CN106052839A - 大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置及方法。该装置包括交流电源、耦合器、驱动放大器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器和混频器。方法为：交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器后送入发射天线作为发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号；发射信号至振动的目标大型桥梁结构后被反射，产生回波信号，并由接收天线接收后经过低噪声放大器放大后送入混频器；混频器将接收的两种信号混频后取下变频信号得到多普勒频率，进行处理最终得到大型桥梁结构的振动频率。本发明为非接触式测量，具有全天候工作特征，精确度高，实时性好。

Description

大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置及方法

技术领域

本发明属于信号处理和检测技术领域，特别是一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置及方法。

技术背景

当今社会，出现了大量的大型桥梁结构。由于桥梁所处的特定环境(地震、风载)以及运营载荷加重等因素的共同作用，会使桥梁在长期使用过程中出现各种结构损伤、自然老化不断加剧，造成承载能力不断下降，影响到桥梁营运的安全运营。大型桥梁结构的特点是长细比大，在动力荷载的作用下，就很容易产生振动和变形。主要有如下几个方面：①由于与风向一致的风力作用引起的结构物的周期性振动；②运营载荷等因素所引起的振动；③地震地面运动引起结构局部疲劳损伤。在这种情况下，大型桥梁结构在强风、强载荷状态下的安全状态颇令人担忧。为了避免引起不必要的恐慌以及确保大桥的安全，我们需要对这种大型桥梁结构的振动频率进行实时监控测量。

目前针对大桥振动这样的低频振动的监测方法一般为传感器测量，分为相对式和绝对式两种测量方式。相对式测量包括光学测量，如干涉仪、光学多普勒测振仪、光电摄影技术等,都属于相对式测量。其缺点是相对式测量需要有静止不动的基础,这对于工程中振动测量是非常困难的；同时要求比较严格的环境条件,仪器价格也高，不适合广泛使用。绝对式振动测量都是基于惯性质量—弹簧振动系统。根据其测量原理,是测量敏感质量块与弹簧间的作用力,还是惯性质量块与壳体间的相对运动,分为低通型的加速度计与高通型的速度传感器。而这种机械测量的方法也有其不可避免的缺陷，如灵敏度不高；无法进行非接触式测量；所测频率范围有很大限制；机械设备易磨损；以及计算复杂，两次积分后显然导致最后精确度下降等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，利用连续波多普勒雷达，实时准确地测量大型桥梁结构的振动频率，达到监测的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，包括交流电源、耦合器、功率放大器、驱动放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器和混频器，交流电源的输出端通过耦合器分别接入功率放大器、驱动放大器，功率放大器的输出端接入发射天线，接收天线的输出端通过低噪声放大器接入混频器的一个端口，驱动放大器的输出端接入混频器的另一个端口；

所述交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器后送入发射天线作为发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号，该发射信号至振动的大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经低噪声放大器放大后送入混频器；混频器接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率。

优选地，所述交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线组成发射支路，接收天线、低噪声放大器和混频器组成接收支路。

优选地，所述交流电源输出的射频信号频率为24.125GHz。

优选地，所述功率放大器、驱动放大器相同，型号均为HMC863LP4E，增益为20dB，插入损耗为11dB，回波损耗为15dB，P1dB为24.5dBm。

优选地，所述低噪声放大器的型号为HMC517LC4，增益为20dB，噪声系数为2.6dB,插入损耗为15dB，回波损耗为17dB，P1dB为13dBm。

优选地，所述混频器的型号为HMC292LC3B，变频损耗为8dB，1dB压缩点为13dBm，IIP3为18dBm。

一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量方法，包括以下步骤：

步骤1，交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器后送入发射天线发出作为发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号；

步骤2，发射信号至振动的目标大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经过低噪声放大器放大后送入混频器；

