产生已传播经过，除第一光程El和第二光程E2之外的，第三光程E3的电磁波，从而使源自传输/接收单元Ue/r的电磁波由第二单元2的第二反射器R2’向传输/接收单元UE/R反射。此第三光程E3的长度使能获得观察点O与第二单元2的第二反射器R2’的顶点S2’之间的距离。
[0051]借助于第二单元2的第二三面角反射器R2’，可将第一单元I的三面角反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离ds1-s2的变化一方面分解为此距离ds1-s2的径向变化，此径向变化可从在观察点O与第一单元I的三面角反射器Rl的顶点SI之间测量的距离do-S1和在观察点O与第二单元2的第二反射器R2’的顶点S2之间测量的距离do-S2，之间的差计算；另一方面，可将距离dS1-S2的变化分解为第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离ds1-s2的横向变化，此横向变化可从第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第二反射器R2’的顶点S2’之间的距离dsl—S2的变化和此距离的径向变化来计算。给定第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离相对于断层的定向，此第二三面角反射器的添加因此将断层的壁距离的延展与这些壁的相对滑动进行了区分。
[0052]除反射总成10之外，监测系统还包含:处理单元20，其被配置成执行下文关于图2描述的用于监测不稳定地段的方法。
[0053]在第一步骤100，从观察点O传输从传输/接收单元Ue/r指向反射总成I的电磁波。
[0054]在第二步骤200，借助于传输/接收单元UE/R获取由所述第一和第二单元反射的电磁波。
[0055]在第三步骤300，对所获取的电磁波进行处理以自其推断第一和第二光程El和E2的长度。
[0056]接着，在第四步骤400，确定第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第二单元2的第一反射器R2的顶点S2之间的距离ds1-s2，此距离ds1-s2为待监测地段的特征，一方面，其获自第一光程El的长度减去第二光程E2的长度，另一方面，其获自相对于第一单元I的反射器Rl的顶点SI的观察方向的定向的知识以及第一单元I的反射器Rl的顶点SI与第一单元I的偏转器Dl之间的直线段的长度的知识。
[0057]此外，若第二单元2包含第二三面角反射器R2’，其包含顶点S2’，则在第四步骤4中，可估算观察点O与第二单元2的第二反射器R2 ’的顶点S2 ’之间的距离dQ-S2，。
[0058]有利地，在几个时刻确定上文获得的距离，电磁波的获取发生在几个时刻处以估算距离do—S1、dS1—S2、do—S2，、dQ—S2随时间推移的变化，从而自其推断所述监测地段的任何运动。
[0059]在电磁波传输/接收单元UE/R为单基地雷达的情况下，为了自其推断不同的光程，以雷达回波的到达顺序对接收的雷达回波进行分类;给定反射总成的不同元件的位置，则可区分其之间的不同光程。
[0060]具有地，长于第二光程E2和第三光程E3的第一光程El对应于将在其它雷达回波之后到达的雷达回波。
[0061]下文描述了在传输/接收单元Ue/r为单基地雷达的情况下对观察点O与第一单元I的反射器的顶点SI之间的距离或观察点O与第二单元2的第二反射器R2’的顶点S2’之间距离的确定。
[0062]I)通过以相对于传输的时延的函数来分析接收的信号，可概略地标记反射器的距离。精度为等效于传输脉冲的持续时间的长度(对于持续时间约为几十毫微秒的脉冲，其约为几米)。
[0063]2)对传输频带上的所有频率执行综合脉冲响应处理，其可实现对8GHz的带宽产生例如约为18mm的距离分辩率(径向或横向)。
[0064]3)由反射器以局部噪声执行超分解处理，其可实现以取决于反散射信号的能量比的增大精度对回波进行定位，其中所述反射器被形成尺寸为使此能量比足够大。例如，此超分解处理执行本领域的技术人员习知的PRONY或BURG型算法，其采用用于脉冲响应合成的总谱的上部和下部之间的移相。在单基地雷达的情况下，此处理可实现I到2mm的距离估算精度。
