CN102331290A - 通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法和装置。由本地振荡器产生的参考信号作为整个系统的同步时钟，该参考信号分为三路：第一路参考信号经过频率合成器，功率放大器后由发射天线发射到所要探测的振动物体，被反射回来的信号由接收天线接收，经过接收滤波器后发送到下变频器；第二路参考信号经过频率合成器后发送到下变频器，下变频器输出的信号经过带通滤波器滤波后发送到解调器；第三路参考信号经过可调移相器后发送到解调器，解调器输出的基带信号发送到数字信号处理器处理得到所要探测的振动物体的振动信息。本发明采用的相位控制不仅可以有效的解决测量零点问题，提高测量的准确度，而且结构比正交解调结构简单。

Description

通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种测量物体机械振动的方法和装置，特别是涉及一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法和装置。
背景技术
微波通常被定义为频率为300MHz～3GHz的电磁波，波长在1米到1毫米之间，比红外线、远红外线等波长更长，具有更好的穿透性，此外，微波信号可以提供相位信息，通过发射连续的微波信号到被探测物体，返回的信号相位被调制而具有被探测物体振动的信息，解调出该返回信号就可以获得所要探测的振动信息。
物体的机械振动测量在设备维护、材料探伤、医学研究等领域具有重要的应用意义。目前的测量方法有接触式探测技术，通过传感器、电极来获取探测信息，从而分析得到物体的机械振动，这种方法技术成熟、测量精度高，但是这种方法要求与被探测物体有直接或者间接的接触，从而限制了其应用范围。因此，非接触式振动测量在一些特殊环境下具有十分重要的应用意义。目前的非接触式探测技术主要是利用激光干涉原理和多普勒效应实现的，激光对天气和气候的依赖性很大，而微波穿透性更好，受天气和气候影响小，可以弥补利用激光实现的非接触式探测技术的不足，提高非接触式探测技术的适用性。在利用多普勒效应实现非接触式振动测量的探测系统中，普遍存在着测量零点的问题。常用的直接下变频接收机方案还需要解决本振泄漏和直流偏差的问题，而正交解调结构比较复杂，并且只能在一定程度上改善测量零点的问题，无法保证系统处于测量最佳点上，这就影响了测量的准确度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法和装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一、一种通过相位控制解决非接触式振动测量零点问题的方法，该方法的步骤如下：
由本地振荡器产生频率值为f1的参考信号作为整个系统的同步时钟，该参考信号分为三路：
第一路参考信号发送到频率合成器，产生频率值为f2的微波发射信号，该微波发射信号经过功率放大器放大后成为大功率微波发射信号，并由发射天线发射到所要探测的振动物体，该大功率微波发射信号被所要探测的振动物体反射回来后由接收天线接收下来，经过接收滤波器滤波后成为预滤波的微波接收信号，再发送到下变频器；
第二路参考信号发送到频率合成器，产生频率值为f2-f1的下变频微波信号，并发送到下变频器，该下变频微波信号和预滤波的微波接收信号经过下变频器变换后的信号发送到带通滤波器，产生待解调的微波信号，并发送到解调器；
第三路参考信号先发送到可调移相器，产生一个移相后的参考信号，再发送到解调器，该移相后的参考信号和待解调的微波信号经过解调器解调后成为基带信号，再发送到数字信号处理器进行处理，从而得到所要探测的振动物体的振动信息。
所述的数字信号处理器产生一个控制信号后，发送到可调移相器，从而实现相位的自动调节。
二、一种通过相位控制解决非接触式振动测量零点问题的装置：
本发明包括本地振荡器、频率合成器、功率放大器、发射天线、接收天线、接收滤波器、下变频器、频率合成器、带通滤波器、解调器、数字信号处理器；本地振荡器的输出端分别与频率合成器的输入端、频率合成器的输入端和解调器的输入端连接，频率合成器的输出端和功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端和发射天线的输入端连接，接收天线的输出端和接收滤波器的输入端连接，接收滤波器的输出端和下变频器的一个输入端连接，频率合成器的输出端和下变频器的另一个输入端连接，下变频器的输出端和带通滤波器的输入端连接，带通滤波器的输出端和解调器的另一个输入端连接，解调器的输出端和数字信号处理器的输入端连接。电源电路为各个部分供电；所述的本地振荡器和解调器之间接有可调移相器。
