[发明专利]一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统及监测方法

摘要

本发明为一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统及监测方法，本系统的发射接收天线为MIMO雷达天线阵列，发射、接收分时选择器与各发射、接收天线阵元连接。系统同步控制单元经天线分时控制单元接入发射、接收分时选择器。本监测方法通过分时MIMO天线阵列发射和接收步进频连续波信号。回波数据经逆傅里叶变换法距离向压缩、对雷达回波数据相位不连续的校正、求时延补偿因子、波束形成法方位向聚焦得高分辨率复影像。连续监测获得多幅复影像，组成复影像对。复影像对配准后求得差分干涉相位，提取形变值和预警。本发明无接触式远程监测，监测范围广，方位向分辨率高，实时性更强，且精度较高，数据采集快，系统设备轻便，布阵可调。

主权项

一种山体滑坡的MIMO雷达监测系统的监测方法，所述山体滑坡的MIMO雷达监测系统包括顺序连接的信号产生单元、数模转换单元、信号调制单元及发射天线，顺序连接的接收天线、低噪声放大单元、正交解调单元、数据采集单元、信号处理单元和显示与预警单元，接收天线连接低噪声放大单元；所述发射天线和接收天线为MIMO雷达天线阵列，MIMO雷达天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列由M个发射天线阵元组成，发射天线阵元稀疏布置；接收天线阵列由N个接收天线阵元组成，接收天线阵元密集布置；信号调制单元的输出端经发射分时选择器与各发射天线阵元连接，各接收天线阵元经接收分时选择器与低噪声放大单元的输入端连接；本系统还配有系统同步控制单元，系统同步控制单元连接信号产生单元，对其进行同步控制，系统同步控制单元还连接天线分时控制单元，天线分时控制单元根据系统同步信号产生的发射信号控制信号接入发射分时选择器，接收信号控制信号接入接收分时选择器；信号调制单元的部分输出信号输入正交解调单元，作为参考信号；供电单元与本系统各单元连接、提供适用电源；所述山体滑坡的MIMO雷达监测系统的MIMO天线阵列架设在需要监测的滑坡地带的对立面，监测区域处于MIMO天线阵列的雷达信号照射范围内；监测方法包括以下具体步骤:Ⅰ、雷达信号发射系统正常供电后，系统同步控制单元发送启动指令，雷达监测系统开始工作；在系统同步控制单元的同步和控制下，由信号产生单元产生周期为Tr、频率步长为Δf的步进频连续波信号，该信号送入数模转换单元，变为模拟信号后进入信号调制模块，模拟基带信号调制到雷达工作的Ku频段；调制放大后的雷达信号送入发射分时选择器，在发射分时选择器的控制下经发射天线阵列分时发射，对监测区域进行照射；发射分时选择器在天线分时控制单元控制下，依次导通各个发射天线阵元，按如下规则发射步进频连续波信号：每个发射天线阵元发射N组脉冲，每组脉冲包含Q个子脉冲，M个发射天线阵元在天线分时控制单元和发射分时选择器的控制下分时依次发射；发射信号中单个脉冲用复数形式表示为S(t)，如下式所示：S(t)=exp(j2πfit)rect(t-iTr)i∈(0,1,2,...,Q-1),]]>式中fi＝f0+iΔf，f0为脉冲起始频率，Δf为频率步长；rect(t)为单位矩形函数；Tr为发射信号脉冲宽度，Tr等于发射脉冲重复周期；第m个发射天线阵元发射的一组脉冲信号为Sm(t)，如下式所示：Sm(t)=AmΣi=0Q-1exp(j2πfit)rect(t-iTr)m∈(1,2,3,...,M),]]>式中Am为第m个发射天线阵元发射信号的功率；M个天线阵元发射完毕即完成一次监测区域的扫描；Ⅱ、反射回波采集发射天线阵列发射雷达信号的同时，接收天线阵列对监测区域反射的雷达回波进行分时接收；每个发射天线阵元发射的N组脉冲在天线分时控制单元和接收分时选择器的控制下依次由N个接收天线阵元分时接收，每个接收天线阵元一次接收某个发射天线阵元的一组脉冲；接收天线阵列的第n根天线阵元接收到由发射天线阵列第m根天线阵元发射信号的回波，形成一个观测通道，称为mn观测通道，该回波信号为如下式所示:S~mn(t)=AmδΣi=0Q-1exp(j2πfi(t-τmn)rect(t-τmn-iTr)n∈(1,2,3,...N),]]>式中δ表示目标散射系数，表示该mn通道产生的时延；如下式所示：τmn=(x1-xn)2+y12+(x1-xm)2+y12C,]]>式中(x1,y1)、(xn,0)、(xm,0)分别为目标和收发天线阵元的坐标；雷达监测系统的MIMO雷达天线阵列中心位置为坐标原点，C表示光速；回波信号经低噪声放大单元放大，在正交解调单元，回波信号与信号调制单元输出的参考信号S(t)进行正交下变频，得到I、Q两路信号送入数据采集单元；一个通道数据采集完后进行堆栈存储，一次雷达照射监测区域后得到一个回波数据矩阵，记为I[MN,Q]，MN表示MIMO天线阵列所形成的观测通道数，Q表示步进频信号每组脉冲的子脉冲个数；数据采集单元的采样所得雷达回波数据矩阵的第mn行数据表示如下：S~′mn(t)=I+jQ=Amδexp(j2πfi(-τmn))i∈(0,1,2,...,Q-1),]]>雷达连续多次照射同一监测区域，得到多个雷达回波数据矩阵；Ⅲ、回波数据成像处理步骤Ⅱ数据采集单元得到的一个雷达回波数据矩阵I[MN,Q]，具体表述如下：其中，Ⅲ‑1、逆傅里叶变换与距离向压缩对矩阵I[MN,Q]按行分别进行逆傅里叶变换，对I[MN,Q]的mn行数据进行逆傅里叶变换如下，Sr(k)=IFFT(S~′mn(t)),≈AmδQexp(-j2πf0τmn)sinc(πB(tk-2R1C)),]]>式中，B为信号带宽，令经过距离向压缩后，雷达回波数据矩阵表示如下：I1[MN,Q]=Sa,11U0Sa,11U1Sa,11U2...Sa,11Uk...Sa,11UQ-1.....................Sa,mnU0Sa,mnU1Sa,mnU2...Sa,mnUk...Sa,mnUQ-1.....................Sa,MNU0Sa,MNU1Sa,MNU2...Sa,MNUk...Sa,MNUQ-1,]]>Ⅲ‑2、校正因子和对雷达回波数据相位不连续的校正求解出校正因子如下：Sjiao=exp(j2π2R0(xm2+xn2))m∈(1,2,...,M)n∈(1,2,...,N),]]>R0为监测区域中心到雷达天线阵列坐标中心的距离，称为监测区域中心距离；校正因子用矩阵形式表示如下：步骤Ⅲ‑1所得的雷达回波数据矩阵I1[MN,Q]与校正因子Sjiao[MN,MN]相乘所得结果为对雷达回波数据相位不连续校正后的雷达回波数据矩阵I2[Q,MN]，如下：I2[Q,MN]=S′r,110Y11S′r,111Y11S′r,112Y11...S′r,11kY11...S′r,11Q-1Y11.....................S′r,mn0YmnS′r,mn1YmnS′r,mn2Ymn...S′r,mnkYmn...S′r,mnQ-1Ymn.....................S′r,MN0YMNS′r,MN1YMNS′r,MN2YMN...S′r,MNkYMN...S′r,MNQ-1YMNT]]>其中，θ为监测区域目标(x1,y1)回波的波达角；Ⅲ‑3、时延补偿因子和波束形成法方位向聚焦计算各个观测通道的时延补偿因子，组成一个时延补偿因子矩阵Sbf；首先计算监测区域波达角的覆盖范围监测区域距离向从Rmin到Rmax，方位向从‑x到x；将其均匀地分为L份，L取值满足ρa为用波束宽度表示的方位向分辨率，如下所示：θl=2arcsin(xRmin)L-1l-arcsin(xRmin),l∈(0,1,2,...,L-1)]]>令波束形成的时延补偿因子如下：Sbf[MN,L]=P0,11P1,11P2,11...Pl,11...PL-1,11.....................P0,mnP1,mnP2,mn...Pl,mn...PL-1,mn.....................P0,MNP1,MNP2,MN...Pl,MN...PL-1,MN]]>设各阵元发射功率为A，第m个发射天线阵元发射信号的功率Am＝A，方位向数据聚焦，令Xk,l=sinc(πB(tk-2R1C))sinc(MN2π(sinθ-sinθl));]]>I3[Q,L]=I2[Q,MN]·Sbf[MN,L]=AδMNQexp(-j2πf02R1C)X0,0...AδMNQexp(-j2πf02R1C)X0,l...AδMNQexp(-j2πf02R1C)X0,L-1...............AδMNQexp(-j2πf02R1C)Xk,0...AδMNQexp(-j2πf02R1C)Xk,l...AδMNQexp(-j2πf02R1C)Xk,L-1...............AδMNQexp(-j2πf02R1C)XQ-1,0...AδMNQexp(-j2πf02R1C)XQ-1,l...AδMNQexp(-j2πf02R1C)XQ-1,L-1]]>完成了雷达数据的聚焦成像，所得I3[Q,L]为复影像；Ⅳ、复影像对配准和差分干涉相位Ⅳ‑1、复影像对配准雷达连续对监测区域进行监测，所得雷达原始数据聚焦成像后获得多幅复影像，按时间顺序选取第一幅复影像为主影像，其余为辅影像，辅影像与主影像组成复影像对；复影像对配准使复影像对中同一个像素点对应监测区域中的同一地区；配准的复影像对后，分别表示为I主[Q,L]，I辅[Q,L]，在辅复影像中目标(x1,y1)的距离值用R2表示，波达角用θ'表示，令复影像对具体表述如下：Ⅳ‑2、求差分干涉相位将复影像中幅度值低于一定阈值的像素点屏蔽，复影像对进行复共轭乘,表述如下：△I[Q,L]＝〈I辅[Q,L]·I主*[Q,L]〉从上式得到差分干涉相位Δφ，如下所示：ΔΦ=-4π(R1-R2)λ]]>其中，R1为形变前目标(x1,y1)在雷达视线上的距离，R2为形变后辅影像中目标(x1,y1)在雷达视线上的距离，λ为发射波的波长；Ⅴ、形变值提取与预警根据步骤Ⅳ得到的形变值的绝对相位，用下式通过差分干涉相位反演得到形变值ΔR，ΔR=-λ4πΔΦ]]>设置所监测山体滑坡的预警值ΔRM，当形变值ΔR的绝对值大于或等于ΔRM，系统显示与预警单元报警。