专利名称：基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种山体滑坡监测系统，特别涉及一种基于无线电干涉测距技术的山体滑坡监测系统。
背景技术：
山体滑坡是我国最为严重的地质灾害之一，它严重威胁人民的生命财产安全，破坏建筑、公路、铁路等设施，给国家造成了巨大的经济损失。山体滑坡的成因复杂，包括地震、地壳运动、降水、河流冲刷、地下水活动、人为因素等，但其表现主要是斜坡上的岩石或土体在重力的作用下，沿着一定的滑动面或滑动带，整体或分散地下滑。因此，这就需要对山体滑坡进行实时监测。山体滑坡监测可结合雨情、水情和滑坡体的形变等多个方面综合判断，但最重要的信息是滑坡体的形变，即滑坡体位移的变化。常用的山体滑坡位移监测方法可以分为以下两类内观法和外观法。但这二种方法均很难做到低成本、高精度、高自动化。昂贵的硬件设施限制了高精度技术在山体滑坡监测中的广泛使用。在本发明之前，已经有无线电干涉测距的应用。所谓无线电干涉测距中，是采用两个源节点A、B同时发射频率相近的高频正弦波信号，两正弦信号在接收节点C、D产生干涉现象，C、D节点将高频干涉信号倍频处理并低通滤波后取出干涉信号低频包络并计算包络相位(pc、秒，两个接收节点包络的相位的差柳=听-妙对应着一个四元距离组合CIabqi, dABCD = dAirdBD+dBC-dAC。距离组合‘^称为四元组ABCD对应的干涉距离；其中，Clxy (X，Y e {A，B，C， D})表示节点X、Y的距离。利用测量柳估计dABm，根据dABm估计节点位置，如图1所示。无线电干涉测距技术巧妙之处在于发端采用高频信号，接收端提取高频信号混频后的低频包络，且采用了两个接收端，利用两个接收端的相位差得到距离差的差而不是传统的距离差。通过这样巧妙的发端和收端设计，无线电干涉测距技术具有以下优点—是对时钟同步要求低将两个接收端信号的相位差再次作差能消除发端时钟同步误差，发端不需要同步；而接收端测量的是低频包络信号的相位，仅需要微秒级的时钟同步精度就可以实现精确测量。微秒级别的时钟同步精度在微型节点上通过网络的时间同步协议即可实现。二是硬件成本低由于接收端仅需对几百赫兹低频包络信号进行采样并计算相位，对A/D采样器件和相应硬件电路要求低，硬件成本低。三是测距精度高与低成本对应的是，无线电干涉测距技术的测距精度目前可达到厘米级。因此，利用无线电干涉测距技术监测山体滑动坡面与稳定坡面之间的距离变化， 即可达到有效监测山体滑坡并及时预报山体滑坡目的。但是，目前的无线电干涉测距技术直接应用于山体滑坡监测还存在下列问题一是测距精度还不够高。目前无线电干涉技术的测距精度是厘米级，这对于山体滑坡监测来说是不够的。山体滑坡在勻速变形阶段日变化只有l_5mm，而在加速变形阶段日变化也只有5-10mm。因此对于山体滑坡监测，其监测精度要做到毫米级。二是易受多径效应的影响。在任何类型的天线远场中，辐射波都是球面波。发射节点发送的正弦波信号可通过直线传播到接收节点，也可从地面、建筑等物体反射然后到达接收节点，那么接收节点得到的干涉信号是这些信号叠加后的结果。在这种情况下测得的包络相位存在较大误差，从而导致较大的测距误差。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述缺陷，基于无线电干涉测距技术的山体滑坡监测系统。本发明的技术方案是基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于在稳定坡面和滑动坡面分别设置监测单元；监测单元通过汇聚节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；所述的监测单元由4个及以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；监测单元内所有发射节点、接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或在同一平面上但不在该平面的同一直线上；二个发射节点、一个位于稳定坡面的接收节点和其它任何一个位于滑动坡面的接收节点组成一个测量组合；二个发射节点在选择好的频率上周期性地在同一时刻发送正弦波；接收节点测量干涉波的相位通过汇聚节点传送至控制台；控制台计算每一个测量组合的相位差；控制台利用相位差计算干涉距离，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化或者直接利用相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化；所述汇聚节点是一个具有无线通信功能的节点，它收集测量单元中接收节点发送的相位差数据，将收集的数据通过无线网络发送至控制台。