所述的数字信号处理器的输出端与可调移相器的输入端连接。
所述的数字信号处理器为计算机、基于微处理器的嵌入式处理系统、基于DSP的嵌入式处理系统或者基于FPGA的嵌入式处理系统。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明利用微波进行物体机械振动的测量不仅可以在保证测量灵敏度的情况下穿透更大尺寸的非金属障碍物，对天气和气候的依赖性更小，而且可以采用简单的小尺寸器件来实现该系统；采用的超外差式接收机结构可以有效的避免本振泄漏和直流偏差问题；采用的相位控制不仅可以有效的解决测量零点问题，提高测量的准确度，而且结构比正交解调结构简单。通过本发明方法可以有效地实现在一定范围内物体机械振动的非接触式测量。
附图说明
附图是本发明装置的结构原理图。
附图中：1、本地振荡器，2、频率合成器，3、功率放大器，4、发射天线，5、接收天线，6、接收滤波器，7、下变频器，8、频率合成器，9、带通滤波器，10、可调移相器，11、解调器，12、数字信号处理器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明应用微波多普勒效应实现非接触式的振动测量。图1示出了一种用于实施本发明测量方法的装置，它包括本地振荡器1、频率合成器2、功率放大器3、发射天线4、接收天线5、接收滤波器6、下变频器7、频率合成器8、带通滤波器9、可调移相器10、解调器11、数字信号处理器12；本地振荡器1的输出端分别和频率合成器2的输入端、频率合成器8的输入端、可调移相器10的输入端连接，频率合成器2的输出端和功率放大器3的输入端连接，功率放大器3的输出端和发射天线4的输入端连接，接收天线5的输出端和接收滤波器6的输入端连接，接收滤波器6的输出端和下变频器7的一个输入端连接，频率合成器8的输出端和下变频器7的另一个输入端连接，下变频器7的输出端和带通滤波器9的输入端连接，带通滤波器9的输出端和解调器11的一个输入端连接，可调移相器10的输出端和解调器11的另一个输入端连接，解调器11的输出端和数字信号处理器12的输入端连接。电源电路为各个部分供电。本发明可调移相器可采用Mini-Circuits公司的ELS-210，这是一款工作频率范围为80MHz～210MHz的压控移相器，相位移动范围为0°～360°。
所述的数字信号处理器12为计算机、基于微处理器的嵌入式处理系统、基于DSP的嵌入式处理系统或者基于FPGA的嵌入式处理系统。
利用图1所示的装置进行相位控制解决非接触式振动测量零点问题的方法的具体步骤如下：
由本地振荡器1产生频率值为f1的参考信号作为整个系统的同步时钟，该参考信号分为三路：
第一路参考信号发送到频率合成器2，产生频率值为f2的微波发射信号，该微波发射信号经过功率放大器3放大后成为大功率微波发射信号，并由发射天线4发射到所要探测的振动物体，该大功率微波发射信号即为探测信号，设探测信号为T(t)＝cos(2πf2t+φ(t))，其中，φ(t)为探测信号发射时的相位噪声，所要探测的振动物体与发射天线4和接收天线5的距离均为d0，所要探测的振动物体的振动表示为x(t)，该大功率微波发射信号被所要探测的振动物体反射回来后由接收天线5接收下来，经过接收滤波器6滤波后成为预滤波的微波接收信号，再发送到下变频器7，根据微波多普勒效应，该预滤波的微波接收信号可以表示为
Figure BSA00000499626900041
其中，λ是探测信号的波长，c是探测信号的传播速度；
第二路参考信号发送到频率合成器8，产生频率值为f2-f1的下变频微波信号，并发送到下变频器7，该下变频微波信号和预滤波的微波接收信号经过下变频器7变换后的信号发送到带通滤波器9，产生待解调的微波信号，并发送到解调器11；
第三路参考信号发送到可调移相器10，产生一个移相后的参考信号，再发送到解调器11，该移相后的参考信号和待解调的微波信号经过解调器11解调后成为基带信号，该基带信号为
Figure BSA00000499626900042
其中，
Figure BSA00000499626900043
不仅包含剩余相位噪声
Figure BSA00000499626900044
和所要探测的振动物体与发射天线4、接收天线5之间距离d0决定的固有相移
Figure BSA00000499626900045
θ0表示受反射平面的相移180度以及器件因素等其他影响，而且包含可调移相器10移动的相位
