阅读说明：本技术 一种基于无线同步技术的微变形遥测系统及方法 (A kind of Light deformation telemetry system and method based on wireless synchronization technology ) 是由 符依苓 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于无线同步技术的微变形遥测系统及方法,该系统由多个监测点和测站点构成。监测点由扩频调制倍频转发电路与无线同步脉冲接收电路构成；测站点由扩频解调位移解算电路和无线同步脉冲发射电路构成。测站点产生并向监测点发送射频载波信号以及无线同步脉冲信号；监测点接收射频载波信号进行倍频处理,提取出无线同步脉冲信号,生成监测点伪码并对倍频后的射频载波信号进行扩频调制,向测站点发射；测站点使用二倍频的射频载波信号作为本振信号对回波信号进行正交下变频,并在无线同步脉冲发射电路输出的同步脉冲信号控制下,使用第二伪码生成电路再生监测点伪码信号,对基带信号进行相关解扩,并计算出各监测点的位移量。(The present invention relates to a kind of Light deformation telemetry system and method based on wireless synchronization technology, which is made of multiple monitoring points and survey station point.Monitoring point is made of band spectrum modulation frequency multiplication repeat circuit and wireless synchronization pulse receiving circuit；Survey station point is displaced resolving circuit by spread spectrum demodulation and wireless synchronization impulse ejection circuit is constituted.Survey station point generates and sends radio-frequency carrier signal and wireless synchronization pulse signal to monitoring point；Monitoring point receives radio-frequency carrier signal and carries out process of frequency multiplication, extracts wireless synchronization pulse signal, generates monitoring point pseudo-code and carries out band spectrum modulation to the radio-frequency carrier signal after frequency multiplication, emits to survey station point；Survey station point uses the radio-frequency carrier signal of two frequencys multiplication to carry out quadrature frequency conversion to echo-signal as local oscillation signal, and under the control of the synchronization pulse of wireless synchronization impulse ejection circuit output, monitoring point pseudo-code signal is regenerated using the second pseudo- code generation circuit, coherently despreading is carried out to baseband signal, and calculates the displacement of each monitoring point.)

一种基于无线同步技术的微变形遥测系统及方法

技术领域

本发明属于大型建筑物微变形测量技术领域，涉及一种基于无线同步技术的微变形遥测系统及方法。

背景技术

杆塔、高楼、桥梁、大坝等大型建筑在使用中会发生变形，变形测量是探索变形机理的基本方法，是危险预警的重要手段。专利CN101349753A提出了一种大型建筑物的变形遥测技术，整个测量系统由安装在被测物上的多个信标机和远端的遥测接收机构成，其基本工作原理为：信标机使用不同的伪码调制同频同相的载波信号，信标机向遥测接收机辐射射频信号，遥测接收机接收信标机发来的混合扩频调制信号，在达到伪码同步后，分离出各信标机的载波信号，对载波信号进行鉴相，可以监测出建筑物的变形量。这种方法在实际使用中存在的问题有：(1)各信标机要使用公共本振信号，需要使用线缆相互连接；另外需要在远离变形区域的基准点安装参考信标机，使用不方便；(2)遥测接收机电路复杂，伪码失锁时电路工作失效，无法测得各观测点位移量。

因此，目前急需一种高效精确的大型建筑物微变形测量技术，以实现对各类建筑物的微变形情况测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于无线同步技术的微变形遥测系统及方法，该测量系统和测量方法能够准确高效的对建筑物微变形进行实时监测，能有效解决现有技术中存在的监测精度不高，设备复杂等问题。

具体来说，包括如下技术方案：

一种基于无线同步技术的微变形遥测系统，该系统由安装在被测物上的多个监测点(1)和远端的测站点(2)构成；

所述监测点(1)由扩频调制倍频转发电路(11)与无线同步脉冲接收电路(12)构成；所述测站点(2)由扩频解调位移解算电路(21)和无线同步脉冲发射电路(22)构成；

