基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法與系統(tǒng)，通過特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計將調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)雷達的頻率測量技術(shù)與單頻連續(xù)波(Continuous Wave,CW)干涉雷達的相位測量技術(shù)融為一體，分別根據(jù)頻率估計和相位測量同時實現(xiàn)多目標的識別和高精度位移的測量。本發(fā)明將FMCW雷達和CW雷達融為一體，同時具備FMCW雷達多目標識別和CW雷達高精度測量的優(yōu)點；相比于軟件配置模式的FMCW/CW雷達，本發(fā)明的測量不需要模式切換、不需要特殊要求的波形調(diào)制等額外操作，可同時實時完成多個目標位移的高精度測量。
【專利說明】基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于微波雷達的多目標位移高精度測量 方法與系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 大型建筑結(jié)構(gòu)，特別是高層建筑樓、跨江大橋、城市立交橋、鐵路橋等，是保證社會 正常運轉(zhuǎn)和人們正常生活的基礎(chǔ)設施，對這些建筑結(jié)構(gòu)實施健康監(jiān)測可以定期反應它們的 使用狀況，提供必要的故障預警信息。在結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測的眾多監(jiān)測參數(shù)中，位移的測量可 以直接體現(xiàn)當前結(jié)構(gòu)的承力狀況，反應結(jié)構(gòu)內(nèi)部的健康狀態(tài)。目前在結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測中廣泛 應用的位移傳感器可以分為接觸式與非接觸式兩大類，接觸式傳感器需要將其安裝在結(jié)構(gòu) 上，且需要在結(jié)構(gòu)上選取一個參考位移點，理想?yún)⒖键c的選擇和連線為實際現(xiàn)場應用帶來 了極大的困難，并且為了全面監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)的運行狀況，需要在結(jié)構(gòu)的多個位置上安裝一 系列傳感器，這樣進一步增加了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度。而非接觸式的傳感器則不需要在結(jié)構(gòu)上 選擇參考點，為結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測的現(xiàn)場應用帶來極大方便，因此，催生了非接觸式位移傳感器 的開發(fā)與應用。
[0003] 目前廣泛應用于結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測中位移測量的非接觸式傳感器/系統(tǒng)，主要包括全 站儀、圖像傳感器、全球定位系統(tǒng)（Global Position System, GPS)。全站儀和圖像傳感器均 以光學傳感為基礎(chǔ)，GPS則以無線電磁波信號作為測量介質(zhì)。
[0004] 全站儀：以相位式激光測距為基礎(chǔ)進行目標點的三維位移測量，全站儀包括激光 測距系統(tǒng)和經(jīng)緯儀測角系統(tǒng)，首先激光測距通過差頻測相的方法實現(xiàn)高精度測距，然后由 光電經(jīng)緯儀進行目標的高精度角度測量，最后結(jié)合目標的測距和測角結(jié)果，完成目標高精 度位移測量。
[0005] 圖像傳感器：以有源發(fā)光靶作為目標，以光學成像的方法，在接收端通過長焦鏡頭 將目標靶成像在圖像采集卡，根據(jù)幾何光學的物像公式計算目標的位移。
[0006] GPS系統(tǒng)：以太空中的衛(wèi)星作為基準點，在結(jié)構(gòu)上安裝GPS接收電線作為目標點， 當接收天線4顆及4顆以上的衛(wèi)星時，通過測量每一顆衛(wèi)星與接收天線之間的距離，再根據(jù) 空間交會的原理完成目標位移的測量。
[0007] 雖然上述三種方法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到了廣泛應用，但在實際應用中它們各自 均存在難以解決的問題。
[0008] 全站儀：由于全站儀是精密的光學儀器，高精度測距和測角是保證其高精度位移 測量的基礎(chǔ)。在實際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，需要全站儀在野外環(huán)境下進行長期的監(jiān)測任務，而野 外的惡劣環(huán)境對光學元件損傷嚴重，會嚴重破壞全站儀的測量精度，并且在雨霧天氣時，全 站儀也不能完成位移監(jiān)測任務。對于多點測量，可以通過在結(jié)構(gòu)上安裝多個反射棱鏡，反射 棱鏡同樣需要承受惡劣的野外環(huán)境，長期的監(jiān)測會影響反射棱鏡的質(zhì)量。
