测绘学报 ›› 2024, Vol. 53 ›› Issue (9): 1679-1693.doi: 10.11947/j.AGCS.2024.20230352
• 精密工程测量 • 上一篇
赵胤植1,2(), 邹进贵1,2(
), 张小溪3, 王泽1, 王鑫哲1
收稿日期:
2023-08-24
发布日期:
2024-10-16
通讯作者:
邹进贵
E-mail:yzhzhao@sgg.whu.edu.cn;jgzou@sgg.whu.edu.cn
作者简介:
赵胤植(1992—),男,博士后,研究方向为地下空间定位与形变监测、高精度智能监测与装备研制。E-mail:yzhzhao@sgg.whu.edu.cn
基金资助:
Yinzhi ZHAO1,2(), Jingui ZOU1,2(
), Xiaoxi ZHANG3, Ze WANG1, Xinzhe WANG1
Received:
2023-08-24
Published:
2024-10-16
Contact:
Jingui ZOU
E-mail:yzhzhao@sgg.whu.edu.cn;jgzou@sgg.whu.edu.cn
About author:
ZHAO Yinzhi (1992—), male, post doctor, majors in underground space positioning and deformation monitoring, high-precision intelligent monitoring and equipment development. E-mail: yzhzhao@sgg.whu.edu.cn
Supported by:
摘要:
随着安全监测智能化时代的到来,隧道环境下监测点定位测量相关研究逐渐向全天候和全天时等方向发展。针对隧道监测点定位时存在实时性较差且测量周期长等问题,同时易受灰尘和照明等因素影响,本文引入具有较高距离与速度分辨率的毫米波雷达开展隧道监测点高精度定位研究,提出一种基于多台毫米波雷达联合测距的定位方法。首先,在快速傅里叶变换提取测距信息的基础上,提出采用线性调频Z变换细化频谱并结合相位差对测距值进行精化,保障测距精度稳定在毫米级;然后,针对传统测距雷达仅能获取一维径向形变的弊端,采用多台毫米波雷达同步观测,建立多机联合定位函数模型,构建了一种顾及单次观测雷达脉冲测量精度差异和先验距离的随机模型;最后,通过隧道试验验证了测距与定位算法精度。结果表明,在无其他干扰的情况下,本文提出的基于线性调频Z变换的相位差法测距精度能达到0.3 mm,算法计算效率较已有方法提高50倍。待测目标稳定的情况下,本文多机联合定位方法X方向精度为2.7 mm,Y方向为0.6 mm,受隧道高度的影响,Z方向精度略低,为6.6 mm。待测目标微动的情况下,该方法能准确探测微小形变,满足监测点全天候、全天时、高精度的实时定位测量需求,并有望在工业结构变形监测中得到应用。
中图分类号:
赵胤植, 邹进贵, 张小溪, 王泽, 王鑫哲. 隧道环境下毫米波雷达多机联合毫米级定位方法[J]. 测绘学报, 2024, 53(9): 1679-1693.
Yinzhi ZHAO, Jingui ZOU, Xiaoxi ZHANG, Ze WANG, Xinzhe WANG. An innovative millimeter-level positioning method for multiple millimeter wave radar network in tunnel environment[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(9): 1679-1693.
[1] | 王一鸣. 百年大变局、高质量发展与构建新发展格局[J]. 管理世界, 2020, 36(12):1-13. |
WANG Yiming. Changes unseen in a century, high-quality development, and the construction of a new development pattern[J]. Journal of Management World, 2020, 36(12):1-13. | |
[2] | 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报, 2010, 39(1):1-6. |
YANG Yuanxi. Progress, contribution and challenges of Compass/BeiDou satellite navigation system[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(1):1-6. | |
[3] | 刘经南, 郭文飞, 郭迟, 等. 智能时代泛在测绘的再思考[J]. 测绘学报, 2020, 49(4):403-414. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190539. |
LIU Jingnan, GUO Wenfei, GUO Chi, et al. Rethinking ubiquitous mapping in the intelligent age[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2020, 49(4):403-414. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190539. | |
[4] | YANG Yuanxi. Resilient PNT concept frame[J]. Journal of Geodesy and Geoinformation Science, 2019, 2(3):1-7. |
[5] | 张俊儒, 燕波, 龚彦峰, 等. 隧道工程智能监测及信息管理系统的研究现状与展望[J]. 地下空间与工程学报, 2021, 17(2):567-579. |
ZHANG Junru, YAN Bo, GONG Yanfeng, et al. Research status and prospects of intelligent monitoring technology and information management system for tunnel engineering[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2021, 17(2):567-579. | |
[6] | 黎滨洪, 周希朗. 毫米波技术及其应用[D]. 上海: 上海交通大学出版社, 1990. |
LI Binghong, ZHOU Xilang. Millimeter wave technology and its applications[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 1990. | |
