[发明专利]结构表面变形监测系统及方法

说明书

本发明提供一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：至少三个微波探测器、数据采集传输单元、远程控制处理系统。所述至少三个微波探测器分别布置在不同高程位置且与所述待测结构互相通视。本发明同时还提供一种结构表面变形监测方法。利用本发明提供的结构表面变形监测系统及方法可以同时测量待测结构三个方向的静态变形及动态振动特性，且自动化程度高、能够连续实时测量，适合各种复杂结构表面变形监测的需求。

技术领域

本发明涉及建筑结构安全监测领域，尤其涉及建筑结构表面变形监测。

背景技术

结构安全监测主要包括变形监测、渗流监测、应力应变监测、温度监测等。其中，变形监测直观可靠，可基本反映在各种荷载作用下的结构安全性态，因而成为最为重要的监测项目。本发明主要关注的是结构表面变形。目前，结构表面变形监测技术主要包括：常规大地测量技术、测量机器人监测技术、地面三维激光扫描技术、摄影测量与遥感技术、GPS技术等。以上表面变形测量技术或多或少存在一些缺点，难以同时实现高精度测量、自动化测量、不间断测量的要求。

例如，常规大地测量技术利用传统的大地测量仪器，理论和方法较为成熟，测量数据可靠，观测费用相对较低。但该类方法观测所需要的时间长，劳动强度高，观测精度受到观测条件的影响较大，不能实现自动化观测等。测量机器人由带驱动马达和程控全站仪定位系统，结合激光、通讯及CCD技术组合而成，可以实现常规监测网测量的自动化。但是，单台测量机器人监测范围小，很难达到亚毫米级测量精度；多台联机又会出现设备利用率低的问题。激光雷达通过发射红外激光直接测量雷达中心到地面点的角度和距离信息，获取地面点的三维数据。但是激光雷达的测量精度在毫米至厘米之间，很难满足结构变形的监测精度。摄影测量与遥感技术是从摄影影像和其他非接触传感器系统获取结构的可靠信息，并对其进行记录、量测、分析与应用表达的科学和技术。摄影测量与遥感技术可以将变形体变形的特征信息全面地进行采集，具有快速、直观、全面的特点，但仍然存在测量精度不高的问题。GPS测量系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统，利用距离变换求出结构的坐标，再通过长时间数据采集得到变形数据。GPS测量具有测站点无需通视、全天候观测、测量范围大等特点。但是GPS接收机在高山峡谷、密林深处等处，由于卫星信号被遮挡及多路径效应的影响，监测精度和可靠性不高；误差源多，定位结果和观测值之间的关系复杂，数据处理过程中任一环节处理不好都将影响最终的监测精度；GPS用于动态变形监测时，精度只能达到厘米级。合成孔径雷达干涉技术（Synthetic Aperture RadarInterferometry，InSAR）可全天时、全天候、高精度地进行大面积地表变形监测，是变形监测的前沿技术和研究热点。基于星载InSAR的成功经验，近几年提出了地基InSAR（GroundBased InSAR，GBInSAR）技术，该技术通过接收向变形体发射并返回的雷达波遥测信号，获取监测区域二维影像，通过合成孔径技术和步进频率连续波技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率，通过干涉技术实现优于毫米级的微变形监测。但它的缺点也很明显：无法同时测量结构三个方向的静态变形，更难以得到结构的振动特性，如振型、自振频率等。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种高精度、实时、可同时测量静态变形及动态振动特性的表面变形监测系统及方法。

一种结构表面变形监测系统，用于监测待测结构的表面三维变形，包括：

三个微波探测器，用于发射和接收微波，获取所述待测结构表面测点三个视线方向的回波信号；

三个数据采集传输单元，与所述三个微波探测器一一对应，接收所对应的微波探测器传输的回波信号，对该回波信号进行模数转换并加入时间信息，形成包含有时间信息的坐标数据；

远程控制处理系统，控制所述三个微波探测器的探测工作，接收所述三个数据采集传输单元传输的包含有时间信息的坐标数据，并根据所述包含有时间信息的坐标数据计算所述待测结构的静态变形特性和\或动态振动特性。