[0009] 圖像傳感器：由于圖像傳感器的位移測量是通過光學成像的方法完成，成像的質(zhì) 量直接影響位移測量的精度。在實際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，它跟全站儀相似，面臨相同的問題， 惡劣的野外環(huán)境會損壞光學系統(tǒng)，在雨霧天圖像傳感器不能正常工作。對于多點測量，需要 在結(jié)構(gòu)上安裝多個有源目標靶，同樣需要多個圖像采集設備，這樣會增加監(jiān)測系統(tǒng)的復雜 度和成本。
[0010] GSP系統(tǒng)：由于GPS系統(tǒng)根據(jù)空間衛(wèi)星通過電磁波測距完成空間交會測量，測距的 精度和空間衛(wèi)星的數(shù)量、空間位置，影響目標位移的精度。單點GPS的測距精度為米級，即 使采用差分GPS，精度也僅能達到厘米級，并且所觀測的衛(wèi)星數(shù)量、空間位置是隨時變化的， 這些因素導致GPS系統(tǒng)的位移測量精度為厘米級。并且單個GPS接收機的價格在10萬人 民幣以上，價格較高，而對于多點測量，需要在結(jié)構(gòu)上安裝多個GPS接收天線，會嚴重增加 監(jiān)測系統(tǒng)的成本。不過由于GPS系統(tǒng)采用電磁波測距，因此它可以完成全天候測量。另外， 由于GPS系統(tǒng)以電路系統(tǒng)完成測量，因此可以承受惡劣的野外環(huán)境。
[0011] 綜上所述，目前常用的監(jiān)測系統(tǒng)均存在各自的問題，目前尚沒有一種可以同時滿 足全天候、高精度、低成本要求的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法及 系統(tǒng)。
[0013] 本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種基于微波雷達的多目標位移 高精度測量方法，包括以下步驟，SI.產(chǎn)生單頻微波信號V 1和調(diào)頻連續(xù)波信號Vtl ;S2.將單 頻微波信號和調(diào)頻連續(xù)波信號進行混頻、放大后得到發(fā)射信號^^? ;S3.發(fā)射信號經(jīng)過多個 目標反射后，接收天線收到信號Vsfe ;S4.接收到的接收信號Vsfe與壓控振蕩器輸出的調(diào)頻 連續(xù)波信號V。進行混頻，得到中頻信號V ifi ;S5.對中頻信號Vifi濾波，得到中頻信號Vif2 : S6.中頻信號Vif2和單頻微波信號V1混頻，進行正交解調(diào)，得到I/Q信號V1和V q ;

【權(quán)利要求】
1. 一種基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法，其特征在于：包括以下步驟，
51. 產(chǎn)生單頻微波信號V1和調(diào)頻連續(xù)波信號Vtl ;
52. 將單頻微波信號和調(diào)頻連續(xù)波信號進行混頻、放大后得到發(fā)射信號Vsm ;
53. 發(fā)射信號經(jīng)過多個目標反射后，接收天線收到信號Vsfe ;
54. 接收到的接收信號￥81&與壓控振蕩器輸出的調(diào)頻連續(xù)波信號V。進行混頻，得到中 頻信號Vifi ;
55. 對中頻信號Vifi濾波，得到中頻信號Vif2 :
56. 中頻信號Vif2和單頻微波信號V1混頻，進行正交解調(diào)，得到I/Q信號V1和Vq ;
其中，為調(diào)頻連續(xù)波雷達的初始頻率，B為發(fā)射信號的掃頻帶寬，T為發(fā)射信號的掃 頻周期；為單頻微波信號V1的微波信號頻率，τi是分別對應電磁波往返于各個目標與天 線的時間差，N表示目標數(shù)；
57. 對信號V1和Vq分別進行傅里葉變換，通過頻譜識別不同目標，獲得各目標對應的 幅值、頻率和相位；
58. 根據(jù)S7獲得各目標距離Ri和位移Λ氏。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量方法，其特征在于： 所述S7具體包括以下子步驟： 對拍頻信號V1和Vq分別進行傅里葉變換，通過頻譜識別不同目標，根據(jù)頻譜分析的幅 值得到各目標對應幅度，再根據(jù)式（3)得到相位差△Oi :
對Vt或Vn進行傅里葉變換得各
目標的頻率： 各目標距離Ri和位移ΛRi的解算公式： Ri =cT/2B·fj (5) ΔRi =c/4πf0 ·ΔΦj (6) 其中c表示電磁波速。
