基于地面定位系统的大型结构三维变形测量关键技术研究

为了突破全站仪在测量范围、工作环境、气候影响方面的限制，实现全天候、高可靠性工作，开发一种集GPS与全站仪二者优点为一身的全新三维位移/变形监测新技术。研究将GPS的空间卫星移植到地面，基于高精度数字比相方法、结合多频尺度的细分技术，突破微波测距的精度限制，实现毫米级的位移测量；研究用目标的无源微波反射器方法取代GPS的有源接收机技术，以实现目标的低成本定位；基于微波阵列天线，研究多个空间信号波达方向分布的超分辨估计技术，实现软件的等效扫描与定向，解决无源点的多目标识别，实现多目标同步实时测量；建立地面局部定位系统（LPS）的初步理论体系、攻克其关键技术，为实现大范围、高精度、全天候、高可靠性、多测点、低成本的位移/变形测量奠定理论与技术基础，从而为结构健康监测以及工程测量领域开拓一种具有完全自主知识产权的全新三维位移/变形测量新途径。

针对全站仪在全天候监测方面以及GPS在精度、价格上的限制，提出一种融合全站仪高精度、低成本和GPS全天候、多点覆盖等优点的微波三维位移测量新方法。研究了直角坐标系下目标点三维位移与其一维测距的关系模型及精度关系，明确了一维距离的高精度测量是实现高精度三维位移测量的保障；针对现有微波测距系统精度低、价格贵、通用性差等问题，提出了4套基于相位测量的微波测距/位移测量方案，即频率调制和幅度调制两类调制型微波测距方案、上变频和下变频两类干涉型微波位移测量方案。基于距离/位移的微波相位测量原理，研究了测距信号频率、测距范围、测距精度、测相精度之间的关系，提出了测尺频率与载波频率设计选择原则；研究了基于时间数字转换器（time-to-digital convertor, TDC）计时模块和基于离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform, DFT）的两种相位测量实现方案，并分别设计搭建了相应的测相单元模块；针对各套系统，分别对系统的信号源、混频、功放、滤波、天线、反射器等器件的设计选型，进行了单元性能试验研究，并分别搭建了4套测距/位移测量系统开展了实验研究；针对频率调制型测距系统，研究了温度对测距系统的测距影响以及系统测距不确定度的分配准则，得出了改进系统测距性能的措施，并在外场实现了150米大量程测距；采用幅度载波调制型系统，验证了系统具有1km以上的大范围测距能力及0.018m精度的潜力；针对上变频式干涉型位移系统，理论研究了其位移精度，并通过实验实现了50μm间隔的高精度位移测量；针对下变频式干涉系统，通过位移实验研究了天线泄漏等的影响，位移精度达到了0.117mm。针对多目标位移测量问题，基于相位法测距系统、提出了有源反射的多频段、多测尺方案，并从理论上证实了可行性；为进一步简化相位法测距系统的硬件，提出了基于频率差测量的调频连续波测距系统；研究了基于LabVIEW的调频连续波测距系统实现方案，理论研究了该系统的测距分辨率；采用调频连续波测距系统，初步开展了多目标识别实验的研究。本项目的研究为基于微波技术的全天候、高精度和大范围、低成本的三维位移测量新方法的继续深入奠定了良好理论与技术基础。