所述测站点(2)产生射频本振信号，其频率为f_R1，作为射频载波信号，并向监测点(1)发射；测站点(2)使用无线同步脉冲发射电路(22)向监测点(1)发送无线同步脉冲信号；监测点(1)将接收到的射频载波信号进行倍频处理，得到相干变频后的载波信号，其频率为f_R2＝2f_R1；无线同步脉冲接收电路(12)提取出第一同步脉冲信号(1109)，在此同步脉冲信号的控制下，使用第一伪码生成电路(1108)生成标识监测点的伪码信号，并使用此伪码信号对相干变频后的载波信号进行扩频调制，然后向测站点(2)发射；测站点(2)接收监测点(1)发射的回波信号，将频率为f_R1的本地射频本振信号进行倍频处理，得到频率为f_R2＝2f_R1的射频本振信号，使用此射频本振信号对测站点(2)收到的来自于监测点(1)的回波信号进行正交下变频，变换为基带信号；测站点(2)使用无线同步脉冲发射电路(22)输出第二同步脉冲信号(2212)，在此同步脉冲信号的控制下，使用第二伪码生成电路(2110)再生监测点伪码信号，然后对正交下变频器得到的基带信号进行相关解扩，然后送往位移计算电路(21)计算监测点的位移量。

进一步，所述的扩频调制倍频转发电路(11)由第一双频天线(1101)、第一带通滤波器(1102)、第一低噪声放大器(1103)、第一倍频器(1104)，混频器(1105)，第二带通滤波器(1106)、第二功率放大器(1107)以及第一伪码生成电路(1108)构成；第一伪码生成电路(1108)受第一同步脉冲信号(1109)控制；

其中：第一双频天线(1101)与第一带通滤波器(1102)、第一低噪声放大器(1103)、第一倍频器(1104)，混频器(1105)依次相连，信号经过第一带通滤波器(1102)滤波后进入第一低噪声放大器(1103)，并经过第一倍频器(1104)后被送入混频器(1105)，在混频器(1105)中与第一伪码生成电路(1108)生成的伪码混频后输出到第二带通滤波器(1106)，并经过第二功率放大器(1107)放大后进行发送。

进一步，所述的扩频解调位移解算电路(21)由第二双频天线(2101)、第三功率放大器(2102)、第三带通滤波器(2103)、射频本振源(2104)、第二倍频器(2105)、第四带通滤波器(2106)、第四低噪声放大器(2107)、正交下变频器(2108)、相关解扩电路(2109)、第二PN码生成电路(2110)以及位移量计算电路(2111)构成，第二伪码生成电路(2110)受第二同步脉冲信号2112的控制；

其中：射频本振源(2104)与第三带通滤波器2103、第三功率放大器2102、第二双频天线(2101)依次相连，射频本振源(2104)产生的射频载波信号经滤波、放大后通过第二双频天线(2101)辐射出去；第二双频天线(2101)与第四带通滤波器(2106)、第四低噪声放大器(2107)、正交下变频器(2108)依次相连，第二双频天线(2101)接收到的回波信号经过滤波和放大后被送入正交下变频器(2108)；射频本振源(2104)产生的射频载波经过第二倍频器(2105)后送入正交下变频器(2108)，得到基带信号，送往相关解扩电路(2109)，第二伪码生成电路(2110)在本地再生监测点伪码信号，送往相关解扩电路(2109)，相关解扩电路(2109)对基带信号进行相关解扩处理后，输入位移量计算电路(2111)。

进一步，所述的无线同步脉冲接收电路(12)由接收天线(1201)、功分器(1202)、第五带通滤波器(1203)、第五低噪声放大器(1204)、第一包络检波器(1205)、第六带通滤波器(1206)、第六低噪声放大器(1207)、第二包络检波器(1208)、比较器(1209)、超前匹配滤波器(1210)、输出匹配滤波器(1211)、滞后匹配滤波器(1212)、同步脉冲判决电路(1213)、第一延迟电路(1214)构成；延迟电路(1204)送出第一同步脉冲信号(1109)；

