CN106644030A

CN106644030A - 一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法

Info

Publication number: CN106644030A
Application number: CN201610794768.XA
Authority: CN
Inventors: 彭志科; 熊玉勇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN106644030B

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，包括以下步骤：S1、正对被测振动对象发射连续波形式的单频微波，并接收被振动运动调制后的雷达回波；S2、对回波信号进行放大、滤波、正交混频并取下变频信号得到两路基带信号I(t)和Q(t)；S3、对基带信号进行数据采集，以获取离散数字信号；S4、对所述离散基带信号I[n]和Q[n]进行相位解调处理，提取出振动振幅与频率信息。本发明基于多普勒效应使用微波雷达进行非接触式振动测量，具有良好的低频测量灵敏性，环境适应性强并可在包含障碍物的情况下进行准确的振动测量。本发明使用的微波雷达结构紧凑、成本低廉并具有较低的功耗，为大规模的振动测量系统的集成亦提供了一种解决方案。

Description

一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法

技术领域

本发明涉及振动测量与分析技术领域，具体是一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法。

背景技术

振动是自然界里普遍存在的一种物理现象，振动测量在众多工程技术领域均有着广泛的应用，例如各种机械系统的状态监测与故障诊断、大型柔性结构的低频振动监测以及振动噪声的测试与抑制等。为了满足各种振动测量需求，人们已研制出各式传感器，并发展了多种振动测量技术。目前的振动测量方法可分为接触式和非接触式测量两种，其中接触式测量广泛使用加速度传感器。加速度传感器通过测量接触目标的加速度，积分后获得所测对象振动的相对位移，但是常用的加速度计存在低频响应能力差，在失重等特殊环境下无法有效使用等问题，且接触式测量在一些特殊的应用场合下往往存在很多局限。非接触式测量中激光测振仪具有很高的测试精度，但是存在着设备成本高，需要校准以及检测范围狭窄等局限性，且对测试环境条件要求比较高，无法适应复杂环境下的振动监测。

近些年来，基于微波雷达的运动感知引起了很多研究者的关注，雷达测速与测距已经应用到实际的生产与生活中。振动本质上是一种小幅往复运动，基于多普勒效应，振动将对雷达发射波进行相位调制，通过接收雷达回波并进行有效的相位解调，可提取出振动的振幅以及频率信息。由于微波雷达具有结构简单、成本低廉、以及能够透过障碍物进行振动测量等优势，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，包括如下步骤：

S1、正对被测振动对象发射连续波形式的单频微波，并接收被振动运动调制后的雷达回波；

S2、对回波信号进行放大、滤波、正交混频并取下变频信号得到两路基带信号I(t)和Q(t)；

S3、对基带信号进行数据采集，以获取离散数字信号I[n]和Q[n]；

S4、对所获取的离散基带信号I[n]和Q[n]进行相位解调处理，提取出振动振幅与频率信息。

优选地，所述被测振动对象表面粘附无源二倍频射频标签。

优选地，步骤S1所述的单频微波的频率范围为2G-24GHz，可根据测量灵敏度需求和被测对象振动幅值大小来选择确定。

优选地，步骤S2所述的对回波信号进行正交混频时，若被测振动对象表面粘附有无源二倍频射频标签，需在正交混频前利用倍频器将用于混频的信号源分支信号的频率翻倍。

优选地，步骤S2所述的两路基带信号I(t)和Q(t)可分别表示为：

式中：I(t)表示通道I基带输出信号，Q(t)表示通道Q基带输出信号，DC_I表示通道I基带输出信号的直流偏移值，DC_Q表示通道Q基带输出信号的直流偏移值，A表示基带信号的幅值，λ表示雷达发射的载波波长，S(t)表示被测振动对象的实时振动位移，θ表示由传播路径和物体表面的反射引起的常量相移，表示雷达的剩余相位噪声。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：

S4.1、对离散基带信号I[n]和Q[n]使用一个滑动的矩形窗函数对信号进行加窗处理；

S4.2、对加窗后的离散基带信号I[n]和Q[n]进行直流偏移补偿，得到直流偏移补偿的估计值DC_I和DC_Q；

S4.3、对直流偏移补偿后的基带信号I[n]和Q[n]进行反正切解调，得到与振动位移成线性关系的基带信号的总相位

S4.4、对得到的基带信号的总相位进行峰值搜索提取出振动振幅信息，通过离散傅里叶变换得到振动频率信息。

优选地，所述的步骤S4.2中直流偏移补偿的方法为圆心估计算法，包括：

设由离散基带信号I[n]和Q[n]拟合圆的圆心坐标为(a,b)，半径为r，取矩阵A，矩阵x和矩阵B分别为：

通过参数优化估计得到a和b的值，优化估计的方法为min||Ax-B||_l2或min||Ax-B||_l1；

式中，min(.)表示最小值运算，||.||_l2表示2-范数运算，||.||_l1表示1-范数运算；

求得a和b的估计值后，取DC_I＝a，DC_Q＝b。

优选地，所述的步骤S4.3中的基带信号的总相位如下式所示：

式中，I[n]和Q[n]为离散基带信号；DC_I表示通道I基带输出信号的直流偏移值，DC_Q表示通道Q基带输出信号的直流偏移值；

根据测量原理，可由基带信号的总相位求解得到振动位移离散信号S[n]，如下式所示：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

