CN104459683B - 基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法与系统，通过特定的系统结构设计将调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)雷达的频率测量技术与单频连续波(Continuous Wave,CW)干涉雷达的相位测量技术融为一体，分别根据频率估计和相位测量同时实现多目标的识别和高精度位移的测量。本发明将FMCW雷达和CW雷达融为一体，同时具备FMCW雷达多目标识别和CW雷达高精度测量的优点；相比于软件配置模式的FMCW/CW雷达，本发明的测量不需要模式切换、不需要特殊要求的波形调制等额外操作，可同时实时完成多个目标位移的高精度测量。

Description

基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法与系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法与系统。
背景技术
大型建筑结构，特别是高层建筑楼、跨江大桥、城市立交桥、铁路桥等，是保证社会正常运转和人们正常生活的基础设施，对这些建筑结构实施健康监测可以定期反应它们的使用状况，提供必要的故障预警信息。在结构将康监测的众多监测参数中，位移的测量可以直接体现当前结构的承力状况，反应结构内部的健康状态。目前在结构将康监测中广泛应用的位移传感器可以分为接触式与非接触式两大类，接触式传感器需要将其安装在结构上，且需要在结构上选取一个参考位移点，理想参考点的选择和连线为实际现场应用带来了极大的困难，并且为了全面监测建筑结构的运行状况，需要在结构的多个位置上安装一系列传感器，这样进一步增加了系统实现的难度。而非接触式的传感器则不需要在结构上选择参考点，为结构将康监测的现场应用带来极大方便，因此，催生了非接触式位移传感器的开发与应用。
目前广泛应用于结构将康监测中位移测量的非接触式传感器/系统，主要包括全站仪、图像传感器、全球定位系统(Global Position System,GPS)。全站仪和图像传感器均以光学传感为基础，GPS则以无线电磁波信号作为测量介质。
全站仪：以相位式激光测距为基础进行目标点的三维位移测量，全站仪包括激光测距系统和经纬仪测角系统，首先激光测距通过差频测相的方法实现高精度测距，然后由光电经纬仪进行目标的高精度角度测量，最后结合目标的测距和测角结果，完成目标高精度位移测量。
图像传感器：以有源发光靶作为目标，以光学成像的方法，在接收端通过长焦镜头将目标靶成像在图像采集卡，根据几何光学的物像公式计算目标的位移。
GPS系统：以太空中的卫星作为基准点，在结构上安装GPS接收电线作为目标点，当接收天线4颗及4颗以上的卫星时，通过测量每一颗卫星与接收天线之间的距离，再根据空间交会的原理完成目标位移的测量。
虽然上述三种方法在结构健康监测中得到了广泛应用，但在实际应用中它们各自均存在难以解决的问题。
全站仪：由于全站仪是精密的光学仪器，高精度测距和测角是保证其高精度位移测量的基础。在实际结构健康监测中，需要全站仪在野外环境下进行长期的监测任务，而野外的恶劣环境对光学元件损伤严重，会严重破坏全站仪的测量精度，并且在雨雾天气时，全站仪也不能完成位移监测任务。对于多点测量，可以通过在结构上安装多个反射棱镜，反射棱镜同样需要承受恶劣的野外环境，长期的监测会影响反射棱镜的质量。
图像传感器：由于图像传感器的位移测量是通过光学成像的方法完成，成像的质量直接影响位移测量的精度。在实际结构健康监测中，它跟全站仪相似，面临相同的问题，恶劣的野外环境会损坏光学系统，在雨雾天图像传感器不能正常工作。对于多点测量，需要在结构上安装多个有源目标靶，同样需要多个图像采集设备，这样会增加监测系统的复杂度和成本。
GSP系统：由于GPS系统根据空间卫星通过电磁波测距完成空间交会测量，测距的精度和空间卫星的数量、空间位置，影响目标位移的精度。单点GPS的测距精度为米级，即使采用差分GPS，精度也仅能达到厘米级，并且所观测的卫星数量、空间位置是随时变化的，这些因素导致GPS系统的位移测量精度为厘米级。并且单个GPS接收机的价格在10万人民币以上，价格较高，而对于多点测量，需要在结构上安装多个GPS接收天线，会严重增加监测系统的成本。不过由于GPS系统采用电磁波测距，因此它可以完成全天候测量。另外，由于GPS系统以电路系统完成测量，因此可以承受恶劣的野外环境。
