一種山體滑坡的mimo雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及監(jiān)測(cè)山體滑坡的雷達(dá)技術(shù)，具體為基于步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù) (SFCW)的一種山體滑坡的M頂0 (為多輸入多輸出的英文縮寫(xiě)，英文原文為Multi-input Multi-output)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑坡是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，關(guān)于山體滑坡的事故常有報(bào)道。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó) 每年因滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害死亡人數(shù)，占各類自然災(zāi)害死亡人數(shù)的四分之一?；?坡對(duì)人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅，因此對(duì)滑坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警研究的要求 日益緊迫。
[0003] 要避免山體滑坡造成傷害，有效方法之一就是對(duì)可能滑坡的山體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 并及時(shí)預(yù)警。已有多種山體滑坡監(jiān)測(cè)的方案，例如光學(xué)儀器監(jiān)測(cè)，GPS技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)監(jiān)測(cè)等。但這些方法所用的儀器均需要設(shè)置于滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)域儀器的安裝費(fèi) 時(shí)費(fèi)力成本不低，且某些監(jiān)測(cè)區(qū)域極難根據(jù)需要的布局完成儀器安裝，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)滑坡 的監(jiān)測(cè)。一旦滑坡發(fā)生，監(jiān)測(cè)區(qū)域的儀器大多會(huì)被損壞，不僅無(wú)法保留滑坡時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)， 也造成了經(jīng)濟(jì)損失。
[0004] 雷達(dá)監(jiān)測(cè)具有可全天候工作、受監(jiān)測(cè)環(huán)境影響小、監(jiān)測(cè)精度高和無(wú)接觸式監(jiān)測(cè)等 優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)雷達(dá)山體滑坡監(jiān)測(cè)被視為更有效的監(jiān)測(cè)手段。典型的山體滑坡監(jiān)測(cè)雷達(dá) 有歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心研制的LISA(LinearSAR)和意大利IDS公司生產(chǎn)的山體滑坡 雷達(dá)一微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ImagebyInterferometricSurvey，IBIS)。這些雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè) 能力較高，實(shí)際運(yùn)用價(jià)值較好。但所用的均屬合成孔徑雷達(dá)，即通過(guò)雷達(dá)天線的勻速直線運(yùn) 動(dòng)合成較大的孔徑，以獲取較高的方位向分辨率，導(dǎo)致雷達(dá)裝置體積較大。最重要的是由于 天線的運(yùn)動(dòng)速度以及天線在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中收發(fā)信號(hào)的位置都必須精準(zhǔn)控制，否則測(cè)量精度無(wú) 法保證，達(dá)不到監(jiān)測(cè)目的，且嚴(yán)重限制了數(shù)據(jù)采集速度。因而此類雷達(dá)系統(tǒng)的控制設(shè)備要求 很高，造價(jià)就高，安裝拆卸移動(dòng)均較麻煩，不利于推廣應(yīng)用。
