CN106772335A - 面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统 - Google Patents

面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统 Download PDF

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彭小松
郑大青
邵斌
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，射频信号源S0和S1发出的信号经过功分器分成两路即S0t、S0ref和S1t、S1ref。其中被功率放大器放大的S0t经过环形器后通过A组天线后变成S0re；被功率放大器放大的S1t经过环形器后通过A组天线后变成S1re。S0ref和S1re在混频器中混频生成为参考信号；S1ref和S0re在混频器中混频生成为SM，SM被解调器调频并经过B组天线，然后解调后变成测量信号。最后比较相位差，即可得到空间R的变化量。本发明发射接收异频消除天线间的微波泄漏和多路径反射，只要解调器和解调器的载波频率与两个射频源的频率不在一个频段上，那么A组天线和B组天线即使靠的很近也不会互相干扰。

Description

面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统
技术领域
本发明涉及一种雷达，特别是一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统。
背景技术
随着国家现代化建设事业的发展，大型建筑如桥梁，高楼等已成为保证人民正常生活、国民经济健康发展的基础设施，因此大型结构健康监测对于及时发现结构蜕变、保障其运行安全具有重要意义。由于位移形变能够从宏观层面反映结构的健康状况，因此位移形变监测是结构健康监测的重要内容。
利用电磁波在空间传播距离远，可以实现远距离测量；电磁波对雨雾霾有很好的穿透性能够适应恶劣的天气，从而实现全天候的监测；同时电磁波波束具有发散性，因此一个发射端可以对应多个接收端反射端，因此可以实现一对多的测量。微波雷达形变测量系统在结构健康监测存在巨大开发潜力。其中常见的用于结构健康监测的是多普勒雷达位移测量系统。但现目前的多普勒雷达测量系统具有以下缺点：
1、系统中发射天线和接收天线靠的比较近，接收天线不仅可以接收到目标反射回的微波，还能接收到发射天线泄漏的旁瓣的微波信号；在距离较远的回波信号较弱情况下，干扰非常严重，测量精度较低。
2、多路径反射：接收天线不仅可以接收目标反射回来的微波，还可以接收到目标周围其他物体或地面反射回的微波信号。测量精度偏低。
3、电磁波损耗：系统在目标处采用无源角反射器反射微波，而电磁波在空间的传播损耗较大，因此接收信号极其微弱，信噪比较低，测量距离受限。
4、不能进行多目标测量：鉴相单元只能解调2以内的相位差，当多个目标安装角反射器的时候，无法分辨不同的目标。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，包括射频信号源S0、第一功分器12、第一环形器14、第一混频器16、第一解调器18、鉴相单元19、射频信号源S1、第二功分器22、第二环形器24、第二混频器26、第二解调器28；
射频信号源S0发出的微波信号经第一功分器12分成信号S0t和信号S0ref，信号S0t经过第一环形器14由A组天线的第一天线单元发射，A组天线的第二天线单元接收A组天线的第一天线单元发射的信号，经第二环形器生成信号S0re；
射频信号源S1发出的向波信号经第二功分器22分成信号S1t和信号S1ref，信号S1t经过第二环形器由A组天线的第二天线单元发射，A组天线的第一天线单元接收A组天线的第二天线单元发射的信号，经第一环形器14生成信号S1re；
信号S0ref和信号S1re在第一混频器16中混频生成参考信号Sref；
信号S1ref和信号S0re在第二混频器26中混频生成信号SM，信号SM被第二解调器28调频至微波频段，再经B组天线的第一天线单元发射，B组天线的第二天线单元接收第一天线单元发射的信号，经第一解调器18生成测量信号Smea；
参考信号Sref与测量信号Smea经鉴相单元19后得到相位差，即可得到形变位移量。
进一步，还包括第一功率放大器13，第一功率放大器连接于第一功分器与第一环形器之间。
进一步，还包括第二功率放大器15，第二功率放大器连接于第一环形器与第一混频器之间。
进一步，还包括第三功率放大器23，第三功率放大器连接于第二环形器与第二功分器之间。
进一步，还包括第四功率放大器25，第四功率放大器连接于第二环形器与第二混频器之间。
进一步，还包括第一低通滤波器17，所述第一低通滤波器连接于第一混频器与鉴相单元之间。
进一步，还包括第二低通滤波器27，所述第二低通滤波器连接于第二混频器与第二调节器之间。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、发射接收异频消除天线间的微波泄漏：只要解调器和解调器的载波频率与两个射频源的频率不在一个频段上，那么A组天线和B组天线即使靠的很近也不会互相干扰。
2、消除多路径反射：由于发射端与接收端的两个信号源的频率不相同，而被测点附近其他物体无源反射的电磁波与发射电磁波同频，因此同频信号进入混频器经过低通滤波后很容易被剔出。
3、有源反射接收端设计提高测量距离：相比较多普勒雷达系统角反射器无源反射的方式，接收端采用有源主动发射电磁波可以提高空间电磁波的能量，因此测量距离大幅提高。
4、可多目标测量：不同的接收端的的射频源S，频率设置不同，因此最终进入鉴相单元的信号频率九一不同，因此很容易区别各个目标，实现一对多点的测量。
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为本发明的有源异频收发式微波雷达系统原理框图；
图2为19米距离下毫米级形变监测结果图；
图3为200米距离下毫米级形变监测结果图；
图4为400米距离下毫米级形变结果图；
图5为600米距离下毫米级形变结果图。
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。
一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：包括射频信号源S011、第一功分器12、第一功率放大器13、第一环形器14、第二功率放大器15、第一混频器16、第一低通滤波器17、第一解调器18、相位比较器19、射频信号源S121、第二功分器22、第三功率放大器23、第二环形器24、第四功率放大器25、第二混频器26、第二低通滤波器27、第二解调器28；
射频信号源S0发出的微波信号经第一功分器12分成信号S0t和信号S0ref，信号S0t被第一功率放大器13放大，放大后的信号经过第一环形器14由A组天线的第一天线单元发射，A组天线的第二天线单元接收A组天线的第一天线单元发射的信号，依次经第二环形器24和第四功率放大器25生成信号S0re；
射频信号源S1发出的向波信号经第二功分器22分成信号S1t和信号S1ref，信号S1t被第三功率放大器23放大，放大后的信号经过第二环形器由A组天线的第二天线单元发射，A组天线的第一天线单元接收A组天线的第二天线单元发射的信号，依次经第一环形器14和第二功率放大器15生成信号S1re；
信号S0ref和信号S1re在第一混频器16中混频，混频后的信号经第一低通滤波器17后生成参考信号Sref；
信号S1ref和信号S0re在第二混频器26中混频，混频后的信号经第二低通滤波器27后生成信号SM，信号SM被第二解调器28调频至微波频段，再经B组天线的第一天线单元发射，B组天线的第二天线单元接收第一天线单元发射的信号，经第一解调器18生成测量信号Smea；
参考信号Sref与测量信号Smea经相位比较器19后得到相位差，即可得到形变位移量。
假设两个射频信号源信号S0和S1表达式为(相应的S0t、S0ref和S1t、S1ref与各自信号源表达式相同，仅仅是幅值不一样)
S0＝A0 cos(2πf0t+φ0) (16)
S1＝A1 cos(2πf1t+φ1) (17)
S0t和S1t。经过相距R的A组天线发送和接收后，会产生一个相位延时，则两边天线接收到的信号S0re和S1re的表达式为：
其中，R为空间距离，c为电磁波传播速度。
S1ref和S1re混频低通滤波后的信号SM、S0ref和S1re混频低通滤波后的信号Sref表达式如下：
SM信号经过调制后，再经过B组天线发射和接收，然后解调出来的信号Smea将再次相对于SM产生一个空间距离R的时延，因此Smea信号表达式如下：
比较Sref和Smea的表达式可以知道，他们之间的相位差为：
对式(23)进行微分，则将位移表达式为:
因此，鉴相单元只需要采集解调出Sref和Smea的相位差，位移量便可监测。
从Sref和Smea的表达式中可以看出，只要微波射频源S0和S1的频率f0和f1选择适当，最后采集处理的信号频率f1-f0可以变的很低。
图2～5为利用上述系统在户外分别做了不同距离下对毫米级形变测量的结果，结果表明
1、有源反射系统的采用使得接收能量增加，因此测量距离具有上千米的潜力。
2、测量距离增加不会使得测量精度恶化，测量精度式中保持在亚毫米级以上。
以上所述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 (7)

