[发明专利]一种基于UWB信道脉冲响应的高精度位移测量方法

说明书

本发明公开了一种基于UWB信道脉冲响应的高精度位移测量方法，包括如下步骤：S1、设置两个UWB收发机分别作为固定节点和移动节点，获取原始信道脉冲信号；S2、基于UWB信道脉冲响应对原始信道脉冲信号进行特征提取；S3、将提取的特征输入XGBoost的机器学习模型进行预测，获得相对位移的预测结果；S4、使用低通滤波器和多项式对预测结果进行校正，获得两个UWB收发机之间的相对位移；其中，S4中使用低通滤波器消减预测结果的方差，使用多项式补偿削减预测结果的偏差。与现有技术相比，本发明提供的方法，采用UWB电磁波测距原理，通过XGBoost的机器学习模型对数据进行处理，并对处理结果产生的误差进行校正，能够实现对大型结构毫米级的位移实时监测。

技术领域

本发明涉及无线电磁波传播及工程测量领域，具体是一种基于UWB信道脉冲响应的高精度位移测量方法。

背景技术

随着经济发展及人民出行需求的不断提高，桥梁等复杂结构的数量也越来越多。高层建筑、大跨度桥梁等在温度、载荷变化等因素的影响下，会产生震动并发生位移，甚至会有倒塌事故的发生。结构位移往往反映着结构的健康状态，在进行结构健康监测时，结构位移是必须监测的物理量之一。近年来由于设计、建设、监管、养护技术手段不足或由于多种因素的耦合作用等原因导致的结构灾难性事故时有发生，这些投入运营的结构是在没有任何被探知征兆的前提下垮塌的。目前学术界和工程界对结构位移进行实时监测的研究越来越热，是工程测量领域内的一个亟待解决的严峻课题。为了尽早发现结构自身所面临的危险状况和性能的劣化，为结构的管养决策提供数据依据、赢得时机，有必要对桥梁位移进行实时监测。因此对大型结构进行动态位移监测不但可以及时发现结构物的危害并及时采取相应的维护措施，避免灾难性事故的发生，而且对结构物的安全运营损伤监测具有非常重要的意义。

国内外对结构位移进行实时监测的方法主要有：加速度传感器、静力水准仪(包括光纤光栅式和振弦式)、全站仪、激光测距仪等方法。加速度传感器对低频振动幅值监测效果识别不敏感；静力水准仪由于其连通管原理导致对高频振动幅值有迟滞性；全站仪和激光测距仪成本过高，且全站仪不适用于实时监测。对于大型结构，例如大跨度桥梁，通过传统的多种监测方法就很难发挥应用的作用。通过加速度传感器间接采集结构的位移信息，需要进行两次积分，这样便导致误差的增加。如果通过位移传感器直接测量，传感器的安装位置则一直没有很好的解决方法，特别是针对大跨度桥梁的位移监测，采用位移传感器很难实现监测。

UWB测距技术实质上是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。UWB系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、成本低、能提供精确定位等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在对高层建筑、大跨度桥梁进行结构位移检测时，现有检测手段误差大，难实现实时监测的不足，提供了一种基于UWB信道脉冲响应的高精度位移测量方法，采用UWB电磁波测距原理，具有高精度、低成本、高频采样等有利于实时监测的特性，通过XGBoost的机器学习模型对原始采样数据进行处理，并对处理结果产生的误差进行校正，能够实现对大型结构毫米级的位移实时监测。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

一种基于UWB信道脉冲响应的高精度位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、设置两个UWB收发机分别作为固定节点和移动节点，获取UWB接收机相对发射机发生毫米级位移时的原始信道脉冲信号；S2、基于UWB信道脉冲响应对原始信道脉冲信号进行特征提取；S3、将提取的特征输入XGBoost的机器学习模型进行预测，获得相对位移的预测结果，即机器学习模型预测值；S4、使用低通滤波器和多项式对预测结果进行校正，获得两个UWB收发机之间的相对位移；其中，S4中使用低通滤波器削减预测结果的方差，使用多项式补偿削减预测结果的偏差。