基于二维PSD的微变形监测设计与实现

摘要

随着现代化步伐的加速，人们对于交通的需求不断扩大，大量的公路和铁路所形成的交通网络正在快速覆盖全国，一个复杂的隧道系统正在逐渐形成。在建设隧道初期，需要时刻监控周围岩体的安全情况，确保施工人员的生命安全。随着隧道使用年限的增加，由于人为或自然因素的影响，隧道就会出现不同程度的损害，一旦施加的外力超出了人为构建防护的承受范围时，就极有可能发生崩塌事故，造成人员和财产的损伤。本文针对隧道安全监测的工程应用需求，分析隧道位移运动的普遍规律，提供了一种基于二维位置敏感探测器（Position sensitive detector，PSD）的微变形监测方案，同时对该方案进行初步的实现予以验证。本文主要内容包含以下几个方面：（1）针对PSD的非线性问题，通过光斑位置标定值与测量值建立网状误差模型，根据双三次插值法推出PSD误差补偿函数，从而提高PSD的测量精度和适用范围。（2）针对环境恶劣，背景光复杂多变，测量距离较远等问题，同时兼顾能耗与成本，将扩频调制技术引入系统，提高系统的信噪比，增大测量距离、测量精度和抗干扰性。（3）针对数据观测实时性，硬件资源有效利用性和系统适用性，使用过采样的折叠匹配滤波器、自适应门限判决器和超前滞后延迟锁相环完成伪码的捕获与跟踪。（4）针对本文的设计方案，采用二维PSD提取光斑位置信息；采用FPGA和ARM的双核控制器作为该系统的核心算法实现和流程控制硬件平台；采用多通道16bit采集芯片AD7606完成数据采集功能；采用Qt编程软件完成形变监测数据的实时显示，并提供数据上传，历史数据查询等功能。（5）对设计中的重要模块进行了功能性测试。搭建实验平台，对系统进行整体测试，验证本方案的可行性和可用性。　　实验结果表明，本文方案能够较为精确的监测物体的微小形变，有效的提高激光系统的抗干扰能力，扩大激光系统的使用范围。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 隧道位移监测的国内外研究现状

1.3 研究的主要内容

1.4 论文结构

2 形变监测方案和总体设计

2.1 隧道形变监测要点分析

2.2 隧道形变监测方案对比分析

2.3 隧道形变监测设计架构

2.4 形变监测原理

2.5.1 光敏器件的选择

2.5.2 PSD的基本工作原理

2.5.3 PSD的非线性补偿

2.6 本章小结

3 抗干扰方案设计与原理介绍

3.1 直接序列扩频基本原理

3.2 伪码序列的方案

3.2.1 伪码序列的基本要求

3.2.2 m序列和gold码序列

3.3 扩频捕获方案

3.3.1 滑动相关捕获

3.3.2 匹配滤波捕获

3.3.3 过采样折叠匹配滤波器

3.4 自适应门限

3.5 扩频跟踪方案

3.6 扩频对PSD测量精度仿真分析

3.7 本章小结

4 系统实现

4.1 系统总体结构

4.2.1 位移模拟模块

4.2.2 激光发射模块

4.2.3 光学系统模块

4.2.4 光电位移信号探测模块

4.2.5 信号处理模块

4.2.6 数据采集模块

4.3 系统软件实现

4.3.1 激光发射端实现

4.3.2 位移检测端实现

4.3.3 数据采集实现

4.4.4 解扩实现

4.4.5 自适应门限判断器实现

4.4.6 伪码的跟踪实现

4.4.7 双核与上位机通信实现

4.4 本章小结

5 实验与结果分析

5.1 实验平台的搭建

5.2.1 位移测量测试

5.2.2 扩频调制测试

5.2.3 背景光影响测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的竞赛获奖

D. 学位论文数据集:

致谢