隧道形变与振动非接触式监测系统及方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115824104A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202210427800.6(22)申请日2022.04.22(71)申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号(72)发明人彭志科熊玉勇(74)专利代理机构上海汉声知识产权代理有限公司31236专利代理师胡晶(51)Int.Cl.G01B15/06(2006.01)G01C5/00(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图3页(54)发明名称隧道形变与振动非接触式监测系统及方法(57)摘要本发明提供一种隧道形变与振动非接触式监测系统及方法，涉及隧道形变与振动监测技术领域，包括：微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取；存储与输出模块：用于显示或保存包括系统扫描角度分布和隧道结构被测测点的形变与振动位移序列值或波形，异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关信息传输到数据平台。本发明能够实现隧道剖面和线路方向所有测点的形变与振动位移的自动化监测。CN115824104ACN115824104A权利要求书1/3页1.一种隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，包括：微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取；存储与输出模块：用于显示或保存包括系统扫描角度分布和隧道结构被测测点的形变与振动位移序列值或波形，异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关信息传输到数据平台。2.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述微波收发器包括：线性调频连续波微波信号源、功率分配器、混频器、相移器、放大器、发射天线阵列以及接收天线阵列；信号源与功率分配器相连，一部分与相移器相连，通过发射天线辐射信号，另一部分作为混频用本振信号；相移器与发射天线相连，用于通过相移调控使发射天线阵列发射的合成波束的主瓣朝向某一个设定的扫描角度；接收天线阵列和放大器相连，输出的放大信号和混频器相连，在混频器端和本振信号混频，输出多通道基带信号；所述相移器的数量等于发射天线个数，所述的相移器能够使用时间延迟线或其他具有相移控制功能的器件。3.根据权利要求2所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述发射天线阵列和接收天线阵列的布置方式为：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，监测隧道剖面时，需依据隧道剖面的测点分布方向，布置该角度分布方向的发射和接收天线阵列；监测隧道线路方向测点的形变与振动时，需依据隧道线路方向，布置该方向的发射和接收天线阵列；同时监测隧道剖面和线路方向时，需在两个方向组合布置；发射天线阵列的发射天线个数需大于或等于2，发射天线间的间距为等间距或不等间距布置；接收天线阵列的接收天线个数需大于或等于1，接收天线间的距离为等间距或者不等间距布置。4.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述控制与处理器包括：扫描控制单元和信号采集与处理单元；扫描控制单元，用于对发射天线通道的相移控制、循环扫描周期的控制及对微波收发器其他常规参数的控制；所述的相移控制通过每个发射天线连接的相移器的配置实现；信号采集与处理单元，用于对多通道基带信号进行同步采集，对采集的基带信号通过处理提取被测目标或测点的振动与形变位移值；所述信号处理单元还包括对异常工况的识别与剔除处理。5.根据权利要求1所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，其特征在于，所述存储与输出模块的数据传输方式包括：模拟量输出和数字量通信的有线传输方式，以及蓝牙、wifi、无线网络或其他无线传输方式。6.一种隧道形变与振动非接触式监测方法，其特征在于，基于如权利要求1‑5中任意一项所述的隧道形变与振动非接触式监测系统，包括：步骤S1：根据隧道结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，确定微波收发器的发射合成波束的扫描角度方向序列；2CN115824104A权利要求书2/3页步骤S2：所述微波收发器依次控制发射朝向扫描角度方向序列元素的合成波束，同时接收回波信号，对生成的基带信号进行采集；步骤S3：对采集的基带信号进行处理，基于相位干涉测量原理和非线性解调方法，依次提取每个扫描角度方向序列元素的测点形变与振动位移值；步骤S4：根据上述步骤，间隔一定的周期时间，开展循环扫描测量，得到所有监测测点形变与