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一种山体滑坡无线监测装置及监测方法

阅读：616发布：2024-02-11

专利汇可以提供一种山体滑坡无线监测装置及监测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种山体滑坡无线监测装置及监测方法，包括第一发射装置，第二发射装置，接收装置，基带信号发生器，所述第一发射装置位于下部稳定坡面，第二发射装置位于中部滑动坡面，接收装置位于上部稳定坡面，基带信号发生器连接第一发射装置和第二发射装置，接收装置通过无线网络连接终端装置。本发明监测装置具有结构简单、成本低、能耗低、部署点少、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测。本发明监测装置可靠性好，不受降雨、大雾等天气因素的影响，可实现全天候自动化测量，易于维护。，下面是一种山体滑坡无线监测装置及监测方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种山体滑坡无线监测装置，包括第一发射装置（1），第二发射装置（2），接收装置（3），基带信号发生器（4），其特征在于，所述第一发射装置（1）位于下部稳定坡面（5），第二发射装置（2）位于中部滑动坡面（6），接收装置（3）位于上部稳定坡面（7），基带信号发生器（4）连接第一发射装置（1）和第二发射装置（2），接收装置（3）通过无线网络（8）连接终端装置（9）。
2.根据权利要求1所述一种山体滑坡无线监测装置，其特征在于，所述基带信号发生器（4）通过高频导线分别与第一发射装置（1）、第二发射装置（2）连接，所述的基带信号发生器（4）产生两路同源的正弦波信号，所述第一发射装置（1）、第二发射装置（2）对正弦信号进行高频调制，并定向发射高频载波信号。
3.根据权利要求1所述一种山体滑坡无线监测装置，其特征在于，所述接收装置（3）与第二发射装置（2）之间的直线距离（L2）远大于滑动坡面允许的最大位移。
4.采用如权利要求1所述一种山体滑坡无线监测装置的山体滑坡监测方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、基带信号发生器（4）产生两路同源的正弦波信号，通过高频导线传输至第一发射装置（1）、第二发射装置（2）；
2）、第一发射装置（1）、第二发射装置（2）采用GHz正弦波对基带信号进行调制，并定向发射；
3）、接收装置（3）接收第一发射装置（1）、第二发射装置（2）的信号并进行接收并解调，放大成等幅度信号，再通过相干检波获取相位差，记录基带信号的初始相位差；
4）、在测量周期内测量基带信号的相位差，和初始相位差比较，计算相位差的变化量；
5）、根据相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的滑移量大小。
5.根据权利要求4所述一种山体滑坡无线监测方法，其特征在于，在一个测量周期内，进行M次相位差的测量，采取多次平均的方法，得到该周期内的最终相位差及其变化值。
6.根据权利要求5所述一种山体滑坡无线监测方法，其特征在于，所述最终相位差△Φ的变化与滑动坡面的位移量L存在对应关系：△Φ=2pLcosq/l，其中：l为基带无线电波波长，q为第二发射装置（2）与接收装置（3）连线方向与滑移方向所形成的夹角。

说明书全文

一种山体滑坡无线监测装置及监测方法

技术领域

[0001] 本发明一种山体滑坡无线监测装置及监测方法，涉及山体滑坡监测领域。背景技术

[0002] 山体滑坡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，是我国最为严重的地质灾害之一。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，预测困难。因此，对山体滑坡进行实时监测很有必要。

[0003] 常用的山体滑坡位移监测方法可以分为以下2类：内观法和外观法。内观法多采用测斜仪等监测滑坡体的深部变形，但需要配合钻孔开挖等工程，施工量大，实时监测困难，且测量量程较小，监测装置的故障率高；外观法的直接测试手段主要有常规监测位移传感器和GPS 全球定位系统。常规监测位移传感器是通过安装在移动坡面的牵引钢丝，采用各种直接或间接的位移传感器，如角度传感器、伸缩位移传感器感测活动坡面相对于稳定坡面的位移量，但该类传感器存在安装施工不便的问题；普通GPS技术监测滑坡，测量精度不高，若采用静态差分GPS技术，其设备的价格较高。高精度、低成本、能自动化实时测量的滑坡体监测装置仍具有广阔的市场前景。