[0065]4)随后，分析反散射信号的相位，对于半波长(6mm)的距离变化，其变化360°。后者处理可进一步细化测量(然而，受限于信号/噪声比)以最终获得0.05mm的距离估算精度。
【主权项】
1.一种反射总成(10)，其被设计成布置在监测地段，从观察点(O)监测所述地段，其中电磁波从所述观察点(O)指向所述反射总成(10);所述反射总成(10)包含: 第一单元(I)，其包含三面角反射器(Rl)和二面角偏转器(Dl)，所述三面角反射器(Rl)包含顶点(SI); 第二单元(2)，其包含第一三面角反射器(R2)，所述第一三面角反射器(R2)包含顶点(S2); 其中，所述第一单元(I)和第二单元(2)相对于彼此布置，使得所述第一单元(I)的三面角反射器(Rl)将从所述观察点(O)接收的电磁波向所述观察点(O)反射，并且使得所述二面角偏转器(Dl)将源自所述观察点(O)的、并且在已由所述二面角偏转器(Dl)向所述第二单元(2)的第一三面角反射器(R2)偏转之后从所述第二单元(2)的第一三面角反射器(R2)接收的电磁波向所述观察点(O)偏转。2.根据权力要求I所述的反射总成，其中，所述第二单元(2)包含第二三面角反射器(R2’)，其包含顶点(S2’)；所述第二单元(2)被调整成使得所述第二三面角反射器(R2’)从观察点接收的入射电磁波沿其入射方向直接反射。3.—种借助于根据前述权利要求中的一项的反射总成(10)来监测地段的方法，包含以下步骤: -借助于被布置在从其监测所述地段的观察点(O)处的电磁波传输/接收单元(UE/R)向反射总成(1)传输电磁波； -通过所述传输/接收单元(Ue/r)获取由所述第一单元和第二单元反射的电磁波； -对获取到的电磁波进行处理以自其推断第一光程(El)和第二光程(E2)的长度； -从所得的光程(El，E2)的长度确定第一单元(I)的反射器(Rl)的顶点(SI)与第二单元(2)的第一反射器(R2)的顶点(S2)之间的距离，所述距离为所述待监测地段的特征。4.根据前述权利要求所述的方法，其中，从所述光程(El，E2)的长度确定观察点(O)与所述第一单元(I)的反射器(Rl)的顶点(SI)之间的距离(dQ-S1)。5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第二单元(2)包含第二三面角反射器(R2 ’)，所述第二三面角反射器(R2 ’)包含顶点(S2’)，对所获取的电磁波进行处理以自其推断第三光程(E3)的长度，从而确定观察点与所述第二单元(2)的第二反射器(R2’)的顶点(S2’)之间的距离(do—S2，)。6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中， 由所述传输/接收单元(Ue/r)在几个时刻获取由所述第一单元和所述第二单元反射的电磁波从而估算所估算的距离(do-S1，ds1-s2，do-S2，，do-S2)中的至少一个的变化并自其推断所述监测地段的任何移动。7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，电磁波传输/接收单元(UE/R)为单基地雷达，并且其中，为了自其推断第一光程(El)的长度和第二光程(E2)的长度中的至少一个，以雷达回波的到达顺序、监测地段的观察方向以及监测地段的观察频带来对接收到的对应于监测地段的尺寸的雷达回波进行分类。8.—种用于监测地段的系统，包含:根据权利要求1或2所述的反射总成(10);电磁波传输/接收单元(Ue/r);以及被配置成执行根据权利要求3至7中的一项所述的方法的处理单元(20)。9.一种计算机程序产品，包含:代码指令，其用于在被处理器执行时执行根据权利要求3至7中的一项所述的方法。
【文档编号】G08B21/10GK105899972SQ201480066741
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月4日
【发明人】弗朗索瓦·勒迈特
【申请人】奥尼拉(国家宇航研究所)