[0005] 2012年公開(kāi)號(hào)為CN102680971A的中國(guó)發(fā)明專利"一種用于山體滑坡監(jiān)測(cè)的雷達(dá) 裝置"結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)雷達(dá)將含有速度和距離信息的數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制器，由其進(jìn)行 綜合分析處理。其缺陷在于只采用一發(fā)一收或一發(fā)雙收的發(fā)射接收模式，故其方位向分辨 率非常有限，監(jiān)測(cè)精度和有效監(jiān)測(cè)面積均難以滿足實(shí)際滑坡監(jiān)測(cè)的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是提出一種山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括同步控制單 元、信號(hào)產(chǎn)生單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)調(diào)制單元、射頻前端放大單元、低噪聲放大單元、正 交解調(diào)單元、數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理單元、顯示與預(yù)警單元以及MM0收發(fā)天線陣列。在同 步控制單元的同步和控制下，信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)，該信號(hào)調(diào)制、放大后由 MIM0收發(fā)天線陣列發(fā)射到監(jiān)測(cè)區(qū)域；在同步控制單元的同步和控制下，MIM0收發(fā)天線陣列 接收反射回波，經(jīng)過(guò)放大、正交解調(diào)，得到正交I、Q兩路信號(hào)，由信號(hào)處理單元據(jù)此探測(cè)監(jiān) 測(cè)區(qū)域的形變情況并由顯示與預(yù)警單元報(bào)警。
[0007] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括順序連接的信號(hào)產(chǎn) 生單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)調(diào)制單元及發(fā)射天線，順序連接的接收天線、低噪聲放大單元、 正交解調(diào)單元、數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理單元和顯示與預(yù)警單元，接收天線連接低噪聲放大 單元；本實(shí)用新型的發(fā)射天線和接收天線為MM0雷達(dá)天線陣列，MHTO雷達(dá)天線陣列包括發(fā) 射天線陣列和接收天線陣列，發(fā)射天線陣列由M個(gè)發(fā)射天線陣元組成，發(fā)射天線陣元稀疏 布置、相互間隔為接收天線陣列由N個(gè)接收天線陣元組成，接收天線陣元密集布置、 相互間隔為A為發(fā)射波的波長(zhǎng)，M和N均大于等于2、且MXN為大于或等于+ 2 Po 的整數(shù)，Pa為用波束寬度表示的方位向分辨率。滿足上述條件的M和N，MXN越大方位向 分辨率將越高，但天線數(shù)增多雷達(dá)成本上升。 C
[0008] A_7，C表不光速，f。表不基帶雷達(dá)彳目號(hào)調(diào)制后步進(jìn)頻起始頻率， % 12GHz^f〇^ 18GHz〇
[0009] 信號(hào)調(diào)制單元的輸出端經(jīng)發(fā)射分時(shí)選擇器與各發(fā)射天線陣元連接。各接收天線陣 元經(jīng)接收分時(shí)選擇器與低噪聲放大單元的輸入端連接。本系統(tǒng)還配有系統(tǒng)同步控制單元， 系統(tǒng)同步控制單元連接信號(hào)產(chǎn)生單元，對(duì)其進(jìn)行同步控制，系統(tǒng)同步控制單元還連接天線 分時(shí)控制單元，天線分時(shí)控制單元根據(jù)系統(tǒng)同步信號(hào)產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)控制信號(hào)接入發(fā)射分 時(shí)選擇器，接收信號(hào)控制信號(hào)接入接收分時(shí)選擇器。信號(hào)調(diào)制單元的部分輸出信號(hào)輸入正 交解調(diào)單元，作為參考信號(hào)。供電單元與本系統(tǒng)各單元連接、提供適用電源。
[0010] 所述發(fā)射天線陣列的發(fā)射天線陣元為喇叭天線。
[0011] 所述接收天線陣列的接收天線陣元為Vivaldi天線。
[0012] 所述發(fā)射分時(shí)選擇器和接收分時(shí)選擇器為PIN二極管開(kāi)關(guān)，所述天線分時(shí)控制單 元為碼型發(fā)生器。碼型發(fā)生器按信號(hào)發(fā)射和接收規(guī)則產(chǎn)生快速PIN二極管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通信號(hào)， 導(dǎo)通速度快。信號(hào)發(fā)射和接收規(guī)則如下：每個(gè)發(fā)射天線陣元發(fā)射N組脈沖，每組脈沖包含Q 個(gè)子脈沖，M個(gè)發(fā)射天線陣元在天線分時(shí)控制單元和發(fā)射分時(shí)選擇器的控制下分時(shí)依次發(fā) 射。發(fā)射天線陣列發(fā)射雷達(dá)信號(hào)的同時(shí)，接收天線陣列對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域反射的雷達(dá)回波進(jìn)行分 時(shí)接收。每個(gè)發(fā)射天線陣元發(fā)射的N組脈沖在天線分時(shí)控制單元和接收分時(shí)選擇器的控制 下依次由N個(gè)接收天線陣元分時(shí)接收，每個(gè)接收天線陣元一次接收某個(gè)發(fā)射天線陣元的一 組脈沖。
[0013] 所述系統(tǒng)同步控制單元和信號(hào)產(chǎn)生單元均為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA。
