基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法與系統(tǒng)，通過(guò)特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)雷達(dá)的頻率測(cè)量技術(shù)與單頻連續(xù)波(Continuous Wave,CW)干涉雷達(dá)的相位測(cè)量技術(shù)融為一體，分別根據(jù)頻率估計(jì)和相位測(cè)量同時(shí)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的識(shí)別和高精度位移的測(cè)量。本發(fā)明將FMCW雷達(dá)和CW雷達(dá)融為一體，同時(shí)具備FMCW雷達(dá)多目標(biāo)識(shí)別和CW雷達(dá)高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)；相比于軟件配置模式的FMCW/CW雷達(dá)，本發(fā)明的測(cè)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(shí)實(shí)時(shí)完成多個(gè)目標(biāo)位移的高精度測(cè)量。
【專利說(shuō)明】基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)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(huì) 正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人們正常生活的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)這些建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施健康監(jiān)測(cè)可以定期反應(yīng)它們的 使用狀況，提供必要的故障預(yù)警信息。在結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測(cè)的眾多監(jiān)測(cè)參數(shù)中，位移的測(cè)量可 以直接體現(xiàn)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的承力狀況，反應(yīng)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(cè)中廣泛 應(yīng)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(gè)參考位移點(diǎn)，理想?yún)⒖键c(diǎn)的選擇和連線為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來(lái) 了極大的困難，并且為了全面監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，需要在結(jié)構(gòu)的多個(gè)位置上安裝一 系列傳感器，這樣進(jìn)一步增加了系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)，為結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來(lái)極大方便，因此，催生了非接觸式位移傳感器 的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。
[0003] 目前廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)將康監(jiān)測(cè)中位移測(cè)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(xué)傳感為基礎(chǔ)，GPS則以無(wú)線電磁波信號(hào)作為測(cè)量介質(zhì)。
[0004] 全站儀：以相位式激光測(cè)距為基礎(chǔ)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的三維位移測(cè)量，全站儀包括激光 測(cè)距系統(tǒng)和經(jīng)緯儀測(cè)角系統(tǒng)，首先激光測(cè)距通過(guò)差頻測(cè)相的方法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，然后由 光電經(jīng)緯儀進(jìn)行目標(biāo)的高精度角度測(cè)量，最后結(jié)合目標(biāo)的測(cè)距和測(cè)角結(jié)果，完成目標(biāo)高精 度位移測(cè)量。
[0005] 圖像傳感器：以有源發(fā)光靶作為目標(biāo)，以光學(xué)成像的方法，在接收端通過(guò)長(zhǎng)焦鏡頭 將目標(biāo)靶成像在圖像采集卡，根據(jù)幾何光學(xué)的物像公式計(jì)算目標(biāo)的位移。
[0006] GPS系統(tǒng)：以太空中的衛(wèi)星作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上安裝GPS接收電線作為目標(biāo)點(diǎn)， 當(dāng)接收天線4顆及4顆以上的衛(wèi)星時(shí)，通過(guò)測(cè)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(huì)的原理完成目標(biāo)位移的測(cè)量。
[0007] 雖然上述三種方法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中它們各自 均存在難以解決的問(wèn)題。
