CN100501353C - 利用毫米波对低频振动进行测量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用毫米波对低频振动进行测量的方法和系统。利用多普勒频移原理，通过毫米波发射系统发射测量信号，信号经过低频振动反射后，振动信息反映在多普勒频移上；反射波通过毫米波接收系统接收，并做正交解调，送入数据处理系统；数据处理采用加滑动窗函数、中心削波处理和自相关处理方法加强低频振动频率，从而测量低频振动频率。采用毫米波对于微小的低频振动检测有很好的灵敏度，并且可以将系统做得十分精小，方便使用。此外，采用的正交解调结构可以很好地解决零点问题，从而获得好的解调数据。对于数据处理单元，所采用的特殊的数据处理方法能够加强抗噪声能力，并且快速判断并获得测量频率。

Description

利用毫米波对低频振动进行测量的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种测量低频振动的方法，尤其是一种利用毫米波多普勒频移原理，利用毫米波发射机、接收机系统和数据处理系统和算法实现的测量低频振动方法。

背景技术

毫米波通常被定义为频率在26.5～300GHz的电磁波，带宽高达273.5GHz，具有频率高，波长短、波束窄、受气候影响相对较小、应用器件尺寸小等优点，被广泛应用于军事、通信(尤其是卫星通信)、科学研究等诸多领域。本发明利用毫米波波段进行测量，也是利用其波长短、多普勒效应明显的优点。再者毫米波相对于激光受气候影响小，从而提高了发明的可适用性。

工程中的低频振动主要指振动频率在10Hz以下的振动。主要应用于土木防灾、机床等大型设备的维护、医学研究等方向。目前主要的测量手段仍然是采用接触式传感的方法。接触式传感器测量方法的主要优点是原理简单、技术成熟、实现方便、测量精度高，但是其局限性在于需要接触式测量，对于某些特殊环境，如对于测量高温锅炉振动情况，一般的传感器无法接近高温环境，故无法进行测量；又如无干扰情况下检测病人心跳情况，若用接触式必然对于病人心理上造成影响。因此非接触测量对于一些特殊环境就显得意义重大。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用毫米波对低频振动进行测量的方法，通过此方法可以实现远距离无接触式的测量低频振动。

1.一种利用毫米波测量低频振动频率的方法：

1)利用多普勒频移原理，通过毫米波发射系统发射测量信号，信号经过低频振动反射后，振动信息反映在多普勒频移上；

2)反射波通过毫米波接收系统接收，并做正交解调，送入数据处理系统；

3)数据处理采用加滑动窗函数、中心削波处理和自相关处理方法加强低频振动频率，从而测量低频振动频率。

2.一种利用毫米波测量低频振动的系统：包括毫米波信号发生电路，三个功分器，发射放大器，发射天线，接收天线，接收放大器，本振放大器，90°移相器，两个混频器，数据处理单元和电源电路；由毫米波信号发生电路产生射频载波信号；另一路经过本振放大器、第二功分器后分成两路本振信号，其中一路信号接第一混频器的本振输入端，其中另一路信号接90°移相器的输入端，90°移相器的输出端接第二混频器的本振输入端；接收天线的信号，经过接收放大器后接第三功分器后，分成两路RF射频信号，一路接第一混频器的射频输入端，另一路接第二混频器的射频输入端，第一混频器和第二混频器的中频输出端分别接数据处理单元的输入端。电源电路为各个部分供电。

电磁波多普勒效应原理表述为：如果波源或者观察者相对于媒质运动，或者两者均相对于媒质运动，则波的频率或接收到的频率要发生变化或者两者均变。对于测量低频振动来说，电磁波遇到进行低频振动的物体，其反射波的频率会随之发生变化。

本发明具有的有益效果是：利用毫米波测量低频振动的系统可以在一定范围内非接触式测量低频振动。并且达到要求的精度指标。采用毫米波对于微小的低频振动检测有很好的灵敏度，并且可以将系统做得十分精小，方便使用。此外，采用的正交解调结构可以很好地解决零点问题，从而获得好的解调数据。对于数据处理单元，所采用的特殊的数据处理方法能够加强抗噪声能力，并且快速判断并获得测量频率。

