基於微波測距的三維位移監測裝置及方法
2023-06-09 10:11:56 2
專利名稱：基於微波測距的三維位移監測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種大型結構或建築的三維位移監測裝置及方法，特別涉及到一種針對基於微波測距的三維位移監測裝置及方法。
背景技術：
橋梁、隧道、公路、鐵路等重要交通基礎設施，以及體育場、劇場、機場、超高層建築等重大建築設施，是保證國民經濟建設和社會發展的關鍵基礎設施。這些基礎設施或多或少存在著某些結構性缺陷，同時，基礎設施的荷載與使用環境發生劇烈變化，導致結構不同程度的提前劣化，產生後天的功能性失效。由於重要基礎設施投資巨大，且往往是人員最為集中、經濟活動最為活躍的場所，一旦發生事故，將產生難以估量的災難性後果。因此發展結構健康監測技術，對重大基礎設施進行結構狀態的實時監測，以準確掌握結構的狀態特徵、捕捉事故先兆，具有重要社會和經濟意義。而在結構健康監測系統中，三維位移或變形是其重要的監測參量，因為它既可反映結構的整體受力狀況以及結構的衰變等特性。因而進行三維位移監測是危險報警、保護人們安全的手段。在目前用的最廣泛的三維位移測量中，GPS和全站儀是最主要的2種UGPS 優點可多測點同時測量，通視條件好，測點布設靈活、測量範圍大、全天候工作、 可靠性高；缺點每一個測點的價格高，技術壟斷，實時動態特性差，精度較低；2、全站儀優點高精度，每個測點相對便宜，測量範圍大；缺點需要精心保養，受雨霧、灰塵等高溫和高溼環境影響大，不太適合長期野外使用環境，不能同時在線測量多個點，測點耗時大，難以滿足對所有測點進行通視；對於結構三維位移監測而言，它需要在現場野外工作環境中、在無人操作的情況下長期工作，且要求精度高、可實時測量等；而GPS和全站儀雖然都有各自的優點，但是因為存在缺陷不能滿足目前結構三維位移長期野外監測要求，仔細分析對比全站儀與GPS的優缺點可以發現，這兩種最佳測量手段具有互補特性，即GPS具有的不存在地面基準限制、 測點布置機動靈活、適應面廣、全天候工作、測量範圍大、長期工作可靠性高等優點正是全站儀所缺乏的；而全站儀所擁有的毫米級測量精度、平均測點成本低廉等優點，也正是GPS 最致命的短處。因此，如果能夠取二者所長、將它們的優點有機地融合在一起，即將GPS的空間多顆衛星三維定位的基準及方法借鑑地轉移到地面上，用微波測距儀取代空間多顆衛星來產生定位所需信號，在被監測點處，用微波無源反射器取代GPS接收機，使測量過程具有不受環境影響、成本降低和布點靈活等優點；將全站儀雷射相位高精度測距方法應用於微波測距，取代GPS的時間測距方法，使測距精度得到提高。從而開發一種集二者優點為一身的技術，使其具有不受環境影響、成本低、精度高等優點。該技術可能成為結構健康監測以及工程測量領域的一種全新的三維位移測量手段，這對於結構健康監測乃至整個工程測量界具有重大工程價值與經濟前景。
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本發明提出在大型物體的三維位移監測過程中的一種不受環境影響、成本低、精度高的基於微波測距的三維位移監測裝置及方法；克服了目前大型建築結構健康監測中的三維位移監測裝置及方法存在的不足。本發明的目的之一是提出一種基於微波測距的三維位移監測裝置；本發明的目的之二是提出一種基於微波測距的三維位移監測方法。本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的本發明提供的一種基於微波測距的三維位移監測裝置，包括至少三個微波測距儀和至少三個無源反射器，所述微波測距儀分別設置於地面選定的基準點上，所述無源反射器設置於被監測物體上，所述微波測距儀向測量區域發射覆蓋所有測量目標點的微波，所發出的微波由目標點處的無源反射器反射返回到微波測距儀。進一步，所述微波測距儀的設置點不在同一條直線上且相距一定間隔；進一步，所述無源反射器分散設置於被監測物體上不同監測點；進一步，所述無源反射器為微波無源反射器；進一步，所述微波無源反射器採用能反射微波的金屬材質製作而成；進一步，所述微波測距儀包括微波發射接收機、數據處理器及數據顯示器，所述微波發射接收機用於微波信號的產生、發射和接收，所述數據處理器用於獲取各測量的距離數值並利用各距離數值、基準點的坐標值進行超越方程組的聯立求解，並通過數據平差處理，求出各個目標點的空間坐標，所述數據顯示器用於結果的顯示。本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的本發明提供的基於微波測距的三維位移監測方法，包括以下步驟步驟1 在測區內建立參考坐標系OXYZ並設置坐標值為(Xl，yi，Zl)的第一基準點 S1、坐標值為(X2，y2, Z2)的第二基準點&、坐標值為(X3，y3，Z3)的第三基準點&和被監測點R，其中，X1表示第一基準點S1在χ軸方向的坐標值，X2表示第二基準點&在χ軸方向的坐標值，X3表示第三基準點&在χ軸方向的坐標值，Y1表示第一基準點S1在y軸方向的坐標值，Y2表示第二基準點&在y軸方向的坐標值，Y3表示第三基準點&在y軸方向的坐標值，Z1表示第一基準點S1在ζ軸方向的坐標值，Z2表示第二基準點&在ζ軸方向的坐標值，Z3表示第三基準點&在ζ軸方向的坐標值；步驟2 測量出第一基準點S1至被監測點R之間的距離D1，測量出第二基準點& 至被監測點R之間的距離D2,測量出第三基準點&至被監測點R之間的距離D3 ；步驟3 通過以下公式來確定被監測點R與各基準點之間距離的關係方程組，並通過計算該關係方程組獲得被監測點R的初始坐標值(\，yr, zr)，