本发明的另一技术方案是上述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其步骤在于(1)在所使用节点支持的带宽基础上，根据测量时间的限制，在尽可能宽的带宽上均勻地选择最大数目的测量频率；(2)在同一时刻，一个监测区域内只有一个监测单元进行干涉测量过程；(3)在同一个测量周期内，监测单元进行连续、多次的干涉测量过程，每次测量结束后，接收节点将数据发送至汇聚节点，汇聚节点利用无线网络将数据发送至控制台；(4)控制台在一个测量周期内计算单次干涉测量过程中接收节点测得的N个测量频率上相位的相位差数据；(5)根据接收节点之间相位差利用偏差搜索函数得到单次测量的干涉距离；(6)根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化；(7)或者在步骤(4)后直接根据相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化。本发明具有如下优点和积极效果本发明利用无线传感器网络及无线电干涉技术，对山体滑坡监测区域滑动坡面的位移进行实时地监测，这为山体滑坡的监测及预警提供了一种新型的有效的方法。本发明的无线传感器网络具有成本低、能耗低、部署方便、实时性好、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测；本发明的山体滑坡监测系统自动化程度高，一旦布设到指定监测区域后，就可以高度自动化地进行工作，易于维护。本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。
图1—一本发明无线电干涉测距收发节点配置示意图。
图2—一本发明监测单元布设示意图。
图3—一本发明测量组合布设示意图。
图4—一本发明无线电干涉测距原理方框示意图。
图5—一本发明测量组合典型位置关系示意图。
图6—一本发明室内实验场景及相位差误差分布图，分(a)室内实验场景、(b)初
始位置相位差误差分布、(C)D移动3mm后相位差误差分布示意图。图7——本发明室内实验相位差误差概率分布示意图。图8——本发明干涉距离误差与测量频率数目、相邻测量频率间间隔的关系示意图。图9——本发明中某具体室内实验中测得的干涉距离分布示意图。图10——本发明中某具体室内实验中测得的干涉距离与理论拟合值的对比示意图。图11—本发明室外实验时T1、T2测量周期内测得的干涉距离的分布示意图，分(a)Tl周期内测得的干涉距离、(b)T2周期内测得的干涉距离示意图。图12——本发明采用两种计算位移量的方法得到的结果的对比示意图。
具体实施例方式本发明思路简介本发明考虑到山体滑坡应用的特点及无线电干涉测距技术的优势，提出了一种高精度、低成本、自动化的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统。本发明的本质核心在于从干涉测距的原理出发，提出了提高干涉测距精度的方法；结合山体滑坡监测特点提出了削弱多径效应对干涉测距影响的方法；根据山体滑坡监测应用特点，设计了监测单元的布设方案，从而实现了高精度的位移监测。如图2所示在滑坡区域的稳定坡面和滑动坡面设置监测单元；所述的监测单元通过汇聚节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；本例中，在2个滑坡区域分别布设了监测单元；每个监测单元分别通过各自的汇聚节点将数据发送至远程控制台。