步骤3，混频器将步骤1和步骤2中接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率；

步骤4，根据多普勒频率进行处理，得到大型桥梁结构的振动频率。

进一步地，步骤4中所述根据多普勒频率进行处理，得到目标大型桥梁结构的振动频率，具体如下：

所述多普勒频率f_d即反射信号频率与发射信号频率之差，根据多普勒频率的大小，由可得，目标大型桥梁结构与多普勒雷达的径向相对运动速度V_r为：

$V_r=\frac{{\mathrm{\λf}}_d}{2}$

式中，λ为信号波长，c为光速，f₀为雷达工作的中心频率，f_d为多普勒频率；

目标大型桥梁结构在强风作用下的振动为简谐运动，设目标大型桥梁结构的位移方程为：

式中，A为振幅，ω为振动频率，为初相位；

简谐运动的速度v为：

所测多普勒频率f_d在时间上也成正弦变化，从而得到目标大型桥梁结构的振动频率ω。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)测量精度高：本装置信号处射频波段，高达24.125GHz，波长短，方向性好，因而具有测量误差很小，精度高的优点；(2)非接触式测量：本装置与被测建筑物无需直接接触即可检测到建筑物的振动信息，可实现远程监测，方便有效，灵活性高；(3)抗干扰力强：不受各种恶劣天气(如风、雨、雾、沙尘暴等)的影响，能很好地穿透空气及大气中的烟尘颗粒到达被测目标，亦不受光线条件干扰，满足在各种外部条件下测量的需要；(4)实时度好：本装置信号以光速传播，从发射信号到接收反射回来的信号仅需几十万分之一秒，因而可监测出任何时间的建筑结构振动频率并实时地传递出来，保证了信息的有效性和可靠性。

附图说明

图1为本发明大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置的模型图。

图2为本发明大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置的结构原理框图。

图3为本发明大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置系统仿真图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～2，本发明大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，包括交流电源、耦合器、功率放大器、驱动放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器和混频器，交流电源的输出端通过耦合器分别接入功率放大器、驱动放大器，功率放大器的输出端接入发射天线，接收天线的输出端通过低噪声放大器接入混频器的一个端口，驱动放大器的输出端接入混频器的另一个端口；

所述交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射出去形成发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号，该发射信号至振动的大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经低噪声放大器放大后送入混频器；混频器接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率。

上述多普勒雷达系统中关键模块的作用及功能如下：

(1)耦合器主要解决功率分配问题。本装置中，需要提供两路信号，一路为混频器提供本振信号，一路经目标反射后与本振信号混频；两路信号共同作用后才能得到最终的多普勒频率。

(2)功率放大器主要解决微弱信号放大的问题。因输入信号为小信号，所以必须在传播过程中必须将其放大，提高增益，所以在发射天线前增加该功率放大器。

(3)低噪声放大器主要为提高输出信噪比以及扩大信号。低噪声放大器即噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

(4)混频器主要为得到下变频信号即我们所需要的多普勒频率。变频(或混频)，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程，具有这种功能的电路称为变频器或混频器。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，其中α为信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。再通过高频滤波，即可得到下变频信号。实际混频器由于二极管和晶体管具有极为复杂的非线性，因而会产生各次谐波分量，也由滤波器一并滤除。

优选地，所述交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线组成发射支路，接收天线、低噪声放大器和混频器组成接收支路。优选地，所述交流电源输出的射频信号频率为24.125GHz。优选地，所述功率放大器、驱动放大器相同，型号均为HMC863LP4E，增益为20dB，插入损耗为11dB，回波损耗为15dB，P1dB为24.5dBm。优选地，所述低噪声放大器的型号为HMC517LC4，增益为20dB，噪声系数为2.6dB,插入损耗为15dB，回波损耗为17dB，P1dB为13dBm。优选地，所述混频器的型号为HMC292LC3B，变频损耗为8dB，1dB压缩点为13dBm，IIP3为18dBm。

本发明大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量方法，包括以下步骤：

步骤1，交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射出去作为发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号；

步骤2，发射信号至振动的目标大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经过低噪声放大器放大后送入混频器；

步骤3，混频器将步骤1和步骤2中接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率；

步骤4，根据多普勒频率进行处理，得到目标大型桥梁结构的振动频率，具体如下：

所述多普勒频率f_d即反射信号频率与发射信号频率之差，根据多普勒频率的大小，由可得，目标大型桥梁结构与多普勒雷达的径向相对运动速度V_r为：

$V_r=\frac{{\mathrm{\λf}}_d}{2}---\left(1\right)$

式中，λ为信号波长，c为光速，f₀为雷达工作的中心频率，f_d为多普勒频率；

目标大型桥梁结构在强风作用下的振动为简谐运动，设大型桥梁结构的位移方程为：

式中，A为振幅，ω为振动频率，为初相位；

简谐运动的速度v为：

所测多普勒频率f_d在时间上也成正弦变化，从而得到目标大型桥梁结构的振动频率ω。

实施例1

为实现上述发明内容的技术方案，现结合软件系统仿真图进行阐述。

结合图3，多普勒雷达系统仿真如图所示，所用关键器件的型号及参数如下：(1)交流电源输出的射频信号频率为24.125GHz。(2)功率放大器、驱动放大器相同，型号均为HMC863LP4E，增益为20dB，插入损耗为11dB，回波损耗为15dB，P1dB为24.5dBm。(3)低噪声放大器的型号为HMC517LC4，增益为20dB，噪声系数为2.6dB，插入损耗为15dB，回波损耗为17dB，P1dB为13dBm。(4)所述混频器的型号为HMC292LC3B，变频损耗为8dB，1dB压缩点为13dBm，IIP3为18dBm。