權利要求
1.一種基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於包括至少三個微波測距儀和至少三個無源反射器，所述微波測距儀分別設置於地面選定的各基準點上，所述無源反射器設置於被監測物體上，所述微波測距儀向測量區域發射覆蓋所有測量目標點的微波，所發出的微波由目標點處的無源反射器反射返回到微波測距儀。
2.根據權利要求1所述的基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於所述微波測距儀的設置點不在同一條直線上且相距一定間隔。
3.根據權利要求2所述的基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於所述無源反射器分散設置於被監測物體上不同監測點。
4.根據權利要求3所述的基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於所述無源反射器為微波無源反射器。
5.根據權利要求4所述的基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於所述微波無源反射器採用能反射微波的金屬材質製作而成。
6.根據權利要求5所述的基於微波測距的三維位移監測裝置，其特徵在於所述微波測距儀包括微波發射接收機、數據處理器及數據顯示器，所述微波發射接收機用於微波信號的產生、發射和接收，所述數據處理器用於獲取各測量的距離數值並利用各距離數值、基準點的坐標值進行超越方程組的聯立求解，並通過數據平差處理，求出各個目標點的空間坐標，所述數據顯示器用於結果的顯示。
7.基於微波測距的三維位移監測方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 在測區內建立參考坐標系OXH並設置坐標值為(X1, Y1, Z1)的第一基準點Si、 坐標值為(x2，y2，z2)的第二基準點&、坐標值為(x3;y3Jz3)的第三基準點&和被監測點R， 其中，X1表示第一基準點S1在χ軸方向的坐標值，χ2表示第二基準點&在χ軸方向的坐標值，X3表示第三基準點&在χ軸方向的坐標值，Y1表示第一基準點S1在y軸方向的坐標值， Y2表示第二基準點&在y軸方向的坐標值，Y3表示第三基準點&在y軸方向的坐標值，Z1 表示第一基準點S1在ζ軸方向的坐標值，Z2表示第二基準點&在ζ軸方向的坐標值，Z3表示第三基準點&在ζ軸方向的坐標值；步驟2 測量出第一基準點S1至被監測點R之間的距離D1,測量出第二基準點&至被監測點R之間的距離D2,測量出第三基準點&至被監測點R之間的距離D3 ；步驟3 通過以下公式來確定被監測點R與各基準點之間距離的關係方程組，並通過計算該關係方程組獲得被監測點R的初始坐標值(\，yr, zr)，'[SlRf =D12 =(X1-Xr)2+(J1-Yr)2+(Z1-Zr)2< M2 =D22 =(x2-xrf+(y2-yrf+(z2-zrf 1^3^12 = A2 = (χ3-χ, )2 +(Y3 -Y, )2 +(Z3 -Zr )2式中，IS1Rl表示第一基準點S1至被監測點R之間的距離，S2Rl表示第二基準點&至被監測點R之間的距離，I S3Rl表示第三基準點&至被監測點R之間的距離，&表示被監測點R初始狀態時χ軸方向的坐標值，yr表示被監測點R初始狀態時y軸方向的坐標值，zr表示被監測點R初始狀態時ζ軸方向的坐標值；步驟4 通過步驟1至步驟3所述方法測量出被監測點R坐標位置發生變化後的當前坐標值(x' r, y' r,z' r),其中，X' r表示被監測點R坐標位置發生變化後的χ軸方向的坐標值，y' r表示被監測點R坐標位置發生變化後的y軸方向的坐標值，ζ' r表示被監測點R坐標位置發生變化後的ζ軸方向的坐標值；步驟5 通過以下公式計算獲得被監測點R的三維位移變化量AR，
8.根據權利要求7所述的基於微波測距的三維位移監測方法，其特徵在於所述第一基準點S1、第二基準點&、第三基準點&為放置微波測距儀的位置點。
9.根據權利要求8所述的基於微波測距的三維位移監測方法，其特徵在於所述被監測點R用來作為放置微波無源反射器的位置點。
10.根據權利要求9所述的基於微波測距的三維位移監測方法，其特徵在於所述設第一基準點S1、第二基準點&、第三基準點&到被監測點R的距離是通過微波測距儀和微波無源反射器進行微波測距獲得。
全文摘要
本發明公開了一種基於微波測距的三維位移監測裝置及方法，通過建立合理的參考坐標系和基準點，將GPS的空間多顆衛星三維定位的基準及方法借鑑地轉移到地面上，用微波測距儀取代空間多顆衛星來產生定位信號；在被監測點處，用微波無源反射器取代GPS接收機來反射信號；將全站儀高精度相位測距方法應用於微波測距，取代GPS時間測距方法來提高測量精度；利用測量距離和基準點坐標之間的關係方程組，獲得被監測點的三維坐標值，通過比較被監測點變化前後坐標的差值，進而獲得被監測點的三維位移變化量。相對於光學全站儀而言該方法不易受環境影響，相對於全球衛星定位系統而言該方法成本低、精度高，為大型結構健康監測提供新的解決思路。
文檔編號G01S13/08GK102323578SQ20111014629
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年6月1日
發明者李存龍, 章鵬, 鄭大青, 陳偉民 申請人:重慶大學