如图3所示稳定坡面和滑动坡面设置监测单元；所述的监测单元由4个及以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；本例中采用4个节点，2个发射节点、1个接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或在同一平面上但不在该平面的同一直线上；2个发射节点和1个位于稳定坡面的接收节点与其它任何一个接收节点组成一个测量组合。下面是本发明应用过程说明第一步，根据测量时间的限制，在所使用节点支持的带宽上均勻地选择最大数目的测量频率。在实际的测量过程中往往对一个周期的测量时间有所限制，而每增加一个测量频率则会增加总的测量时间，因此可以根据测量时间的限制确定最大测量频率的数目，然后在节点支持的带宽上均勻的选择测量频率。例如，节点支持的带宽为400MHz至 460MHz,如果在测量时间的限制下可选择61个测量频率，则选择的测量频率为400MHz、 401MHz...... 459MHz、460MHz，共计 61 个。第二步，测量单元周期性地进行干涉测量，干涉测量的过程如图4所示，分为以下几个步骤a)节点时间同步干涉测距中并不使用网络范围的全局时间同步，而是仅同步当前测距组合中参与的节点并且只保持在一次测量期间。干涉测距中，两个发射节点一个为主节点，另一个为从节点。主节点通过广播消息发起测量，消息中含有另一个发送节点、测量类型(微调或测距)、发送功率，同时也指定了一个将来的时刻(以主节点的本地时间指定)，在这一时刻发起测量。消息发出前打上精确的时间戳。接收者将时间戳转换为本地时间，用转换后的本地时间设置定时器，同时转发广播消息。通过该协议可以使节点在同一时刻开始测距操作。b)发射信号校准当两个发射节点同时发射频率相近的正弦波信号时，接收端形成干涉信号，且所形成的干涉信号的拍频为干涉源信号的频率之差。计算干涉信号包络的相位时，将其通过低通滤波器后对信号强度进行采样。产生好的干涉信号关键是干涉源节点能够精确发射指定频率的正弦波。如果发射节点的晶振的稳定度不够高，使得发射信号的实际频率与指定频率不符，此时可采用频率校准的方法。干涉测距中，频率校准的目的使得两个发射节点的频率差为精确可控值。以低成本节点Mica2传感器节点为例，Mica2采用的CC1000芯片内部的温补晶振易受环境因素的影响而产生频率偏移。为此，在干涉测量过程前须进行频率调整以降低干涉源节点频率的差值。干涉源信号的频率计算公式为f = 430. 1+0. 526Xchannel+65 · KT6Xtuning(MHz) (1)式中=Charmel——当前测量的频段序号；tuning——相应频段上的频率调整值。此处，430. IMHz为CC1000电台的基准频率，0. 526MHz为相邻测量频段的间隔， 65Hz为频率调整的基本单位。在调整过程中，一个干涉源节点的频率保持不变，不断改变另外一个源节点的频率调整值，接收节点测量干涉信号包络的频率，当包络的频率接近零时， 接收节点选择出相应的最优校准值并报告给发射节点，后者依据接收到的校准值对自身频率寄存器的设置进行调整，频率校准过程结束。c)干涉测量
发射节点A、B在事先选定的多个测量频率上发射正弦信号，接收节点对干涉信号处理进行混频、平方倍频和低通滤波处理，并对低通滤波后低频正弦信号进行采样。接收节点利用样本估算出正弦信号的相位和频率。例如，接收节点C、D在第i个测量频率上分别可得到干涉信号的相位(Pc⑴和(Pd (i)。估算正弦波信号的相位和频率方法很多，在低成本器件上可采用时域方法。在运算资源丰富器件上可采用频域方法。时域估计方法首先对原始数据进行滑动平均，将当前RSSI实际测量值与前M次历史数据的平均值作为当前RSSI读数。其次，通过前M个RSSI读数判断干涉信号强度的最大值Rmax与最小值Rmin，其差值定义为干涉信号的幅度Amp= IRmax-RminI。设置上门限为Rmax-O. 2 X Amp，下门限为Rmin+0. 2 X Amp。对随后的RSSI读数进行分类大于上门限的读数标识为高值，小于下门限的标识为低值。当RSSI读数由低值变为高值随后又变为非高值时，将对应的高值读数的中间位置作为波峰位置。两个相邻的波峰位置确定正弦信号的周期及频率。接收节点C和D的波峰位置的偏移大小对应相位差。干涉测量过程结束后，接收节点将测得的干涉信号的相位通过汇聚节点传送至控制台。第三步，利用前后两个测量周期得到的干涉信号的相位数据估算滑动坡面的位移量，具体步骤如下a)对于每一个测量组合，控制台利用该测量组合的二个接收节点测得的相位数据得到相位差数据，例如，接收节点C、D在第i个测量频率上测得的相位数据分别为φ。(i) 和(Pd⑴，那么可得它们的相位差为收必)=從(O-鄉(0。根据干涉测距原理，干涉距离dABCD 与相位差(PCD (i)、测量频率的波长λ i存在如下关系