附图说明

附图是本发明的结构原理图。

图中：1、毫米波射频信号发生电路，2、功分器，3、发射放大器，4、发射天线，5、接收天线，6、接收放大器，7、功分器，8、本振放大器，9、功分器，10、90°移相器，11、混频器，12、混频器，13、数据处理单元。

具体实施方式

应用此原理，用毫米波收、发系统发射接收信号，采用如下方法操作：

设发射信号为T(t)＝cos ω₀ t，发射、接收天线均与被测物体距离为d₀，被测物体本身进行低频振动，用x(t)来表示，则信号源与物体的距离可以表示为d₀+x(t)。由多普勒原理，接收信号为 $R\left(t\right)=\cos [{\mathrm{\ω}}_{0}t-\frac{4\mathrm{\π}{d}_0}{\mathrm{\λ}}-\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\left(t\right)+\mathrm{\φ}].$ 其中，λ为发射波的波长，φ为相位噪声。对于接收到的信号R(t)来说，若采用直接下变频处理，则得到了

其中

不仅包含了相位噪声φ、下变频过程中的噪声还包含了由天线到被测物体的固定距离引起的相位延迟

对于

由于频率高，λ很小，这样距离的选择对

有很大的影响。当

接近

时， $B\left(t\right)\≈\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\left(t\right),$ 这是需要的；但当

接近kπ时， $B\left(t\right)\≈\sqrt{1-{\left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\left(t\right)\right)}^2},$ B(t)不与x(t)呈线性，这是不需要的。所以这样就加大了下一步处理的难度。所以采用正交解调方式。用两路相差为90°的本振信号分别与R(t)混频，得到输出为

对于B_I(t)和B_Q(t)总会有一路信号较强，不会出现上述问题，对于最坏的情况，就是

的情况，这样就有 $B_I\left(t\right)=B_Q\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{1}{\sqrt{2}}(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\left(t\right){+\frac{1}{2}\left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\left(t\right)\right)}^2).$ 由于一般低频振动的幅度很小，所以平方项可以忽略掉，这样就得到了关于x(t)的线性表达式。然后将信号直接送入数据处理部分进行处理。

数据处理过程中，运用类似语音信号处理中基音增强的方法。首先，将信号经过滑动的窗函数提取一段数据，窗函数可以选择矩形窗或海明窗等经典窗函数。这样得到了数据s(n)，其中s(n)的长度取决于窗函数的长度。然后通过中心削波法处理数据s(n)，得到 $c\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (s\left(n\right)\≤k\·a_{\max })\\ s\left(n\right)& (s\left(n\right)>k\·a_{\max })\end{array}\right..$ 其中，k为介于0～1之间的一个系数，a_max为s(n)的最大值。最后，求c(n)的自相关，得到 $R_c\left(k\right)=\underset{m=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}c\left(n\right)\·c(n+k)$ 作为处理后的数据，他与x(t)有相同的基波频率，而且信号频率更为突出，并且削弱噪声的影响。

如附图所示，本发明包括毫米波信号发生电路1，三个功分器2、7、9，发射放大器3，发射天线4，接收天线5，接收放大器6，本振放大器8，90°移相器10，两个混频器11、12，数据处理单元13和电源电路；由毫米波信号发生电路1产生载波信号，经过第一功分器2后信号分成两路：一路经过发射放大器3接发射天线发射载波信号；另一路经过本振放大器8、第二功分器9后分成两路本振信号，其中一路信号接第一混频器11的本振输入端，其中另一路信号接90°移相器10的输入端，90°移相器10的输出端接第二混频器12的本振输入端；接收天线5的信号，经过接收放大器6后接第三功分器7后，分成两路RF射频信号，一路接第一混频器11的射频输入端，另一路接第二混频器12的射频输入端，第一混频器11和第二混频器12的中频输出端分别接数据处理单元13的输入端。电源电路为各个部分供电。