其中：接收天线(1201)接收到信号后，信号进入功分器(1202)，信号被分成两路，一路分别经过第五带通滤波器(1203)、第五低噪声放大器(1204)、第一包络检波器(1205)，另一路分别经过第六带通滤波器(1206)、第六低噪声放大器(1207)、第二包络检波器(1208)，两路信号进入比较器(1209)，从比较器(1209)输出的信号分别经过超前匹配滤波器(1210)、输出匹配滤波器(1211)、滞后匹配滤波器(1212)后进入同步脉冲判决电路(1213)，同步脉冲判决电路(1213)输出信号进入第一延迟电路(1214)。

进一步，所述的无线同步脉冲发射电路(22)由发射天线(2201)、合路器(2202)、第一开关(2203)、第一载波发生器(2204)、第三伪码生成电路(2205)、取反电路(2206)、第二开关(2207)、第二载波发生器(2208)、同步脉冲生成电路(2209)、第二延迟电路(2210)构成；第二延迟电路(2210)输出第二同步脉冲信号(2212)；

其中：第一载波发生器(2204)与第一开关(2203)相连，第二载波发生器(2208)与第二开关(2207)相连；同步脉冲生成电路(2209)分别与第二延迟电路(2210)和第三伪码生成电路(2205)相连；第三伪码生成电路(2205)与第一开关(2203)相连，并通过取反电路(2206)与第二开关(2207)相连；第一开关(2203)和第二开关(2207)分别与合路器(2202)相连，信号最终通过合路器(2202)后通过发射天线(2201)送出。

进一步，所述的伪码为m序列或者Gold码。

本发明还提供了一种基于无线同步技术的微变形遥测方法，该方法包括以下步骤：

S1：测站点(2)产生射频本振信号，其频率为f_R1，作为射频载波信号，并向监测点(1)发射；

S2：测站点(2)使用无线同步脉冲发射电路(22)向监测点发送无线同步脉冲信号；

S3：监测点(1)将接收到的射频载波信号进行倍频处理，得到相干变频后的载波信号，其频率为f_R2＝2f_R1；

S4：无线同步脉冲接收电路(12)提取出第一同步脉冲信号(1109)，并在此同步脉冲信号的控制下，生成标识监测点的伪码信号，并使用此伪码信号对相干变频后的载波信号进行扩频调制，然后向测站点(2)发射；

S5：测站点(2)接收监测点(1)发射的回波信号，将频率为f_R1的本地射频本振信号进行倍频处理，得到频率为f_R2＝2f_R1的射频本振信号，使用此射频本振信号对测站点(2)收到的来自于监测点(1)的回波信号进行正交下变频，变换为基带信号；

S6：测站点(2)使用无线同步脉冲发射电路输出的第二同步脉冲信号(2212)控制第二伪码生成电路再生监测点伪码信号，然后对正交下变频器得到的基带信号进行相关解扩，然后送往位移计算电路(21)计算监测点的位移量。

进一步，在步骤S4中，无线同步脉冲接收电路(12)由接收天线(1201)、功分器(1202)、第五带通滤波器(1203)、第五低噪声放大器(1204)、第一包络检波器(1205)、第六带通滤波器(1206)、第六低噪声放大器(1207)、第二包络检波器(1208)、比较器(1209)、超前匹配滤波器(1210)、输出匹配滤波器(1211)、滞后匹配滤波器(1212)、同步脉冲判决电路(1213)、第一延迟电路(1214)构成；延迟电路(1204)送出第一同步脉冲信号(1109)；接收天线(1201)接收到信号后，信号进入功分器(1202)，信号被分成两路后一路分别经过第五带通滤波器(1203)、第五低噪声放大器(1204)、第一包络检波器(1205)，另一路分别经过第六带通滤波器(1206)、第六低噪声放大器(1207)、第二包络检波器(1208)，两路信号进入比较器(1209)，从比较器(1209)输出的信号分别经过超前匹配滤波器(1210)、输出匹配滤波器(1211)、滞后匹配滤波器(1212)后进入同步脉冲判决电路(1213)，同步脉冲判决电路(1213)输出信号进入第一延迟电路(1214)。