综上所述，目前常用的监测系统均存在各自的问题，目前尚没有一种可以同时满足全天候、高精度、低成本要求的结构健康监测系统。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法及系统。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的，一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法，包括以下步骤，S1.产生单频微波信号V1和调频连续波信号V0；S2.将单频微波信号和调频连续波信号进行混频、放大后得到发射信号V发射；S3.发射信号经过多个目标反射后，接收天线收到信号V接收；S4.接收到的接收信号V接收与压控振荡器输出的调频连续波信号Vo进行混频，得到中频信号VIF1；S5.对中频信号VIF1滤波，得到中频信号VIF2：S6.中频信号VIF2和单频微波信号V1混频，进行正交解调，得到I/Q信号VI和VQ；
其中，f0为调频连续波雷达的初始频率，B为发射信号的扫频带宽，T为发射信号的扫频周期；f1为单频微波信号V1的微波信号频率，τi是分别对应电磁波往返于各个目标与天线的时间差，N表示目标数；
S7.对信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，获得各目标对应的幅值、频率和相位；S8.根据S7获得各目标距离Ri和位移ΔRi。
进一步，所述S7具体包括以下子步骤：对拍频信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，根据频谱分析的幅值得到各目标对应幅度，再根据式(3)得到相位差ΔΦi：
对VI或VQ进行傅里叶变换得各目标的频率：
各目标距离Ri和位移ΔRi的解算公式：
Ri＝cT/2B·fi (5)
ΔRi＝c/4πfo·ΔΦi (6)
其中c表示电磁波速。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的，一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，包括信号发射单元、信号接收单元、I/Q信号单元、模数转换器和数字信号处理器，所述信号发射单元用于发射电磁波波束；所述信号接收单元用于接收来自目标的反射波并生成与反射波相对应的接收信号；所述I/Q信号单元接收反射波和发射的电磁波波束生成拍频信号VI和VQ；所述模数转换器用于将I/Q信号单元输出的I/Q信号转换成数字信号并输入到数字信号处理器中，所述数字信号处理器将模数转换器的输出信号进行处理得到各目标距离和位移；其中
其中，f0为FMCW雷达的初始频率，B为发射微波信号的扫频带宽，T为发射微波信号的扫频周期；f1为CW雷达的微波信号频率，τi是分别对应电磁波往返于各个目标与天线的时间差，N表示目标数。
进一步，所述信号发射单元包括用于生成第一锯齿波的第一锯齿波发生器、第一压控振荡器、第一功分器、第一混频器、第二功分器、用于生成第一单频微波信号的第一单频微波源、第一功率放大器和至少一个发射天线；第一单频微波信号经第二功分器生成第一信号1和第二信号2，第一锯齿波经第一压控振荡器生成第一调频连续波，第一调频连续波经第一功分器生成第四信号4和第五信号5，第四信号4与第一信号1经第一混频器生成第三信号3，第三信号3经第一功率放大器放大后由发射天线发出。
进一步，所述I/Q信号单元包括第一移相器、第三功分器、第四功分器、第二混频器、第三混频器和第四混频器，所述第二信号2经第三功分器生成第九信号9和第十信号10，第五信号5与信号接收单元的接收信号经第二混频器生成第六信号6，第六信号6经滤波放大后再经第四功分器生成第七信号7和第八信号8，第九信号9经第一移相器后与第七信号7在第四混频器混频后生成第十一信号11，第十信号10与第八信号8经第三混频器混频后生成第十二信号12，第十一信号11和第十二信号12分别经过滤波放大处理后输入到模数转换器中。