[0008] 全站儀：由于全站儀是精密的光學(xué)儀器，高精度測(cè)距和測(cè)角是保證其高精度位移 測(cè)量的基礎(chǔ)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，需要全站儀在野外環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)任務(wù)，而野 外的惡劣環(huán)境對(duì)光學(xué)元件損傷嚴(yán)重，會(huì)嚴(yán)重破壞全站儀的測(cè)量精度，并且在雨霧天氣時(shí)，全 站儀也不能完成位移監(jiān)測(cè)任務(wù)。對(duì)于多點(diǎn)測(cè)量，可以通過(guò)在結(jié)構(gòu)上安裝多個(gè)反射棱鏡，反射 棱鏡同樣需要承受惡劣的野外環(huán)境，長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)會(huì)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(cè)量是通過(guò)光學(xué)成像的方法完成，成像的質(zhì) 量直接影響位移測(cè)量的精度。在實(shí)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，它跟全站儀相似，面臨相同的問(wèn)題， 惡劣的野外環(huán)境會(huì)損壞光學(xué)系統(tǒng)，在雨霧天圖像傳感器不能正常工作。對(duì)于多點(diǎn)測(cè)量，需要 在結(jié)構(gòu)上安裝多個(gè)有源目標(biāo)靶，同樣需要多個(gè)圖像采集設(shè)備，這樣會(huì)增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)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(guò)電磁波測(cè)距完成空間交會(huì)測(cè)量，測(cè)距的 精度和空間衛(wèi)星的數(shù)量、空間位置，影響目標(biāo)位移的精度。單點(diǎn)GPS的測(cè)距精度為米級(jí)，即 使采用差分GPS，精度也僅能達(dá)到厘米級(jí)，并且所觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量、空間位置是隨時(shí)變化的， 這些因素導(dǎo)致GPS系統(tǒng)的位移測(cè)量精度為厘米級(jí)。并且單個(gè)GPS接收機(jī)的價(jià)格在10萬(wàn)人 民幣以上，價(jià)格較高，而對(duì)于多點(diǎn)測(cè)量，需要在結(jié)構(gòu)上安裝多個(gè)GPS接收天線，會(huì)嚴(yán)重增加 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本。不過(guò)由于GPS系統(tǒng)采用電磁波測(cè)距，因此它可以完成全天候測(cè)量。另外， 由于GPS系統(tǒng)以電路系統(tǒng)完成測(cè)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(cè)系統(tǒng)均存在各自的問(wèn)題，目前尚沒(méi)有一種可以同時(shí)滿 足全天候、高精度、低成本要求的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法及 系統(tǒng)。
[0013] 本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移 高精度測(cè)量方法，包括以下步驟，SI.產(chǎn)生單頻微波信號(hào)V 1和調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)Vtl ;S2.將單 頻微波信號(hào)和調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行混頻、放大后得到發(fā)射信號(hào)^^? ;S3.發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè) 目標(biāo)反射后，接收天線收到信號(hào)Vsfe ;S4.接收到的接收信號(hào)Vsfe與壓控振蕩器輸出的調(diào)頻 連續(xù)波信號(hào)V。進(jìn)行混頻，得到中頻信號(hào)V ifi ;S5.對(duì)中頻信號(hào)Vifi濾波，得到中頻信號(hào)Vif2 : S6.中頻信號(hào)Vif2和單頻微波信號(hào)V1混頻，進(jìn)行正交解調(diào)，得到I/Q信號(hào)V1和V q ;

【權(quán)利要求】
1. 一種基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法，其特征在于：包括以下步驟，
51. 產(chǎn)生單頻微波信號(hào)V1和調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)Vtl ;
52. 將單頻微波信號(hào)和調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行混頻、放大后得到發(fā)射信號(hào)Vsm ;
53. 發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)目標(biāo)反射后，接收天線收到信號(hào)Vsfe ;
54. 接收到的接收信號(hào)￥81&與壓控振蕩器輸出的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)V。進(jìn)行混頻，得到中 頻信號(hào)Vifi ;
55. 對(duì)中頻信號(hào)Vifi濾波，得到中頻信號(hào)Vif2 :
56. 中頻信號(hào)Vif2和單頻微波信號(hào)V1混頻，進(jìn)行正交解調(diào)，得到I/Q信號(hào)V1和Vq ;
其中，為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的初始頻率，B為發(fā)射信號(hào)的掃頻帶寬，T為發(fā)射信號(hào)的掃 頻周期；為單頻微波信號(hào)V1的微波信號(hào)頻率，τi是分別對(duì)應(yīng)電磁波往返于各個(gè)目標(biāo)與天 線的時(shí)間差，N表示目標(biāo)數(shù)；
57. 對(duì)信號(hào)V1和Vq分別進(jìn)行傅里葉變換，通過(guò)頻譜識(shí)別不同目標(biāo)，獲得各目標(biāo)對(duì)應(yīng)的 幅值、頻率和相位；
58. 根據(jù)S7獲得各目標(biāo)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量方法，其特征在于： 所述S7具體包括以下子步驟： 對(duì)拍頻信號(hào)V1和Vq分別進(jìn)行傅里葉變換，通過(guò)頻譜識(shí)別不同目標(biāo)，根據(jù)頻譜分析的幅 值得到各目標(biāo)對(duì)應(yīng)幅度，再根據(jù)式（3)得到相位差△Oi :