Figure BSA00000499626900046
假定x(t)远小于λ，当
Figure BSA00000499626900051
时，n为整数，对B(t)进行泰勒展开可以得到
Figure BSA00000499626900052
此时无法得到所要探测的振动物体的振动信息，即被探测物体处于测量零点，当
Figure BSA00000499626900053
时，n为整数，
Figure BSA00000499626900054
此时解调得到的基带信号与所要探测的振动物体的振动信息成线性关系，即被探测物体处于测量最佳点，通过改变可调移相器10移动的相位
Figure BSA00000499626900055
使得n为整数，可以得到
Figure BSA00000499626900057
再将该信号发送到数字信号处理器进行处理，从而得到所要探测的振动物体的振动信息x(t)。
作为本发明的优选实施方式，所述的数字信号处理器12产生一个控制信号后，发送到可调移相器10，从而实现相位的自动调节。

Claims (5)

1.一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法，该方法的步骤如下：由本地振荡器(1)产生频率值为f1的参考信号作为整个系统的同步时钟，该参考信号分为三路：
第一路参考信号发送到频率合成器(2)，产生频率值为f2的微波发射信号，该微波发射信号经过功率放大器(3)放大后成为大功率微波发射信号，并由发射天线(4)发射到所要探测的振动物体，该大功率微波发射信号被所要探测的振动物体反射回来后由接收天线(5)接收下来，经过接收滤波器(6)滤波后成为预滤波的微波接收信号，再发送到下变频器(7)；
第二路参考信号发送到频率合成器(8)，产生频率值为f2-f1的下变频微波信号，并发送到下变频器(7)，该下变频微波信号和预滤波的微波接收信号经过下变频器(7)变换后的信号发送到带通滤波器(9)，产生待解调的微波信号，并发送到解调器(11)；
第三路参考信号发送到解调器(11)，经过解调器(11)解调后成为基带信号，再发送到数字信号处理器(12)进行处理；其特征在于：
所述的第三路参考信号先发送到可调移相器(10)，产生一个移相后的参考信号，再发送到解调器(11)，该移相后的参考信号和待解调的微波信号经过解调器(11)解调后成为基带信号，再发送到数字信号处理器(12)进行处理，从而得到所要探测的振动物体的振动信息。
2.根据权利要求1所述的一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的方法，其特征在于：所述的数字信号处理器(12)产生一个控制信号后，发送到可调移相器(10)，从而实现相位的自动调节。
3.一种实施权利要求1所述方法的通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的装置，包括本地振荡器(1)、频率合成器(2)、功率放大器(3)、发射天线(4)、接收天线(5)、接收滤波器(6)、下变频器(7)、频率合成器(8)、带通滤波器(9)、解调器(11)、数字信号处理器(12)；本地振荡器(1)的输出端分别与频率合成器(2)的输入端、频率合成器(8)的输入端和解调器(11)的输入端连接，频率合成器(2)的输出端和功率放大器(3)的输入端连接，功率放大器(3)的输出端和发射天线(4)的输入端连接，接收天线(5)的输出端和接收滤波器(6)的输入端连接，接收滤波器(6)的输出端和下变频器(7)的一个输入端连接，频率合成器(8)的输出端和下变频器(7)的另一个输入端连接，下变频器(7)的输出端和带通滤波器(9)的输入端连接，带通滤波器(9)的输出端和解调器(11)的另一个输入端连接，解调器(11)的输出端和数字信号处理器(12)的输入端连接。电源电路为各个部分供电；其特征在于：所述的本地振荡器(1)和解调器(11)之间接有可调移相器(10)。
4.根据权利要求3所述的一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的装置，其特征在于：所述的数字信号处理器(12)的输出端与可调移相器(10)的输入端连接。
5.根据权利要求3所述的一种通过相位控制解决非接触振动测量零点问题的装置，其特征在于：所述的数字信号处理器(12)为计算机、基于微处理器的嵌入式处理系统、基于DSP的嵌入式处理系统或者基于FPGA的嵌入式处理系统。
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