所述的数据处理单元13是计算机，或者使用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

a)毫米波信号发生电路产生载波信号，经过功分器2后信号分成两路：一路经过放大器3由发射天线4发射载波信号。用毫米波作载波信号可以对微小振动产生较大多普勒频移，从而提高测量的灵敏度。

b)毫米波信号发生电路的经过功分器2后的另一路信号经过本振放大器8、功分器9分成两路本振信号，其中一路信号经过90°移相器10，从而形成两路正交本振信号进入混频器11和混频器12。

c)发射的载波信号被低频振动调制后反射，被接收天线5接收，并经过接收信号放大器6后，由功分器7分成两路RF射频信号，分别输入到混频器11和混频器12的RF输入端。正交混频可以减少相位噪声的影响。提高测量的精度。

d)经过下变频的输出信号直接输入给数据处理单元13。利用毫米波测量低频振动的数据处理单元应该是使用计算机或者使用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。并且应用一些特殊的数据处理方法实现。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

毫米波信号发生电路部分可采用西安恒达微波技术开发公司生产的八毫米波振荡器，频率范围26.5～40GHz，输出功率20mW～100mW。

系统中的三个功分器的功能相同，可采用同样型号。可以采用ATM公司(Advanced Technical Materials Inc.)的WR28-261A功分器，其工作频率在26～30GHz，口间隔离为26dB。功分器也可以用微带设计方法自行设计。

混频器可以选择西安恒达微波技术开发公司的型号为HD-320W+M混频器。频率范围在26.5～40GHz。

90°移相器采用ATM公司(Advanced Technical Materials Inc.)的型号为P1409-360^**的可调移相器，其工作频率范围在18～40GHz，相位调节范围为0～360度，插入损耗不大于2.5dB，1dB压缩点最大功率能够达到100w。

发射、接收天线可以采用喇叭口天线的形式，可选用西安恒达微波技术开发有限公司的双脊喇叭天线HD-260LHA50，工作频段22～33GHz，平均功率增益19dB，可以满足应用要求。发射天线也可以自行设计。

发射放大器采用高增益功率放大器，以提高发射功率，可采用TriQuintSemiconductor公司设计的型号为TGA1073B-SCC功率放大器，其工作频率范围27～32GHz，增益25dB。

接收放大器使用低噪声高增益放大器，可以采用TriQuint Semiconductor公司设计的型号为TGA1307-EPU低噪声放大器，频率为23～29GHz，噪声系数3.1，增益15dB。

本振放大器主要用于提供足够大的本振信号源，可以选择一般的放大器，市场上规格较多，如中国电子科技集团公司第十三研究所BmmLna2430B毫米波放大器，频率范围24～30GHz，增益30dB，噪声系数3.5dB

数据处理单元可以用计算机实现，也可以用基于微处理器、DSP的嵌入式系统来实现。具体指标需要视微波信号的收发情况确定。

Claims (4)

1.一种利用毫米波测量低频振动频率的方法，其特征在于：

1)利用多普勒频移原理，通过毫米波发射系统发射测量信号，信号经过低频振动反射后，振动信息反映在多普勒效应上；

2)反射波通过毫米波接收系统接收，并做正交解调，送入数据处理系统；

3)数据处理采用加滑动窗函数、中心削波处理和自相关处理方法加强低频振动频率，从而测量低频振动频率。

2.一种利用毫米波测量低频振动的系统，其特征在于：包括毫米波信号发生电路(1)，三个功分器(2、7、9)，发射放大器(3)，发射天线(4)，接收天线(5)，接收放大器(6)，本振放大器(8)，90°移相器(10)，两个混频器(11、12)，数据处理单元(13)和电源电路；由毫米波信号发生电路(1)产生载波信号，经过第一功分器(2)后信号分成两路：一路经过发射放大器(3)接发射天线发射载波信号；另一路经过本振放大器(8)、第二功分器(9)后分成两路本振信号，其中一路信号接第一混频器(11)的本振输入端，其中另一路信号接90°移相器(10)的输入端，90°移相器(10)的输出端接第二混频器(12)的本振输入端；接收天线(5)的信号，经过接收放大器(6)后接第三功分器(7)后，分成两路RF射频信号，一路接第一混频器(11)的射频输入端，另一路接第二混频器(12)的射频输入端，第一混频器(11)和第二混频器(12)的中频输出端分别接数据处理单元(13)的输入端；电源电路为各个部分供电。

3.根据权利要求2所述的一种利用毫米波测量低频振动的系统，其特征在于：所述的数据处理单元(13)是计算机，或者使用基于微处理器的嵌入式处理系统。

4.根据权利要求2所述的一种利用毫米波测量低频振动的系统，其特征在于：所述的数据处理单元(13)是基于DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

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