1.一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：包括射频信号源S0(11)、第一功分器(12)、第一环形器(14)、第一混频器(16)、第一解调器(18)、鉴相单元(19)、射频信号源S1(21)、第二功分器(22)、第二环形器(24)、第二混频器(26)、第二解调器(28)；
射频信号源S0发出的微波信号经第一功分器(12)分成信号S0t和信号S0ref，信号S0t经过第一环形器(14)由A组天线的第一天线单元发射，A组天线的第二天线单元接收A组天线的第一天线单元发射的信号，经第二环形器生成信号S0re；
射频信号源S1发出的向波信号经第二功分器(22)分成信号S1t和信号S1ref，信号S1t经过第二环形器由A组天线的第二天线单元发射，A组天线的第一天线单元接收A组天线的第二天线单元发射的信号，经第一环形器(14)生成信号S1re；
信号S0ref和信号S1re在第一混频器(16)中混频生成参考信号Sref；
信号S1ref和信号S0re在第二混频器(26)中混频生成信号SM，信号SM被第二解调器(28)调频至微波频段，再经B组天线的第一天线单元发射，B组天线的第二天线单元接收第一天线单元发射的信号，经第一解调器(18)生成测量信号Smea；
参考信号Sref与测量信号Smea经鉴相单元(19)后得到相位差，即可得到形变位移量。
2.根据权利要求1所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第一功率放大器(13)，第一功率放大器连接于第一功分器与第一环形器之间。
3.根据权利要求1所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第二功率放大器(15)，第二功率放大器连接于第一环形器与第一混频器之间。
4.根据权利要求1所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第三功率放大器(23)，第三功率放大器连接于第二环形器与第二功分器之间。
5.根据权利要求1所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第四功率放大器(25)，第四功率放大器连接于第二环形器与第二混频器之间。
6.根据权利要求1所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第一低通滤波器(17)，所述第一低通滤波器连接于第一混频器与鉴相单元之间。
7.根据权利要求1或6所述的一种面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统，其特征在于：还包括第二低通滤波器(27)，所述第二低通滤波器连接于第二混频器与第二调节器之间。
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