本发明的有益效果在于：(1)各监测点为独立的有源转发电路，监测点之间、监测点与测站点之间无需线缆连接，无需在基准点安装监测点电路，提高了系统的灵活性；(2)监测点和测站点使用同步脉冲信号实现伪码同步，无需闭环的伪码跟踪环路，提高了系统的可靠性；(3)监测点与测站点均采用异频收发技术，有效地解决了连续波雷达发收串扰问题，从而使系统具有测量距离远的优点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的测量系统示意图；

图2为本发明的扩频调制倍频转发电路结构框图；

图3为本发明的扩频解调位移解算电路结构框图；

图4为本发明的无线同步脉冲接收电路结构框图；

图5为本发明的无线同步脉冲发射电路结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供一种基于无线同步技术的微变形遥测系统，由多个监测点1和测站点2构成。监测点1由扩频调制倍频转发电路11与无线同步脉冲接收电路12构成；测站点2由扩频解调位移解算电路21和无线同步脉冲发射电路22构成。测站点2产生并向监测点1发送射频载波信号以及无线同步脉冲信号；监测点1接收射频载波信号进行倍频处理，提取出无线同步脉冲信号，生成监测点伪码并对倍频后的射频载波信号进行扩频调制，向测站点2发射；测站点2使用二倍频的射频载波信号作为本振信号对回波信号进行正交下变频，并在无线同步脉冲发射电路22输出的同步脉冲信号控制下再生监测点伪码，对基带信号进行相关解扩，并计算出各监测点的位移量。

图1为本发明的测量系统示意图，如图所示，本发明提供的基于无线同步技术的微变形遥测系统，测量系统由安装在被测物上的多个监测点1和远端的测站点2构成。监测点1由扩频调制倍频转发电路11与无线同步脉冲接收电路12构成；测站点2由扩频解调位移解算电路21和无线同步脉冲发射电路22构成。测站点2产生射频本振信号，其频率为f_R1，作为射频载波信号，并向监测点1发射；测站点2使用无线同步脉冲发射电路22向监测点发送无线同步脉冲信号；监测点1将接收到的射频载波信号进行倍频处理，得到相干变频后的载波信号，其频率为f_R2＝2f_R1；无线同步脉冲接收电路12提取出同步脉冲信号，并在此同步脉冲信号的控制下，生成标识监测点的伪码信号，并使用此伪码信号对相干变频后的载波信号进行扩频调制，然后向测站点2发射；测站点2接收监测点1发射的回波信号，将频率为f_R1的本地射频本振信号进行倍频处理，得到频率为f_R2＝2f_R1的射频本振信号，使用此射频本振信号对测站点2收到的来自于监测点1的回波信号进行正交下变频，变换为基带信号；测站点2使用无线同步脉冲发射电路输出的同步脉冲信号，控制本地的监测点第二伪码生成电路再生监测点伪码，然后对正交下变频器得到的基带信号进行相关解扩，然后送往位移计算电路21计算监测点的位移量。

图2为本发明的扩频调制倍频转发电路结构框图，如图所示，扩频调制倍频转发电路11由第一双频天线1101、第一带通滤波器1102、第一低噪声放大器1103、第一倍频器1104，混频器1105，第二带通滤波器1106、第二功率放大器1107以及第一伪码生成电路1108构成；第一伪码生成电路1108受第一同步脉冲信号1109控制。

图3为本发明的扩频解调位移解算电路结构框图，如图所示，扩频解调位移解算电路21由第二双频天线2101、第三功率放大器2102、第三带通滤波器2103、射频本振源2104、第二倍频器2105、第四带通滤波器2106、第四低噪声放大器2107、正交下变频器2108、相关解扩电路2109、第二PN码生成电路2110以及位移量计算电路2111构成，第二伪码生成电路2110受第二同步脉冲信号2112的控制。

