CN104251675A - 一种多目标微变形实时遥测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多目标微变形实时遥测方法与系统，系统由安装在固定位置的微变形遥测射频标签阅读器和安装在被测物上的多个观测点射频标签构成。标签阅读器辐射射频载波信号，标签收到该信号后，使用不同频率的正弦波信号对其进行调制，然后再转发回标签阅读器，标签阅读器收到多个标签的混合回波信号，使用正交下变频电路将其下变频至基带，然后使用标签分离电路即多个极窄带带通滤波器分离识别标签，使用相位检测电路获取射频信号往返于标签阅读器和各个标签之间的相位差，从而测量出每个标签的位移量。该方法具有如下优点：(1)系统测量精度高，实时响应速度快；(2)安装使用方便，观测点之间，观测点与遥测终端之间无需线缆连接。

Description

一种多目标微变形实时遥测方法与系统

技术领域

本发明属于测量仪器领域，涉及一种多目标微变形实时遥测方法与系统。

背景技术

电力杆塔、摩天大楼、桥梁、大坝、大型飞机等大型构件在使用中会发生变形，变形测量是探索变形机理的基本方法，是危险预警的重要手段。专利CN1271419C和专利CN101349753A总结分析了几种常见测量方法，指出射频技术用于变形测量具有很多优点。

专利CN1271419C提出了一种微位移测量方法，测量系统由安放在被测点上的无源角反射器和测点上的微波比相设备构成，其基本工作原理为：通过测量单频射频信号往返于微波比相设备与无源角反射器之间的相位差来测量角反射器的位移量。这种方法的主要缺点是：(1)观测点为无源角反射器，作用距离有限；(2)密集分布的无源角反射器信号很难分离，不能实现多观测点同时测量。

专利CN101349753A提出了一种多观测点微变形遥测方法，测量系统由安装在被测物上的多个无线电信标机和远端的遥测接收机构成，其基本工作原理为：信标机使用不同的伪码调制同频同相的载波信号，信标机向遥测接收机辐射射频信号，遥测接收机接收信标机发来的混合扩频调制信号，在达到伪码同步后，分离出各信标机的载波信号，对载波信号进行鉴相，可以监测出建筑物的变形量。这种方法的缺点是：(1)产生大量正交伪码十分困难，多址干扰大，从而系统测量精度低；(2)由于各信标机之间要使用公共本振信号，各信标机之间需要使用线缆相互连接，这样安装使用不方便；(3)遥测接收机电路复杂，伪码失锁时电路工作失效，无法测得各观测点位移量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多目标微变形实时遥测方法，该方法通过使用射频标签阅读器测量安装在被测物上的每个观测点射频标签的位移量来实现整个被测物表面微变形的测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多目标微变形分时遥测方法，系统由安装在固定位置的微变形遥测射频标签阅读器和安装在被测物上的多个观测点射频标签构成。标签阅读器辐射射频载波信号，每个射频标签收到该信号后，使用不同频率的低频正弦波调制信号对其进行调制，然后再转发回标签阅读器，标签阅读器收到多个标签的混合回波信号，使用正交下变频电路将下变频至基带(收发共射频本振)，然后使用标签分离电路(极窄带带通滤波器)分离识别标签，使用相位检测电路获取射频载波信号往返于标签阅读器和各个射频标签之间的相位差，从而测量出每个标签的位移量。

一种多目标微变形实时遥测系统，由安装在被测物上多个观测点射频标签和安装在固定位置的微变形遥测射频标签阅读器构成，通过测量射频载波信号往返于阅读器和各个射频标签之间的相位差的变化量来测量每个标签的位移量。射频标签由接收天线，标签信号发生器，调制器以及发射天线构成；标签阅读器由射频本振信号发生器，发射天线，接收天线，正交下变频器，标签分离电路，相位检测电路，以及位移量计算/变形曲线拟合模块构成。

本发明的有益效果在于：(1)系统测量精度高，实时响应速度快；(2)安装使用方便，观测点之间，观测点与遥测终端之间无需线缆连接。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的系统结构总体框图；

图2为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的系统结构总体框图。系统由安装在被测物表面的若干个射频标签(图中只画出了任意两个射频标签，第i个射频标签20和第j个射频标签21)作为观测点和位于远端固定位置的标签阅读器1作为变形遥测终端构成。

第i个射频标签20由接收天线201，标签信号发生器202，调制器203以及发射天线204构成。接收天线201用于接收标签阅读器发来的射频载波；标签信号发生器202用于产生低频正弦波调制信号；调制器203用于将标识标签的正弦波调制信号对接收到的来自于标签阅读的射频载波信号进行调制；发射天线204用于将已调信号向标签阅读器辐射。第j个射频标签21与第i个射频标签结构相同，也由接收天线211，标签信号发生器212，调制器213以及发射天线214构成，不同之处在于标签信号发生器产生的正弦波调制信号频率不同。