Pi
dABCD= ΨοΜ^ + ^(1)其中，Iii为整数。可见，当测量组合中位于滑动坡面的节点位置发生变化时，干涉距离就会发生变化，从而相位差也将发生变化。b)确定测量组合中节点之间的关系。在不同的节点关系下，位于滑动坡面的节点的位置变化对干涉距离的变化影响是不同的。两种典型的测量组合节点间的位置关系如图5所示第一种测量组合2个发射节点与位于滑动坡面的接收节点在同一条直线上，如图5测量组合AB⑶。在这种情况下，干涉距离变化直接反映滑动坡面的位移量，且当滑动坡面移动Ad时(即D沿着滑坡方向移动△(!时)，干涉距离的变化量与滑动坡面位移量存在下述关系CIad' = dAD+ Δ ddBD' = dBD- Δ d= > dABCD '- dABCD = 2Ad(2)第二种测量组合2个发射节点与位于滑动坡面的接收节点不在同一条直线上， 如图5测量组合ABCE。在监测单元所在的平面上以A为原点、以A、B所在直线为χ轴构建直角坐标系，那么A、B、E的坐标分别为(0，0)、(χΒ，0)和(xE，yE)。当滑动坡面移动Ad时 (即D沿着χ轴方向移动△ d时)，干涉距离的变化量与滑动坡面的位移量存在下述关系d服α =如/ +(xE +Mf -如E2 +( -Xe-Mf -如/ +xE2 +^y/ +(Xii-Xe)2 (3)c)控制台根据收集的测量组合中接收节点间的相位差数据和测量组合的位置关系，确定滑动坡面中接收节点所在点的位移量。在本发明中，当获得测量组合的相位差数据、确定测量组合节点间的位置关系后， 有两种计算滑动坡面位移量的方法可供选择第一种方法，根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化。首先计算出前后两个周期同一测量组合的干涉距离，然后根据前后测得的两次干涉距离做差计算出干涉距离的变化，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化，具体如下1)利用测量周期Tl内获得的测量组合AB⑶在N个测量频率上的M组相位差数据，根据偏差搜索函数(如公式4所示)利用每一组相位差数据获得M个干涉距离，这M个干涉距离是对同一测量组合AB⑶重复进行M次测量得到的结果；
权利要求
1.基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于在稳定坡面和滑动坡面分别设置监测单元；监测单元通过汇聚节点将数据传送至控制台；汇聚节点通过无线网络与远程的控制台通信；所述的监测单元由4个及以上节点构成，其中二个发射节点设置在稳定坡面上，一个接收节点也设置在稳定坡面上，其余的接收节点设置在滑动坡面上；监测单元内所有发射节点、接收节点均设置在在同一平面上的同一直线上或在同一平面上但不在该平面的同一直线上；二个发射节点、一个位于稳定坡面的接收节点和其它任何一个位于滑动坡面的接收节点组成一个测量组合；二个发射节点在选择好的频率上周期性地在同一时刻发送正弦波；接收节点测量干涉波的相位通过汇聚节点传送至控制台；控制台计算每一个测量组合的相位差；控制台利用相位差计算干涉距离，利用干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化或者直接利用相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化；所述汇聚节点是一个具有无线通信功能的节点，它收集测量单元中接收节点发送的相位差数据，将收集的数据通过无线网络发送至控制台。
2.根据权利要求1所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统，其特征在于两个发射节点所发射的正弦波频率在IOHz到IOGHz之间，频率差异从3Hz到300MHz之间。