进一步，所述信号发射单元包括用于生成第二锯齿波的第二锯齿波发生器、第二压控振荡器、第五混频器、用于生成第二单频微波信号的第二单频微波源、第二功率放大器和至少一个发射天线，所述第二锯齿波经第二压控振荡器生成第二调频连续波，第二调频连续波与第二单频微波信号经第五混频器混频后生成第十三信号13，所述第十三信号13经耦合器后生成第十四信号14和第十五信号15，所述第十四信号14经第一功率放大器放大后由发射天线发出；所述第十五信号15输入到I/Q信号单元。
进一步，所述I/Q信号单元包括第六混频器、第七混频器、第五功分器、第六功分器和第二移相器；第十五信号15经第六功分器生成第十八信号18和第十九信号19，信号接收单元接收的信号经第五功分器生成第十六信号16和第十七信号17，第十六信号16与第十八信号18经第六混频器生成第二十信号20，第十七信号17通过第二移相器后与第十九信号19经第七混频器生成第二十一信号21，第二十信号20与第二十一信号21分别经过滤波放大后输入到模数转换器中。
进一步，通过对信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，对拍频信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，根据频谱分析的幅值得到各目标对应幅度，再根据式(3)得到相位差，微波干涉的相位差：
对VI或VQ进行傅里叶变换得各目标的频率：
各目标距离Ri和位移ΔRi的解算公式：
Ri＝cT/2B·fi (5)
ΔRi＝c/4πfo·ΔΦi (6)
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
相比于全站仪、图像传感器等光学仪器，本发明采用微波作为测量介质，能够实现全天候测量；
相比于GPS系统，本发明具有CW雷达高精度位移测量的优点；
相比于单独的FMCW雷达和CW雷达，本发明将FMCW雷达和CW雷达融为一体，同时具备FMCW雷达多目标识别和CW雷达高精度测量的优点；
相比于软件配置模式的FMCW/CW雷达，本发明的测量不需要模式切换、不需要特殊要求的波形调制等额外的操作，可同时实时完成多个目标位移测量；
相比于有源目标的系统，以无源反射器作为目标，且一台雷达基站可同时测量多个目标，具有低成本的特点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为基于新型微波雷达系统的多目标监测方案；
图2为微波雷达系统的具体实施例一；
图3为微波雷达系统的具体实施例二。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法，包括以下步骤，
S1.产生单频微波信号(连续波)V1和调频连续波信号V0；
V1＝cos(Φ1+2πf1t) (8)
其中，f0为调频连续波信号的初始频率，B为调频连续波信号的扫频带宽，T为调频连续波信号的扫频周期，f1为单频微波信号的频率。
S2.将单频微波信号和调频连续波信号进行混频、放大后得到发射信号V发射；
S3.发射信号经过多个目标反射后，接收天线收到信号V接收；
S4.接收到的接收信号V接收与压控振荡器输出的调频连续波信号Vo进行混频，得到中频信号VIF1；
S5.对中频信号VIF1滤波，得到中频信号VIF2：
S6.中频信号VIF2和单频微波信号V1混频，进行正交解调，得到I/Q信号VI和VQ；
τi是分别对应电磁波往返于各个目标与天线的时间差，N表示目标数。
S7.对信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，获得各目标对应的幅值、频率和相位；最终获得各目标距离Ri和位移ΔRi。
对信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，根据频谱分析的幅值得到各目标对应幅度，再根据下式得到相位差：
对VI或VQ进行傅里叶变换得各目标的频率：
各目标距离Ri和位移ΔRi的解算公式：
Ri＝cT/2B·fi (17)
ΔRi＝c/4πfo·ΔΦi (18)
本发明的利用硬件电路结构、通过FMCW与CW技术的融合，实现多目标、高精度位移测量。