标签阅读器1由射频本振信号发生器10，发射天线11，接收天线12，正交下变频器13，标签分离电路14，相位检测处理15，以及位移量计算/变形曲线拟合模块16构成。射频本振信号发生器产生正交的射频载波信号，其中同相载波信号通过标签发射天线11向各射频标签辐射；接收天线12接收到各射频标签转发回来的混合回波信号，然后使用正交的射频本振信号对此回波信号进行正交下变频13，将其变换到基带信号，使用标签分离电路14分离各标签回波信号，再使用相位检测电路15计算射频载波信号往返于射频标签阅读器1和各射频标签如20和21的相位差，使用位移量计算/变形曲线拟合模块16，将检测到的相位差变化量转换为各射频标签的位移量，进而拟合出整个被测物的整体形变情况。

图2为本发明的系统工程流程图。本发明包括以下8个步骤：

步骤30：被测物表面上安装射频标签，远端固定位置安装标签阅读器。

步骤31：标签阅读器辐射射频载波信号。

射频标签阅读器发射的射频载波信号为：

s₁(t)＝cos(ω₀t)                                           (公式1)

这里的ω₀表示阅读器射频载波角频率，ω₀＝2·π·f₀，c＝λ₀·f₀，c为电磁波传播速度，λ₀为射频载波波长。

步骤32：每个射频标签接收信号，使用正弦波信号调制接收载波信号，然后向标签阅读器辐已调信号。

第i个射频标签收到的信号为：

s_2i(t)＝cos(ω₀(t－d_i/c))＝cos(ω₀t+φ_i)                          (公式2)

这里的φ_i＝－2·π·f₀·d_i/c＝－2·π·d_i/λ₀，d_i为标签i与阅读器之间的距离。

假设第i个标签的调制信号为正弦波信号：

s_3i(t)＝cos(ω_it+θ_i)                                    (公式3)

这里的ω_i表示低频调制信号的角频率，ω_i＝2·π·f_i，c＝λ_i·f_i，λ_i为波长，f_i＜＜f₀，θ_i为调制信号初始相位。

使用该低频调制信号对收到的射频载波信号s_3i(t)进行调制，得到的已调信号为

s_4i(t)＝2·s_3i(t)·s_2i(t)＝cos(ω_Lit+φ_Li)+cos(ω_Uit+φ_Ui)                   (公式4)

这里的ω_Li＝ω₀-ω_i，ω_Ui＝ω₀+ω_i，φ_Li＝φ_i-θ_i，φ_Ui＝φ_i+θ_i。

步骤33：标签阅读器接收混合回波信号。

阅读器接收到的第i个标签回波信号为：

s_5i(t)＝cos(ω_Li(t-d_i/c)+φ_Li)+cos(ω_Ui(t-d_i/c)+φ_Ui)

＝cos(ω_Lit+Φ_Li)+cos(ω_Uit+Φ_Ui)                                   (公式5)

这里的Φ_Li＝φ_i-θ_i-2·π·d_i/λ_Li，这里的1/λ_Li＝1/λ₀-1/λ_i；Φ_Ui＝φ_i+θ_i-2·π·d_i/λ_Ui，这里的1/λ_Ui＝1/λ₀+1/λ_i；

如果所有n个标签同时工作，阅读器接收的信号为混合信号：

$s_5\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{s}_{5i}\left(t\right)$                                           (公式6)

步骤34：标签阅读器对混合回波信号进行正交下变频处理。

阅读器同相射频本振信号(阅读器发射信号)为：

s₆(t)＝cos(ω₀t)                                      (公式7)

阅读器正交射频本振信号为：

s₇(t)＝-sin(ω₀t)＝-cos(ω₀t-π/2)                               (公式8)

s₅(t)与同相本振s₆(t)混频，下变频后的基带信号为：

$s_8\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{s}_{8i}\left(t\right)$                                          (公式9)

s₅(t)与同相本振s₇(t)混频，下变频后的基带信号为：

$s_9\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{s}_{9i}\left(t\right)$                                        (公式10)

其中s_8i(t)和s_9i(t)分别为：

$s_{8i}\left(t\right)=(\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}})+\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}))/2=\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2})\cos \left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right)$        (公式11)

$s_{9i}\left(t\right)=-(\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t-\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}})+\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}))/2=\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2})\sin \left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right)$

                                         (公式12)

步骤35：使用标签分离电路分离标签信号。

采用标签分离电路即使用多个极窄带带通滤波器可以分别从混合基带信号s₈(t)和s₉(t)提取出第i个标签的基带信号s_8i(t)和s_9i(t)，从而实现多个射频标签的分辨与识别。