[0004] 无线电滑坡监测技术能实现无人值守的自动化实时监测，监测装置简单，具有很高的性价比。无线电滑坡监测的原理是基于无线电的干涉测距。传统的方法是通过两个发射装置A、B同时发射频率相近的高频正弦波信号，在接收装置C、D处产生干涉现象，接收装置C、D将高频信号处理后取出干涉信号的低频包络并计算包络相位Φc、Φd，获取两个接收点包络的相位差Φcd=Φc-Φd，计算四元组合ABCD对应的干涉距离，推导滑坡位移的变化量。其测距精度可以达到厘米的级别，但这种精度不能满足滑坡监测的要求。已有专利”基于无线电干涉技术的山体滑坡监测系统”（专利号 201110091416.5）对上述方法进行了优化，通过N个频率上的M次干涉测量，结合偏差收索函数计算干涉距离的变化。这种方法在一定程度上改善了测量精度，但仍存在如下问题：1）、需要采用多个接收装置接收相干信号来消除相位误差，监测系统配置成本高；各接收装置之间需要进行网络同步授时，增加了接收装置硬件设计的复杂程度。

[0005] 2）、改进的算法不能完全消除多径效应的影响。高频电磁波是一种球面波，发射装置发射的正弦波信号可以通过直线的最短路径传播到达接收装置，也可以通过地面、山林等物体反射后到达接收装置，接收的干涉信号是这些信号的叠加后的结果。在这种情况下测得的相位存在较大误差，采用多次测量能改善相位误差，但不能消除误差，仍会导致较大的测距误差。

[0006] 3）、采用四元组合计算干涉距离，算法复杂，对软硬件配置要求高。发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法在线精确测量山体滑坡及软硬件配置复杂的缺陷，提供一种能精确测量山体滑坡、结构简单的山体滑坡无线监测装置及监测方法。

[0008] 本发明采取的技术方案为：一种山体滑坡无线监测装置，包括第一发射装置，第二发射装置，接收装置，基带信号发生器，所述第一发射装置位于下部稳定坡面，第二发射装置位于中部滑动坡面，接收装置位于上部稳定坡面，基带信号发生器连接第一发射装置和第二发射装置，接收装置通过无线网络连接终端装置。

[0009] 所述基带信号发生器通过高频导线分别与第一发射装置、第二发射装置连接，所述的基带信号发生器产生两路同源的正弦波信号，所述第一发射装置、第二发射装置对正弦信号进行高频调制，并定向发射高频载波信号。

[0010] 所述接收装置与第二发射装置之间的直线距离远大于滑动坡面允许的最大位移。 [0011] 一种山体滑坡无线监测监测方法，其特征在于包括以下步骤：1）、基带信号发生器产生两路同源的正弦波信号，通过高频导线传输至第一发射装置、第二发射装置；
2）、第一发射装置、第二发射装置采用GHz正弦波对基带信号进行调制，并定向发射；
3）、接收装置接收第一发射装置、第二发射装置的信号并进行接收并解调，放大成等幅度信号，再通过相干检波获取相位差，记录基带信号的初始相位差；
4）、在测量周期内测量基带信号的相位差，和初始相位差比较，计算相位差的变化量；
5）、根据相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的滑移量大小。

[0012] 在一个测量周期内，进行M次相位差的测量，采取多次平均的方法，得到该周期内的最终相位差及其变化值。

[0013] 所述最终相位差△Φ的变化与滑动坡面的位移量L存在对应关系：△Φ=2pLcosq/l，其中：l为基带无线电波波长，q为第二发射装置与接收装置连线方向与滑移方向所形成的夹角。

[0014] 本发明一种山体滑坡无线监测装置及监测方法，有益效果如下：本发明利用无线电干涉技术，对山体滑坡区域滑坡面的位移进行实时地监测，为山体滑坡的监测及预警提供了一种新型的有效方法。