此外，基于上述方法，本发明还提出一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，包括信号发射单元、信号接收单元、I/Q信号单元、模数转换器和数字信号处理器，所述信号发射单元用于发射电磁波波束；所述信号接收单元用于接收来自目标的反射波并生成与反射波相对应的接收信号；所述I/Q信号单元接收反射波和发射的电磁波波束生成拍频信号VI和VQ；所述模数转换器用于将I/Q信号单元输出的I/Q信号转换成数字信号并输入到数字信号处理器中，所述数字信号处理器将模数转换器的输出信号进行处理得到各目标距离和位移。
对于信号发射单元和I/Q信号单元，本发明提出两种实施例。
实施例一
如图2所示，所述信号发射单元包括用于生成第一锯齿波的第一锯齿波发生器、第一压控振荡器、第一功分器、第一混频器、第二功分器、用于生成第一单频微波信号的第一单频微波源、第一功率放大器和至少一个发射天线；第一单频微波信号经第二功分器生成第一信号1和第二信号2，第一锯齿波经第一压控振荡器生成第一调频连续波，第一调频连续波经第一功分器生成第四信号4和第五信号5，第四信号4与第一信号1经第一混频器生成第三信号3，第3信号经第一功率放大器放大后由发射天线发出。
所述I/Q信号单元包括第一移相器、第三功分器、第四功分器、第二混频器、第三混频器和第四混频器，所述第二信号2经第三功分器生成第九信号9和第十信号10，第五信号5与信号接收单元的接收信号经第二混频器生成第六信号6，第六信号6经滤波放大后再经第四功分器生成第七信号7和第八信号8，第九信号9经第一移相器后与第七信号7在第四混频器混频后生成第十一信号11，第十信号10与第八信号8经第三混频器混频后生成第十二信号12，第十一信号11和第十二信号12分别经过滤波放大处理后输入到模数转换器中。
实施例二
如图3所示，所述信号发射单元包括用于生成第二锯齿波的第二锯齿波发生器、第二压控振荡器、第五混频器、用于生成第二单频微波信号的第二单频微波源、第二功率放大器和至少一个发射天线，所述第二锯齿波经第二压控振荡器生成第二调频连续波，第二调频连续波与第二单频微波信号经第五混频器混频后生成第十三信号13，所述第十三信号13经耦合器后生成第十四信号14和第十五信号15，所述第十四信号14经第一功率放大器放大后由发射天线发出；所述第十五信号15输入到I/Q信号单元。
所述I/Q信号单元包括第六混频器、第七混频器、第五功分器、第六功分器和第二移相器；第十五信号15经第六功分器生成第十八信号18和第十九信号19，信号接收单元接收的信号经第五功分器生成第十六信号16和第十七信号17，第十六信号16与第十八信号18经第六混频器生成第二十信号20，第十七信号17通过第二移相器后与第十九信号19经第七混频器生成第二十一信号21，第二十信号20与第二十一信号21分别经过滤波放大后输入到模数转换器中。
以上所述两个实施例，仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1.产生单频微波信号V1和调频连续波信号V0；
S2.将单频微波信号和调频连续波信号进行混频、放大后得到发射信号V发射；
S3.发射信号经过多个目标反射后，接收天线收到信号V接收；
S4.接收到的接收信号V接收与压控振荡器输出的调频连续波信号Vo进行混频，得到中频信号VIF1；
S5.对中频信号VIF1滤波，得到中频信号VIF2：
S6.中频信号VIF2和单频微波信号V1混频，进行正交解调，得到I/Q信号VI和VQ；
其中，f0为调频连续波雷达的初始频率，B为发射信号的扫频带宽，T为发射信号的扫频周期；f1为单频微波信号V1的微波信号频率，τi是分别对应电磁波往返于各个目标与天线的时间差，N表示目标数；
S7.对信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，获得各目标对应的幅值、频率和相位；
S8.根据S7获得各目标距离Ri和位移ΔRi。
2.根据权利要求1所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量方法，其特征在于：所述S7具体包括以下子步骤：
对拍频信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，根据频谱分析的幅值得到各目标对应幅度，再根据式(3)得到相位差ΔΦi：
对VI或VQ进行傅里叶变换得各目标的频率：
各目标距离Ri和位移ΔRi的解算公式：
Ri＝cT/2B·fi (5)
ΔRi＝c/4πfo·ΔΦi (6)
其中c表示电磁波速。