步骤36：使用相位检测电路计算信号往返于标签阅读器和各个标签之间的相位差。

对第i个标签的基带信号s_8i(t)和s_9i(t)做如下处理：

(公式11)的平方与公式(12)的平方相减，得到：

$\begin{array}{c}{s}_{11i}\left(t\right)={\cos }^2({\mathrm{\ω}}_{i}t+\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2})({\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right)-{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right))\\ =((1+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}))/2)\cos ({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}})\end{array}$                     (公式13)

经过低通滤波器之后，得到：

s_12i(t)＝cos(Φ_Ui+Φ_Li)/2                                           (公式14)

(公式11)与公式(12)相乘，得到：

$\begin{array}{c}{s}_{13i}\left(t\right)={\cos }^2({\mathrm{\ω}}_{i}t+\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2})\sin \left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right)\cos \left(\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}}{2}\right)\\ =((1+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}}))/4)\sin ({\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Ui}}+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Li}})\end{array}$                                 (公式15)

经过低通滤波后得到：

s_14i(t)＝sin(Φ_Ui+Φ_Li)/4                                   (公式16)

根据(公式14)和(公式16)，使用鉴相器电路计算射频载波往返于标签阅读器和第i个标签之间的相位差ΔΦ_i＝Φ_Ui+Φ_Li。

ΔΦ_i＝Φ_Ui+Φ_Li＝(φ_i+θ_i-2·π·d_i/λ_Ui)+(φ_i-θ_i-2·π·d_i/λ_Li)

ΔΦ_i＝2·φ_i-2·π·d_i/λ_Ui-2·π·d_i/λ_Li

ΔΦ_i＝-2·2·π·d_i/λ₀-2·π·d_i(1/λ₀+1/λ_i)-2·π·d_i(1/λ₀-1/λ_i)

ΔΦ_i＝-8·π·d_i/λ₀                                                  (公式18)

步骤37：计算各标签位移量，拟合变形曲线。

从(公式18)可以看出，只要测出射频信号由阅读器到标签再返回阅读器的相位差ΔΦ_i的变化量，就能得到观测点射频标签i距阅读器的距离d_i的变化量，即为标签i的位移量Δd_i。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种多目标微变形实时遥测方法，由安装在被测物上多个观测点射频标签和安装在固定位置的微变形遥测射频标签阅读器构成，通过测量射频载波信号往返于阅读器和各个射频标签之间的相位差的变化量来测量每个标签的位移量，其特征在于：标签阅读器辐射射频载波信号，每个射频标签在收到该信号后，使用不同频率的低频正弦波信号对其进行调制，然后再转发回标签阅读器，标签阅读器收到多个标签的混合回波信号，使用正交下变频电路将其下变频至基带，然后使用标签分离电路分离识别标签，使用相位检测电路获取射频信号往返于标签阅读器和各个射频标签之间的相位差，从而测量出每个标签的位移量，拟合出被测物表面的微变形量。

2.一种多目标微变形实时遥测系统，由安装在被测物上多个观测点射频标签和安装在固定位置的微变形遥测射频标签阅读器构成，通过测量射频载波信号往返于阅读器和各个射频标签之间的相位差的变化量来测量每个标签的位移量，其特征在于：射频标签由接收天线，标签信号发生器，调制器以及发射天线构成；标签阅读器由射频本振信号发生器，发射天线，接收天线，正交下变频器，标签分离电路，相位检测电路，以及位移量计算/变形曲线拟合模块构成。

3.根据权利要求2所述的一种多目标微变形实时遥测系统，其特征在于：所述标签信号发生器产生的调制信号为单频正弦波信号，不同标签所用的正弦波信号频率不同。

4.根据权利要求2所述的一种多目标微变形实时遥测系统，其特征在于：所述标签阅读器的正交下变频电路与射频载波信号发射电路使用公共的射频本振。

5.根据权利要求2所述的一种多目标微变形实时遥测系统，其特征在于：所述标签阅读器的标签分离电路为多个极窄带带通滤波器。

6.根据权利要求2所述的一种多目标微变形实时遥测系统，其特征在于：所述标签阅读器的相位检测处理过程为，将同相支路基带信号与正交支路基带信号做平方差运算后，再经过低通滤波器，得到载波信号往返于往返于阅读器与各标签之间的相位差的余弦函数值；将同相支路基带信号与正交支路基带信号做相乘运算后，再经过低通滤波器，得到载波信号往返于往返于阅读器与标签之间的相位差的相位差的正弦函数值；使用鉴相器计算出载波信号往返于阅读器与标签之间的相位差。