图4为本发明的无线同步脉冲接收电路结构框图，如图所示，无线同步脉冲接收电路12由接收天线1201、功分器1202、第五带通滤波器1203、第五低噪声放大器1204、第一包络检波器1205、第六带通滤波器1206、第六低噪声放大器1207、第二包络检波器1208、比较器1209、超前匹配滤波器1210、输出匹配滤波器1211、滞后匹配滤波器1212、同步脉冲判决电路1213、第一延迟电路1214构成，第一延迟电路1214送出第一同步脉冲1109。无线同步脉冲接收电路12也可接收遥控指令数据，例如打开或者关闭监测点，设置监测点的发射功率，以及第一延迟电路1214的延迟时间等。

图5为本发明的无线同步脉冲发射电路结构框图，如图所示，无线同步脉冲发射电路22由发射天线2201、合路器2202、第一开关2203、第一载波发生器2204、第三伪码生成电路2205、取反电路2206、第二开关2207、第二载波发生器2208、同步脉冲生成电路2209、第二延迟电路1210构成；第二延迟电路1210送出第二同步脉冲信号2212。无线同步脉冲发射电路22也可发送遥控指令数据，例如打开或者关闭监测点，设置监测点的发射功率，以及第一延迟电路1214的延迟时间。

假设第i个监测点1与测站点2之间的距离为R_i，i＝1，2，...，n；假设最大距离为R_max，则第二延迟电路2208延迟时间应设置为：τ₂＝(R_max/c)，其中c为电磁波传播速度，第一延迟电路1214延迟时间应设置为：如果各个监测点1与测站点2之间的距离较近，则这两个延迟电路的延迟时间近似为0，可省掉这两个延迟电路。

假设伪码速率为f_pn，码片宽度为T_pn＝(1/f_pn)，码长为M，伪码周期T₁＝(M·T_pn)；假设第一、第二、第三伪码生成电路的时钟频率均为f_s＝(K·f_pn)，K为过采样倍数，同步脉冲的宽度为TP_sync＝(T_pn/K)，同步脉冲的重复周期为T₂＝(M·T_pn)，与伪码周期T1相同。

假设第一载波发生器2204产生的第一载波信号频率为f_c1，带宽为B，第二载波发生器2208产生的第二载波信号频率为fc₂，带宽为B，这两个载波频率之差为Δf_c＝|f_c1-f_c2|，Δf_c＞＞B，B＞＞f_pn。

假设第三伪码生成电路2205产生的数据信号为伪码PN0，比较器1209的输出信号为Y₀，则Y₀为第三伪码生成电路2205产生的伪码PN0，即解调出无线同步脉冲发射电路发送的数据信号；超前匹配滤波器1210的系数、输出匹配滤波器1211的系数、滞后匹配滤波器1212的抽头系数均为伪码PN0的逆序列，超前滞后半个码片宽度，为ΔT＝(T_pn/2)；假设超前匹配滤波器1210的输出信号为Y₁，输出匹配滤波器1211的输出信号为Y₂，滞后匹配滤波器1212的输出信号为Y₃，当满足如下条件时：Y₂＞(M+1)/2，且(Y₁-Y₃)＜＜2·k·(M+1)/K，k∈(1，2)；同步脉冲判决电路1213输出脉冲信号，送给第一延迟电路1214产生第一同步脉冲信号1109。通过图4所述的无线同步脉冲接收电路和图5所述的无线同步脉冲发射电路的联合使用，可以在监测点之间、监测点与测站点之间实现精密(或高精度)的远程脉冲同步，并且电路工作性能可靠。

位移量计算电路2111对相关解扩后得到的第i个监测点1的基带信号进行求相角运算，求出往返电磁波信号的相位差，φ_i＝2π·(2f_R1·2R_i)/c；然后再通过计算相位差φ_i的变化量Δφ_i来计算位移量ΔR_i＝Δφ_i/(8π)λ_R1。λ_R1＝c/f_R1为测站点2发射的射频载波信号波长。

最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。