3.一种基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：
包括信号发射单元、信号接收单元、I/Q信号单元、模数转换器和数字信号处理器；
所述信号发射单元用于发射电磁波波束；
所述信号接收单元用于接收来自目标的反射波并生成与反射波相对应的接收信号；
所述I/Q信号单元接收反射波和发射的电磁波波束生成信号VI和VQ；
所述模数转换器用于将I/Q信号单元输出的I/Q信号转换成数字信号并输入到数字信号处理器中，所述数字信号处理器将模数转换器的输出信号进行处理得到各目标距离和位移；其中
其中，f0为调频连续波雷达的初始频率，B为发射信号的扫频带宽，T为发射信号的扫频周期；f1为单频微波信号V1的微波信号频率，τi是分别对应电磁波往返于各个目标与天线的时间差，N表示目标数。
4.根据权利要求3所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：所述信号发射单元包括用于生成第一锯齿波的第一锯齿波发生器、第一压控振荡器、第一功分器、第一混频器、第二功分器、用于生成第一单频微波信号的第一单频微波源、第一功率放大器和至少一个发射天线；第一单频微波信号经第二功分器生成第一信号（1）和第二信号（2），第一锯齿波经第一压控振荡器生成第一调频连续波，第一调频连续波经第一功分器生成第四信号（4）和第五信号（5），第四信号（4）与第一信号（1）经第一混频器生成第三信号（3），第三信号（3）经第一功率放大器放大后由发射天线发出。
5.根据权利要求4所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：所述I/Q信号单元包括第一移相器、第三功分器、第四功分器、第二混频器、第三混频器和第四混频器，所述第二信号（2）经第三功分器生成第九信号（9）和第十信号（10），第五信号（5）与信号接收单元的接收信号经第二混频器生成第六信号（6），第六信号（6）经滤波放大后再经第四功分器生成第七信号（7）和第八信号（8），第九信号（9）经第一移相器后与第七信号（7）在第四混频器混频后生成第十一信号（11），第（10）信号与第八信号（8）经第三混频器混频后生成第十二信号（12），第十一信号（11）和第十二信号（12）分别经过滤波放大处理后输入到模数转换器中。
6.根据权利要求3所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：所述信号发射单元包括用于生成第二锯齿波的第二锯齿波发生器、第二压控振荡器、第五混频器、用于生成第二单频微波信号的第二单频微波源、第二功率放大器和至少一个发射天线，所述第二锯齿波经第二压控振荡器生成第二调频连续波，第二调频连续波与第二单频微波信号经第五混频器混频后生成第十三信号（13），所述第十三信号（13）经耦合器后生成第十四信号（14）和第十五信号（15），所述第十四信号（14）经第一功率放大器放大后由发射天线发出；所述第十五信号（15）输入到I/Q信号单元。
7.根据权利要求6所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：所述I/Q信号单元包括第六混频器、第七混频器、第五功分器、第六功分器和第二移相器；第十五信号（15）经第六功分器生成第十八信号（18）和第十九信号（19），信号接收单元接收的信号经第五功分器生成第十六信号（16）和第十七信号（17），第十六信号（16）与第十八信号（18）经第六混频器生成第二十信号（20），第十七信号（17）通过第二移相器后与第十九信号（19）经第七混频器生成第二十一信号（21），第二十信号（20）与第二十一信号（21）分别经过滤波放大后输入到模数转换器中。
8.根据权利要求3所述的基于微波雷达的多目标位移高精度测量系统，其特征在于：通过对拍频信号VI和VQ分别进行傅里叶变换，通过频谱识别不同目标，根据频谱分析的幅值得到各目标对应幅度，再根据式(3)得到相位差ΔΦi：
对VI或VQ进行傅里叶变换得各目标的频率：
各目标距离Ri和位移ΔRi的解算公式：
Ri＝cT/2B·fi (5)
ΔRi＝c/4πfo·ΔΦi (6)
其中c表示电磁波速。
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