[0015] 本发明的监测装置中两个发射装置共用信号源，确保基带信号相差的稳定；采用基带信号调制后发射，在接收端解调提取基带信号，能有效抑制多径效应和气候等因素对基带信号相差的影响，提高测量精度。本发明的监测装置具有结构简单、成本低、能耗低、部署点少、测距精度高等优点，适合偏远地区长期部署监测。本发明的监测装置可靠性好，不受降雨、大雾等天气因素的影响，可实现全天候自动化测量，易于维护。附图说明

[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统的结构示意图。

[0017] 图2为本发明一种用于山体滑坡监测的无线监测系统的典型布置图。具体实施方式

[0018] 工作原理：本发明从干涉测距的原理出发，简化测距装置及其布置，提高干涉测距精度，避免多径效应和气候的等因素的影响；根据山体滑坡监测的特点，设计监测单元的布置方案，实现高精度测量。

[0019] 如图1、图2所示：一种山体滑坡无线监测装置，包括第一发射装置1，第二发射装置2，接收装置3，基带信号发生器4，所述第一发射装置1位于下部稳定坡面5，第二发射装置2位于中部滑动坡面6，接收装置3位于上部稳定坡面7，基带信号发生器4连接第一发射装置1和第二发射装置2。

[0020] 所述基带信号发生器4通过高频导线分别与第一发射装置1、第二发射装置2连接，所述的基带信号发生器4产生两路同源的正弦波信号，所述第一发射装置1、第二发射装置2对正弦信号进行高频调制，并定向发射高频载波信号。

[0021] 所述接收装置3与第二发射装置2之间的直线距离L2远大于滑动坡面允许的最大位移。第一发射装置1与接收装置3的直线距离为L1。

[0022] 本发明在近端的下部稳定坡面5上设置第一发射装置1，在中部滑动坡面6设置第二发射装置2；在远端的上部稳定坡面7设置接收装置3，接收装置3检测相位差的变化，推算滑动位移量，将计算结果通过无线网络8发送给终端装置9。第二发射装置2距离接收装置1000m以上。本发明中采用的第一发射装置1、第二发射装置2和接收装置3不在一条直线上布置，构成一个测量组合。

[0023] 一种山体滑坡无线监测监测方法，包括以下步骤：1）：基带信号发生器4产生两路同源的600MHz正弦波基带信号，基带信号通过高频导线传输至第一发射装置1、第二发射装置2。

[0024] 2）：第一发射装置1、第二发射装置2采用2.4GHz正弦波对等幅度的基带信号进行调制，并定向发射。

[0025] 3）：接收装置3接收第一发射装置1、第二发射装置2的信号并进行接收并解调，放大成等幅度信号，再通过相干检波获取相位差，记录基带信号的初始相位差Φ0。 [0026] 4）：在测量周期内对基带信号进行M=10次测量，取平均的相位差Φn，和初始相位差Φ0比较，计算相位差的变化量△Φn=Φn—Φ0；5）：根据相位差的变化计算干涉距离的变化，推导滑动坡面的变化，具体步骤如下：
根据干涉测距原理，干涉距离与相位差的变化量、基带信号的波长存在如下关系:
当滑动坡面的第二发射装置2的位置发生变化，干涉距离就会发生变化，从而相位差也将发生变化。由于滑移方向可能与第二发射装置2和接收装置3的连线方向不一致，若存在夹角q，所测得的滑移量L=△d12/cosq。

[0027] 由于接收装置3解调出的基带信号幅度以及第二发射装置2与接收装置3连线方向与滑移方向所形成的夹角q等都对测量精度有直接影响。基带幅度相等、夹角越小，测量精度越高。当滑移方向与第二发射装置2和接收装置3的连线方向一致时，滑移量等于干涉距离。

[0028] 当选择基带信号的频率为600MHz时，电磁波波长为0.5m。当相位变化的探测精度达到1°时，滑移量的监测精度为1.4mm，通过多次平均测量能有效减小随机误差。山体滑坡在加速变形阶段日变化量为5~10mm，大的可以达到80mm，只有在临滑急剧变形阶段的日变化量才会达到100mm以上，这都在允许的监测范围之内（小于一个波长）。

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