多普勒雷达中的信号源发出一定频率的信号，先经过功分器将信号分为两路，一路直接通过功率放大器后至下变频器，另一路经功放放大后由发射天线向目标发出，由目标反射回来的波由接收天线接收，经低噪声放大器和功率放大器放大后送入下变频器。输出的差频信号即为多普勒频率。由此便可计算出目标的运动速度，进而测算振动的频率。假设电源模块发出的射频信号经放大后为其中A为射频信号的幅度，为射频信号的频率，为射频信号相位。该射频信号经天线发射后传播到大型桥梁结构上会产生反射信号，通过接收天线接收该反射信号，并经过一系列的放大，设反射信号经过放大后为其中A_r为反射信号经过放大后的幅度，为射频信号相位，为时变的相移。将这两路信号送入混频器后经混频和高频滤波后，得到差频信号即所求多普勒频率。它是与大桥振动的频率、速度相关的信号，需要监测和处理。

本发明提供的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，仅需一个多普勒雷达系统，且无需接触被测建筑物，方便有效，灵活性高，能在不干扰其他人类社会活动的情况下实时，准确地监测建筑结构振动频率，为人类的安全提供了一份有力的保障。

Claims (8)

1.一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，包括交流电源、耦合器、功率放大器、驱动放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器和混频器，交流电源的输出端通过耦合器分别接入功率放大器、驱动放大器，功率放大器的输出端接入发射天线，接收天线的输出端通过低噪声放大器接入混频器的一个端口，驱动放大器的输出端接入混频器的另一个端口；

所述交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号，另一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射出去形成发射信号，该发射信号至振动的大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经低噪声放大器放大后送入混频器；混频器接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率。

2.根据权利要求1所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，所述交流电源、耦合器、功率放大器和发射天线组成发射支路，接收天线、低噪声放大器和混频器组成接收支路。

3.根据权利要求1所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，所述交流电源输出的射频信号频率为24.125GHz。

4.根据权利要求1所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，所述功率放大器、驱动放大器相同，型号均为HMC863LP4E，增益为20dB，插入损耗为11dB，回波损耗为15dB，P1dB为24.5dBm。

5.根据权利要求1所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，所述低噪声放大器的型号为HMC517LC4，增益为20dB，噪声系数为2.6dB,插入损耗为15dB，回波损耗为17dB，P1dB为13dBm。

6.根据权利要求1所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量装置，其特征在于，所述混频器的型号为HMC292LC3B，变频损耗为8dB，1dB压缩点为13dBm，IIP3为18dBm。

7.一种大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，交流电源产生射频信号，经耦合器分成两路信号，一路射频信号经功率放大器后送入发射天线发射出去作为发射信号，另一路射频信号通过驱动放大器输入混频器提供本振信号；

步骤2，发射信号至振动的目标大型桥梁结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天线接收后经过低噪声放大器放大后送入混频器；

步骤3，混频器将步骤1和步骤2中接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到多普勒频率；

步骤4，根据多普勒频率进行处理，得到目标大型桥梁结构的振动频率。

8.根据权利要求7所述的大型桥梁结构振动的多普勒雷达测量方法，其特征在于，步骤4中所述根据多普勒频率进行处理，得到目标大型桥梁结构的振动频率，具体如下：

所述多普勒频率即反射信号频率与发射信号频率之差，根据多普勒频率的大小，由可得，目标大型桥梁结构与多普勒雷达的径向相对运动速度V_r为：

$V_r=\frac{{\mathrm{\λf}}_d}{2}$

式中，λ为信号波长，c为光速，f₀为雷达工作的中心频率，f_d为多普勒频率；

目标大型桥梁结构在强风作用下的振动为简谐运动，设目标大型桥梁结构的位移方程为：

式中，A为振幅，ω为振动频率，为初相位；

简谐运动的速度v为：

所测多普勒频率f_d在时间上也成正弦变化，从而得到目标大型桥梁结构的振动频率ω。