對(duì)Vt或Vn進(jìn)行傅里葉變換得各
目標(biāo)的頻率： 各目標(biāo)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于： 包括信號(hào)發(fā)射單元、信號(hào)接收單元、I/Q信號(hào)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器； 所述信號(hào)發(fā)射單元用于發(fā)射電磁波波束； 所述信號(hào)接收單元用于接收來(lái)自目標(biāo)的反射波并生成與反射波相對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)； 所述I/Q信號(hào)單元接收反射波和發(fā)射的電磁波波束生成信號(hào)V1和Vq ; 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將I/Q信號(hào)單元輸出的I/Q信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入到數(shù)字信 號(hào)處理器中，所述數(shù)字信號(hào)處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到各目標(biāo)距離和位 移，由
其中，為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的初始頻率，B為發(fā)射信號(hào)的掃頻帶寬，T為發(fā)射信號(hào)的掃 頻周期；為單頻微波信號(hào)V1的微波信號(hào)頻率，τi是分別對(duì)應(yīng)電磁波往返于各個(gè)目標(biāo)與天 線的時(shí)間差，N表示目標(biāo)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要3所述的基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所 述信號(hào)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(hào)的第一單頻微波源、第一功率 放大器和至少一個(gè)發(fā)射天線；第一單頻微波信號(hào)經(jīng)第二功分器生成第一信號(hào)1和第二信號(hào) 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(hào)4和第五信號(hào)5,第四信號(hào)4與第一信號(hào)1經(jīng)第一混頻器生成第三信號(hào)3,第三信 號(hào)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于： 所述I/Q信號(hào)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(hào)2經(jīng)第三功分器生成第九信號(hào)9和第十信號(hào)10,第五信號(hào)5與信 號(hào)接收單元的接收信號(hào)經(jīng)第二混頻器生成第六信號(hào)6,第六信號(hào)6經(jīng)濾波放大后再經(jīng)第四 功分器生成第七信號(hào)7和第八信號(hào)8,第九信號(hào)9經(jīng)第一移相器后與第七信號(hào)7在第四混頻 器混頻后生成第十一信號(hào)11，第10信號(hào)與第八信號(hào)8經(jīng)第三混頻器混頻后生成第十二信號(hào) 12,第十一信號(hào)11和第十二信號(hào)12分別經(jīng)過(guò)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于： 所述信號(hào)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(hào)的第二單頻微波源、第二功率放大器和至少一個(gè)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(hào)經(jīng)第五混頻器混頻后生成第十三信號(hào)13,所述第十三信號(hào)13經(jīng)耦合器后生成 第十四信號(hào)14和第十五信號(hào)15,所述第十四信號(hào)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(hào)15輸入到I/Q信號(hào)單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微波雷達(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于： 所述I/Q信號(hào)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(hào)15經(jīng)第六功分器生成第十八信號(hào)18和第十九信號(hào)19,信號(hào)接收單元接收的信 號(hào)經(jīng)第五功分器生成第十六信號(hào)16和第十七信號(hào)17,第十六信號(hào)16與第十八信號(hào)18經(jīng)第 六混頻器生成第二十信號(hào)20,第十七信號(hào)17通過(guò)第二移相器后與第十九信號(hào)19經(jīng)第七混 頻器生成第二十一信號(hào)21，第二十信號(hào)20與第二十一信號(hào)21分別經(jīng)過(guò)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(dá)的多目標(biāo)位移高精度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于： 通過(guò)對(duì)拍頻信號(hào)V1和Vq分別進(jìn)行傅里葉變換，通過(guò)頻譜識(shí)別不同目標(biāo)，根據(jù)頻譜分析的幅 值得到各目標(biāo)對(duì)應(yīng)幅度，再根據(jù)式（3)得到相位差△Oi :
對(duì)V1或Vq進(jìn)行傅里葉變換得各目標(biāo)的頻率：
各目標(biāo)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(hào)】G01S13/32GK104459683SQ201410767536
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:重慶大學(xué)