3. -種基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于： 包括信號發(fā)射單元、信號接收單元、I/Q信號單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器； 所述信號發(fā)射單元用于發(fā)射電磁波波束； 所述信號接收單元用于接收來自目標的反射波并生成與反射波相對應的接收信號； 所述I/Q信號單元接收反射波和發(fā)射的電磁波波束生成信號V1和Vq ; 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將I/Q信號單元輸出的I/Q信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入到數(shù)字信 號處理器中，所述數(shù)字信號處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號進行處理得到各目標距離和位 移，由
其中，為調(diào)頻連續(xù)波雷達的初始頻率，B為發(fā)射信號的掃頻帶寬，T為發(fā)射信號的掃 頻周期；為單頻微波信號V1的微波信號頻率，τi是分別對應電磁波往返于各個目標與天 線的時間差，N表示目標數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要3所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于：所 述信號發(fā)射單兀包括用于生成第一鍋齒波的第一鍋齒波發(fā)生器、第一壓控振蕩器、第一功 分器、第一混頻器、第二功分器、用于生成第一單頻微波信號的第一單頻微波源、第一功率 放大器和至少一個發(fā)射天線；第一單頻微波信號經(jīng)第二功分器生成第一信號1和第二信號 2,第一鋸齒波經(jīng)第一壓控振蕩器生成第一調(diào)頻連續(xù)波，第一調(diào)頻連續(xù)波經(jīng)第一功分器生成 第四信號4和第五信號5,第四信號4與第一信號1經(jīng)第一混頻器生成第三信號3,第三信 號3經(jīng)第一功率放大器放大后由發(fā)射天線發(fā)出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述I/Q信號單元包括第一移相器、第三功分器、第四功分器、第二混頻器、第三混頻器和 第四混頻器，所述第二信號2經(jīng)第三功分器生成第九信號9和第十信號10,第五信號5與信 號接收單元的接收信號經(jīng)第二混頻器生成第六信號6,第六信號6經(jīng)濾波放大后再經(jīng)第四 功分器生成第七信號7和第八信號8,第九信號9經(jīng)第一移相器后與第七信號7在第四混頻 器混頻后生成第十一信號11，第10信號與第八信號8經(jīng)第三混頻器混頻后生成第十二信號 12,第十一信號11和第十二信號12分別經(jīng)過濾波放大處理后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述信號發(fā)射單元包括用于生成第二鋸齒波的第二鋸齒波發(fā)生器、第二壓控振蕩器、第五 混頻器、用于生成第二單頻微波信號的第二單頻微波源、第二功率放大器和至少一個發(fā)射 天線，所述第二鋸齒波經(jīng)第二壓控振蕩器生成第二調(diào)頻連續(xù)波，第二調(diào)頻連續(xù)波與第二單 頻微波信號經(jīng)第五混頻器混頻后生成第十三信號13,所述第十三信號13經(jīng)耦合器后生成 第十四信號14和第十五信號15,所述第十四信號14經(jīng)第一功率放大器放大后由發(fā)射天線 發(fā)出；所述第十五信號15輸入到I/Q信號單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述I/Q信號單元包括第六混頻器、第七混頻器、第五功分器、第六功分器和第二移相器； 第十五信號15經(jīng)第六功分器生成第十八信號18和第十九信號19,信號接收單元接收的信 號經(jīng)第五功分器生成第十六信號16和第十七信號17,第十六信號16與第十八信號18經(jīng)第 六混頻器生成第二十信號20,第十七信號17通過第二移相器后與第十九信號19經(jīng)第七混 頻器生成第二十一信號21，第二十信號20與第二十一信號21分別經(jīng)過濾波放大后輸入到 模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微波雷達的多目標位移高精度測量系統(tǒng)，其特征在于： 通過對拍頻信號V1和Vq分別進行傅里葉變換，通過頻譜識別不同目標，根據(jù)頻譜分析的幅 值得到各目標對應幅度，再根據(jù)式（3)得到相位差△Oi :
對V1或Vq進行傅里葉變換得各目標的頻率：
各目標距離Ri和位移ΛRi的解算公式： Ri =cT/2B·fj (5) ΔRi =c/4πf0 ·ΔΦj (6) 其中c表示電磁波速。
【文檔編號】G01S13/32GK104459683SQ201410767536
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】陳偉民, 李存龍, 劉顯明, 雷小華 申請人:重慶大學