[7] | 洪伟, 余超, 陈继新, 等. 毫米波与太赫兹技术[J]. 中国科学:信息科学, 2016, 46(8):1086-1107. |
HONG Wei, YU Chao, CHEN Jixin, et al. Millimeter wave and terahertz technology[J]. Scientia Sinica (Informationis), 2016, 46(8):1086-1107. | |
[8] | 任丽娜, 曲延滨. 毫米波与红外技术在军事领域中的应用[J]. 红外技术, 2004, 26(3):66-70. |
REN Lina, QU Yanbin. The application of millimeter wave technology and infrared technology in the martial field[J]. Infrared Technology, 2004, 26(3):66-70. | |
[9] | 马国成. 车辆自适应巡航跟随控制技术研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2014. |
MA Guocheng. Research on vehicle adaptive cruise following control technology[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2014. | |
[10] | PRAMUDITA A A, LIN Dingbing, DHIYANI A A, et al. FMCW radar for noncontact bridge structure displacement estimation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2023, 72:1-14. |
[11] | 王建, 王翔, 周智敏. 微型桥梁索力测量毫米波雷达[J]. 国防科技大学学报, 2022, 44(2):118-122. |
WANG Jian, WANG Xiang, ZHOU Zhimin. Nano millimeter wave radar for bridge cable tension measurement[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2022, 44(2):118-122. | |
[12] | 顾思思, 常世新, 韩明敏, 等. 毫米波雷达数据驱动的桥梁挠度预测[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(11):4874-4880. |
GU Sisi, CHANG Shixin, HAN Mingmin, et al. Bridge deflection prediction driven by millimeter wave radar data[J]. Science Techno-logy and Engineering, 2023, 23(11):4874-4880. | |
[13] | LONG Sichun, YUAN Xiaoqin, LU Shide, et al. Solid model bridge static damage monitoring based on GBSAR[J]. Journal of Geodesy and Geoinformation Science, 2022, 5(4):38-49. |
[14] | 熊玉勇, 李松旭, 吴高阳, 等. 基于毫米波感知的形变及振动多点同步测量理论与方法[J]. 中国科学:技术科学, 2021, 51(9):998-1010. |
XIONG Yuyong, LI Songxu, WU Gaoyang, et al. Theory and method of multi-point synchronous deformation and vibration measurement based on millimeter-wave sensing[J]. Scientia Sinica (Technologica), 2021, 51(9):998-1010. | |
[15] | 贾岩, 高卓妍, 刘淑一, 等. FMCW毫米波雷达在高铁桥梁动挠度监测的应用[J]. 现代电子技术, 2022, 45(15):15-19. |
JIA Yan, GAO Zhuoyan, LIU Shuyi, et al. Application of FMCW MMW radar in dynamic deflection monitoring of high-speed railway bridge[J]. Modern Electronics Technique, 2022, 45(15):15-19. | |
[16] | 陈伟民, 李存龙. 基于微波雷达的位移/距离测量技术[J]. 电子测量与仪器学报, 2015, 29(9):1251-1265. |
CHEN Weimin, LI Cunlong. Radar-based displacement/distance measuring techniques[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2015, 29(9):1251-1265. | |
[17] | ROSSI M, COPPI F, CECCHETTI M. Performance evaluation of a new MMW Arc SAR system for underground deformation monitoring[C]//Proceedings of 2018 Active and Passive Microwave Remote Sensing for Environmental Monitoring II. Berlin: SPIE, 2018. |
[18] | 邵泽龙, 张祥坤, 李迎松. 干涉雷达在高铁桥梁振动检测中的应用[J]. 电子测量技术, 2019, 42(1):95-98. |
SHAO Zelong, ZHANG Xiangkun, LI Yingsong. Application of radar interferometry on measuring high-speed railway bridge vibration[J]. Electronic Measurement Technology, 2019, 42(1):95-98. | |
[19] | 刘上. 毫米波雷达形变测量算法研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2021. |
LIU Shang. Research on deformation measurement algorithm of millimeter wave radar[D]. Changsha: Hunan University, 2021. | |