以微波作为测量载体和手段，通过接收被振动运动调制的雷达回波信号，并对回波信号进行有效的相位解调得到振动位移时域信息，并由此提取出振动振幅与频率信息。本发明具有良好的低频测量灵敏性，环境适应性强，可在各种天气、复杂环境和包含障碍物的情况下进行准确的非接触式振动测量。另外，本发明使用的微波雷达结构紧凑、成本低廉并具有较低的功耗，为大规模的振动测量系统的集成亦提供了一种解决方案。

附图说明

图1为本发明提出的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法的流程示意图；

图2为本发明提出的进行二倍频测量的雷达结构原理框图；

图3为本发明实施例中加窗后的离散基带信号I[n]和Q[n]的时域波形图；

图4为本发明实施例中利用圆心估计算法进行直流偏移补偿的结果示意图；

图5为本发明实施例中基带信号的总相位的时域波形图；

图6为本发明实施例中基带信号的总相位的归一化频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，包括以下步骤：

所用微波雷达的载波频率可根据测量灵敏度需求和被测对象振动幅值大小来选择确定，一般可在2G-24GHz范围内选择。被测振动对象如处在干扰较多的测量环境背景下，为了提高基带信号的信噪比，可在其表面粘附无源二倍频射频标签，射频标签和处在雷达辐射空间内的物体均反射雷达回波。

一般情况下，直接发射一定频率的雷达载波至被测振动对象，接收被振动运动调制的回波信号并与雷达的本振信号正交混频，使用低通滤波器取下变频信号，得到基带信号I(t)和Q(t)。

如图2所示，当被测振动对象处在干扰较多的测量环境背景下，为有效抑制干扰噪声，在被测振动对象表面可粘附无源二倍频射频标签，二倍频射频标签对发射信号进行相位调制并倍频后反射信号。因此，雷达在基带信号的产生过程中，需将一路信号源分支信号倍频后与接收到的反射信号进行正交混频并取下变频信号，而环境背景反射的雷达回波由于未倍频，在混频后被低通滤波器消除。雷达回波经过上述处理，可得到两路基带信号I(t)和Q(t)，分别表示为

在测试过程中微波雷达的发射信号和混频的一路射频信号来自同一个信号源，根据距离相关性原理可将雷达电路中的相位噪声大大压缩，常可忽略不计。

S4、对所述离散基带信号I[n]和Q[n]进行相位解调处理，提取出振动振幅与频率信息。

下面结合一个振幅为2mm，振动频率为0.25Hz的正弦振动测量实验实例来说明步骤4的具体内容，实验所用雷达载波频率为10.525GHz，测试距离为1m。步骤S4的内容包括：

S4.1，对离散基带信号I[n]和Q[n]使用一个滑动的矩形窗函数对数据进行加窗处理，如图3所示为I[n]和Q[n]加窗后的时域波形图，窗函数长度为8s；

S4.2，对加窗后的离散基带信号I[n]和Q[n]进行直流偏移补偿，得到直流偏移补偿的估计值DC_I和DC_Q，所用的补偿方法为圆心估计算法，包括：

通过参数优化估计求解得到a和b的值，优化估计的方法为

min||Ax-B||_l2或min||Ax-B||_l1。

如图4所示，利用1范数优化，结合信号I[n]和Q[n]拟合圆的圆心坐标为a＝-57.097,b＝26.95，因此取DC_I＝-57.097，DC_Q＝26.95。

S4.3，对直流偏移补偿后的基带信号I[n]和Q[n]进行反正切解调，得到与振动位移成线性关系的基带信号的总相位如下式所示：

如图5所示为解调得到的基带信号的总相位的时域波形图。

S4.4，对得到的基带信号的总相位进行峰值搜索提取出振动振幅信息，通过离散傅里叶变换得到振动频率信息。由图5所示的基带信号的总相位时域波形图以及S[n]与的线性关系可提取出振动振幅为2.1mm，如图6所示为基带信号的总相位的归一化频谱图，可以得出振动频率为0.25Hz。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述被测振动对象表面粘附无源二倍频射频标签。

3.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S1所述的单频微波的频率范围为2G-24GHz，可根据测量灵敏度需求和被测对象振动幅值大小来选择确定。

4.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S2所述的对回波信号进行正交混频时，若被测振动对象表面粘附有无源二倍频射频标签，需在正交混频前利用倍频器将用于混频的信号源分支信号的频率翻倍。

5.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S2所述的两路基带信号I(t)和Q(t)可分别表示为：

6.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S4具体包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述的步骤S4.2中直流偏移补偿的方法为圆心估计算法，包括：

A = [\begin{matrix} 2 I_{1} & 2 Q_{1} & 1 \\ 2 I_{2} & 2 Q_{2} & 1 \\ \begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix} & \begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix} & \begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix} \\ 2 I_{n} & 2 Q_{n} & 1 \end{matrix}], x = [\begin{matrix} a \\ b \\ r^{2} - a^{2} - b^{2} \end{matrix}], B = [\begin{matrix} {I_{1}}^{2} + {Q_{1}}^{2} \\ {I_{2}}^{2} + {Q_{2}}^{2} \\ \begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix} \\ {I_{n}}^{2} + {Q_{n}}^{2} \end{matrix}];

求得a和b的估计值后，取DC_I＝a，DC_Q＝b。

8.根据权利要求5所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述的步骤S4.3中的基带信号的总相位如下式所示：