3.上述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其步骤在于(1)根据测量时间的限制，在所使用节点支持的带宽上均勻地选择最大数目的测量频率；(2)在同一时刻，一个监测区域内只有一个监测单元进行干涉测量过程；(3)在同一个测量周期内，监测单元进行连续、多次的干涉测量过程，每次测量结束后， 接收节点将数据发送至汇聚节点，汇聚节点通过无线网络将数据发送至控制台；(4)控制台在一个测量周期内计算单次干涉测量过程中接收节点测得的N个测量频率上相位的相位差数据；(5)根据接收节点之间相位差利用偏差搜索函数得到单次测量的干涉距离；(6)根据干涉距离的变化推导滑动坡面位移量的变化；(7)或者在步骤(4)后直接根据相位差的变化推导滑动坡面位移量的变化。
4.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于在一个测量周期内测量组合反复进行M次干涉测量，利用一个测量周期内计算得到的同一测量组合的M个干涉距离，采取取中位数的方法，得到对该测量组合干涉距离的最终数值。
5.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于所述的干涉距离的变化与滑动坡面的位移量存在对应关系，包括当测量组合的节点处于同一平面的同一直线上时，干涉距离的变化是滑动坡面位移量的两倍；当测量组合的节点处于同一平面但非同一直线上时，将处于滑动坡面的节点的位移投影到2个发射节点的连成的直线上，然后利用勾股定理得到干涉距离的变化与滑动坡面位移量之间的关系。
6.根据权利要求3所述的基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统应用方法，其特征在于所述的利用相位差的变化计算干涉距离的变化，包括(1)在N个测量频率上分别利用相位差的变化计算干涉距离的变化，干涉距离的变化满足I AqiI < Xi ；根据节点布设时，滑动坡面沿滑动方向滑动时测量组合干涉距离的变化方向区分两种情况(1-1)当滑动坡面滑动使测量组合干涉距离逐渐变大时，在测量频率i上前一测量周期内得到的相位差为Φα^υ，后一测量周期内得到的相位差为Φα>(υ’。当Δ C^d = ΦΕΒ( ),-ΦοΒ( ) e W，2 π]时，Δ Cjim乘以测量频率i的波长Xi并除以2 π，得到干涉距离变化量Aqi ；当Δ φεΒ = Φε )( )' -Φ0Β( ) e [-2π ,0]时，Δ φ^力口上2 π然后乘以测量频率i的波长Xi并除以2 π，得到干涉距离变化量Aqi;(1-2)当滑动坡面滑动使测量组合干涉距离逐渐变小时，当Δ φεΒ = ￠00(1)' -Φοβ( ) e [-2 π, O]时，Δ (^d乘以测量频率i的波长Xi并除以2 π，得到干涉距离变化量Aqi ；当Δ φεΒ = Φ0Β( ),-Φ0Β( ) e
时，Δ (^d减去然后乘以测量频率i的波长λ i并除以2 π，得到干涉距离变化量Δ qi ； (2)根据在N个测量频率上得到的干涉距离的变化量取这N干涉距离变化量均值，得到前后两个测量周期内干涉距离变化的最终估计。
全文摘要
本发明涉及基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统。本发明在滑坡区域布设监测单元，监测单元由至少4个位于同一平面的节点组成；监测单元中4个节点组成1个测量组合，其中2个发射节点和1个接收节点位于稳定坡面，1个接收节点位于滑动坡面；测量组合在测量周期内利用无线电干涉技术在N个测量频率上进行M次干涉测量获得2个接收节点的相位差；利用偏差搜索函数计算干涉距离从而根据不同测量周期间干涉距离的变化推导滑动坡面的变化或者利用不同测量周期间相位差的变化推导滑动坡面的变化。本发明通过充分利用节点测量带宽和多次测量的方法提高了干涉测距的精度，具有成本低、自动化程度高的优点，适合长期、连续、实时地监测。
文档编号G01S11/04GK102253379SQ20111009141
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者刘鹏, 威力, 张苏, 袁恩, 黄珊, 齐望东 申请人:中国人民解放军理工大学