[20] | 路满, 宋红军, 罗运华. 基于调频连续波信号的圆弧式合成孔径雷达成像方法[J]. 雷达学报, 2016, 5(4):425-433. |
LU Man, SONG Hongjun, LUO Yunhua. Imaging algorithm for arc synthetic aperture radar using frequency modulated continuous wave[J]. Journal of Radars, 2016, 5(4):425-433. | |
[21] | 程佩青. 数字信号处理教程[M]. 4版. 北京: 清华大学出版社, 2013. |
CHENG Peiqing. Digital signal processing tutorial [M]. 4th ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2013. | |
[22] | Texas Instrument. IWR6843, IWR6443 single-chip 60- to 64-GHz mm wave sensor[EB/OL]. [2023-08-16]. https://www.ti.com/document-viewer/iwr6843/datasheet. |
[23] | 张茗璇, 高教波, 孟合民, 等. 基于傅里叶变换光谱技术的Zoom-FFT算法研究[J]. 应用光学, 2013, 34(3):452-456. |
ZHANG Mingxuan, GAO Jiaobo, MENG Hemin, et al. Zoom-FFT based on Fourier transform spectroscopy[J]. Journal of Applied Optics, 2013, 34(3):452-456. | |
[24] | 廖烨, 刘国峰, 李康, 等. 基于相位差法和FRFT的Chirp信号参数估计算法[J]. 光通信研究, 2020(3):73-78. |
LIAO Ye, LIU Guofeng, LI Kang, et al. Chirp signal parameter estimation using phase difference method and fractional Fourier transforms[J]. Study on Optical Communications, 2020(3):73-78. | |
[25] | 潘世伟, 葛俊祥, 金良. 基于FPGA的LFMCW雷达信号处理算法及实现[J]. 雷达科学与技术, 2017, 15(4):392-396. |
PAN Shiwei, GE Junxiang, JIN Liang. A new LFMCW radar signal processing algorithm based on FPGA and its implementation[J]. Radar Science and Technology, 2017, 15(4):392-396. | |
[26] | 金坚, 谷源涛, 梅顺良. 压缩采样技术及其应用[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(2):470-475. |
JIN Jian, GU Yuantao, MEI Shunliang. An introduction to compressive sampling and its applications[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2010, 32(2):470-475. |
[1] | 范千, 方绪华, 许承权, 杨荣华. 变形监测数据预报的动态贝叶斯ELM方法[J]. 测绘学报, 2019, 48(7): 919-925. |
[2] | 李阳腾龙. 高速铁路轨道精测精调及其平顺性优化研究[J]. 测绘学报, 2018, 47(11): 1562-1562. |
[3] | 李清泉, 毛庆洲. 道路/轨道动态精密测量进展[J]. 测绘学报, 2017, 46(10): 1734-1741. |
[4] | 向巍. 测量数据拟合理论与方法及其在构件建模中的应用[J]. 测绘学报, 2017, 46(9): 1203-1203. |
[5] | 魏冠军, 党亚民, 章传银, 杨维芳. 顾及不确定性影响的变形概率预报法[J]. 测绘学报, 2017, 46(4): 526-532. |
[6] | 尹晖, 周晓庆, 张晓鸣. 非等间距多点变形预测模型及其应用[J]. 测绘学报, 2016, 45(10): 1140-1147. |
[7] | 余加勇. 基于GNSS和RTS技术的桥梁结构健康监测[J]. 测绘学报, 2015, 44(10): 1177-1177. |
[8] | 李珵, 卢小平, 朱宁宁, 卢遥, 武永斌, 李国清. 基于激光点云的隧道断面连续提取与形变分析方法[J]. 测绘学报, 2015, 44(9): 1056-1062. |
[9] | 黎奇, 白征东, 陈波波, 过静珺, 辛浩浩, 程宇航, 黎琼, 吴斐. GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统[J]. 测绘学报, 2020, 49(5): 569-579. |
[10] | 郭迎钢, 李宗春, 何华, 王志颖. 三维坐标转换公共点最优权值的单纯形搜索算法[J]. 测绘学报, 2020, 49(8): 1004-1013. |
[11] | 郭迎钢, 李宗春, 何华, 张冠宇, 冯其强, 杨浩. 变形监测网稳定点选取的平方型Msplit相似变换法[J]. 测绘学报, 2020, 49(11): 1419-1429. |
[12] | 李清泉, 张德津, 汪驰升, 陈智鹏, 涂伟. 动态精密工程测量技术及应用[J]. 测绘学报, 2021, 50(9): 1147-1158. |
[13] | 李冠青. 特长沉管隧道高精度贯通测控方法研究[J]. 测绘学报, 2023, 52(5): 869-869. |
[14] | 朱宁宁, 杨必胜, 董震. 基于遥感的森林碳储量显式计算模型[J]. 测绘学报, 2024, 53(1): 36-49. |
[15] | 潘雄, 黄伟凯, 赵万卓, 张思莹, 张龙杰, 金丽宏. 基于BiLSTM模型的BDS-3短期钟差预报精度研究[J]. 测绘学报, 2024, 53(1): 65-78. |
阅读次数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
全文 227
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 238
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||