[0014] 為了讓雷達(dá)照射監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的反射回波被接收后能夠進(jìn)行有效處理，需要使雷 達(dá)發(fā)射信號(hào)具備一定的能量，故信號(hào)調(diào)制單元輸出端的調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)射頻前端放 大單元再接入發(fā)射分時(shí)選擇器。
[0015] 本實(shí)用新型山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用時(shí)MM0天線陣列架設(shè)在需要監(jiān)測(cè) 的滑坡地帶的對(duì)立面，使監(jiān)測(cè)區(qū)域處于MM0天線陣列的雷達(dá)信號(hào)照射范圍內(nèi)。
[0016] 正常供電后，系統(tǒng)同步控制單元發(fā)送啟動(dòng)指令，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。發(fā)射天 線陣列分時(shí)發(fā)射步進(jìn)頻連續(xù)波信號(hào)，接收天線陣列對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域反射的雷達(dá)回波進(jìn)行分時(shí)接 收，數(shù)據(jù)采集得到雷達(dá)回波數(shù)據(jù)矩陣，送入信號(hào)處理單元，對(duì)回波數(shù)據(jù)成像處理，原始雷達(dá) 數(shù)據(jù)被聚焦成像，得到復(fù)影像。連續(xù)多次掃描后得到多幅復(fù)影像，經(jīng)過(guò)復(fù)影像對(duì)配準(zhǔn)、生成 差分干涉相位、相位解纏后提取形變值。根據(jù)形變值的絕對(duì)值與預(yù)警值比較，判斷是否進(jìn)行 山體滑坡災(zāi)害預(yù)警。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)有： 1、利用MM0技術(shù)形成的多個(gè)虛擬觀測(cè)通道獲得高方位向分辨率，替代通過(guò)天線運(yùn)動(dòng)的方 式來(lái)獲得較高方位向分辨率，避免了因雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)不精確而帶來(lái)的測(cè)量誤差；2、MHTO天 線陣列提高了雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度；3、輕便和簡(jiǎn)化了雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，較LISA 和IBIS系統(tǒng)，本系統(tǒng)不需要導(dǎo)軌，更加輕便靈活，而且擴(kuò)展雷達(dá)孔徑只需要增加天線數(shù)量 即可，更加方便；4、MIM0天線陣列布陣可調(diào)，有利于在滿足測(cè)量精度要求的情況下降低雷 達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本，也可以此來(lái)調(diào)節(jié)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度以用于不同監(jiān)測(cè)場(chǎng)景；5、系統(tǒng)采 用分時(shí)MM0模式，避免了MM0發(fā)射波形的設(shè)計(jì)和接收端的匹配濾波，大大減少了發(fā)射機(jī)和 接收機(jī)的數(shù)量，降低了成本。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例總體架構(gòu)框圖（圖中未顯示供電 單元）；
[0019] 圖2為本山體滑坡的MM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例和對(duì)比例監(jiān)測(cè)數(shù)值仿真結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0021] 山體滑坡的M頂0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例
[0022] 本山體滑坡的MIM0雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括順序連接的信號(hào)產(chǎn) 生單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)調(diào)制單元及射頻前端放大單元；順序連接的低噪聲放大單元、 正交解調(diào)單元、數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理單元、顯示與預(yù)警單元。
[0023] 本例MM0雷達(dá)天線陣列包括發(fā)射天線陣列和接收天線陣列。發(fā)射天線陣列由22 根發(fā)射天線陣元組成，為稀疏布置，發(fā)射天線陣元的間隔為22cm。發(fā)射天線陣列的發(fā)射天線 陣元為喇叭天線。射頻前端放大單元的輸出端經(jīng)發(fā)射分時(shí)選擇器與各發(fā)射天線陣元連接。
[0024] 本例接收天線陣列由22根接