CN108981623B - 一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法。微波发射器固定在测量目标物体上并跟随测量目标物体一同移动，微波发射器发出微波信号绕过金属圆形屏障后由微波信号接收装置进行微波探测，微波信号接收装置包括第一、第二、第三接收天线和接收探测电路；第二接收天线放置于微波信号绕过金属圆形屏障后发生衍射所形成确定的阿拉戈点处；比较接收天线的信号幅度和相位差异，得到微波源小于波长尺度的微小位移，比较接收天线之间的信号幅度、相位和频率，得到远距离微波源小于波长尺度的微小振动的幅度和频率值。本发明适合无法采用光学方法测量的场合，成本低，测量灵敏度高，系统部署简单，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种远距离微波源次波长微小位移探测方法，尤其涉及了一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法。
背景技术
随着经济发展与技术进步，社会各个层面中工程结构的应用越来越多。这些系统无一例外地需要精确的监测技术来保证其可靠性，这也迫使探测技术朝着高精度、远距离和低成本方向发展。在现代测控技术领域中，激光位移检测方法虽然以其非接触、高灵敏度的优势成为了大部分结构位移信息检测的主要手段，但目前仍然无法解决在位移测量过程中高精度与远距离、低成本之间的矛盾问题。激光要在长距离的传输中保持高度集中需要很大的功率，且现有的高精度激光器价格普遍较高。除此之外，激光探测不适用于有介质遮挡的场合。但在远距离探测中，障碍物的出现往往是无法避免的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括具备微波发射功能的微波发射器、具备遮挡微波功能的金属圆形屏障和具备测量微波强度和位置变化功能的微波信号接收装置；微波发射器安装在测量目标物体上，微波发射器和微波信号接收装置分别布置在金属圆形屏障的两侧，微波发射器发出微波信号绕过金属圆形屏障后由微波信号接收装置进行微波探测，根据探测到的微波信号计算测量目标物体的位移或振动。
所述的微波信号接收装置包括第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和接收探测电路；第一接收天线、第二接收天线和第三接收天线沿直线等距间隔平行排列，三根天线均连接到接收探测电路；第二接收天线正对金属圆形屏障的中心点放置，且第二接收天线中心和金属圆形屏障的中心点的连线垂直于金属圆形屏障表面；第二接收天线放置于微波发射器发出的微波信号绕过金属圆形屏障后发生衍射所形成确定的阿拉戈点处。
阿拉戈点又称泊松点，它是入射波由于菲涅尔衍射而在圆形物体背后阴影中心出现的波动加强点。当入射波足够远时可以等效为沿金属圆形屏障轴向平行入射的波信号，此阿拉戈点的位置可以用公式表示为：
其中，f表示阿拉戈点距金属圆形屏障中心的垂直距离，h表示金属圆形屏障的直径，k为测量目标物体与金属圆形屏障的距离，λ是微波波长。
所述的第一接收天线、第二接收天线和第三接收天线同时接收微波信号，比较三个接收信号的幅度和相位差异得到测量目标物体小于微波波长尺度的微小位移。
所述的第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线同时接收微波信号，比较三个接收信号的幅度和相位变化的大小和频率得到测量目标物体小于微波波长尺度的微小振动的幅度和频率值。
所述的微波发射器固定在测量目标物体上，微波发射器发射微波并跟随测量目标物体一同移动。
本发明利用微波衍射原理，比较他们之间的微波信号的幅度和相位差异，可得到远距离处微波源小于波长尺度的微小位移的大小。
本发明利用微波衍射原理，比较接收天线之间的微波信号幅度和相位变化的大小和频率，可得到远距离微波源小于波长尺度的微小振动的幅度和频率值。
本发明具有的有益效果是：
本发明采用在测量目标物体上安装微波发射器，成本低，且适用性强。
本发明具有测量灵敏度高、系统部署简单等优点，在有介质遮挡等无法采用光学方法测量的的环境中同样可以使用。
附图说明
图1是本发明方法的探测装置示意图；
图2是本发明方法中金属圆形屏障和微波信号接收装置的正视图。
图中：1、微波发射器，2、金属圆形屏障，3、微波信号接收装置，4、测量目标物体，201、金属圆形屏障中心点，301、第一接收天线，302、第二接收天线，303、第三接收天线，304、接收探测电路。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。
如图1所示，本发明包括具备微波发射功能的微波发射器1、具备遮挡微波功能的金属圆形屏障2和具备测量微波强度和位置变化功能的微波信号接收装置3；微波发射器1安装在测量目标物体4上，微波发射器1和微波信号接收装置3分别布置在金属圆形屏障2的两侧，金属圆形屏障2放置在远处，微波信号接收装置3安装在金属圆形屏障2远离微波发射器1的一侧。安装在测量目标物体4上的微波发射器1，放置在距此10米处的金属圆形屏障2以及安装在其远离微波发射器1一侧的微波信号接收装置3。微波发射器1发射频率为10GHz的线极化波并跟随物体移动。微波发射器1发出微波信号绕过金属圆形屏障2后由微波信号接收装置3进行微波探测，根据探测到的信号计算测量目标物体4的位移或振动。
如图2所示，微波信号接收装置3包括第一接收天线301、第二接收天线302、第三接收天线303和接收探测电路304；第一接收天线301、第二接收天线302和第三接收天线303沿直线等距间隔平行排列，三根天线均连接到接收探测电路304；第二接收天线302正对金属圆形屏障2的中心点201放置，且第二接收天线302中心和金属圆形屏障2的中心点201的连线垂直于金属圆形屏障2表面；第二接收天线302放置于微波发射器1发出的微波信号绕过金属圆形屏障2后发生衍射所形成确定的阿拉戈点处。
在阿拉戈点处，由安装在金属圆形屏障后的微波信号接收装置探测微波信号，根据探测到的微波信号计算测量目标物体的位移或振动。当测量目标物体发生位移时，微波发射器发射的微波方向发生改变，导致到达金属圆形屏障两侧边缘的微波相位差发生变化，从而使得衍射形成的一系列子波相位差发生变化，对应的阿拉戈点处微波的强度和相位也发生变化。微波信号接收装置对阿拉戈点处微波进行探测，由此可以计算出测量目标物体小于波长尺度的微小位移的大小，以及微小振动的幅度和频率值。
第一接收天线301、第二接收天线302、第三接收天线303同时接收微波信号，当微波信号发生装置信号中心点和金属圆形屏障中心点在同一轴线上，所得阿拉戈点将在第二接收天线的位置处。基于阿拉戈点效应得到第二接收天线302处的能量最大，第一接收天线301和第三接收天线303的能量较小。
第一接收天线、第二接收天线和第三接收天线同时接收微波信号，比较三个接收信号的幅度和相位差异得到测量目标物体小于微波波长尺度的微小位移。
利用信号幅度计算远距离微波源位置变化的方法为比较当前时刻微波信号频点第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线的信号幅度和前一测量时刻信号幅度的差值。如果第一接收天线信号增强，第二接收天线和第三接收天线信号减弱，则微波信号源向第三接收天线一侧有微小移动。如果第三接收天线信号增强，第一接收天线和第二接收天线信号减弱，则微波信号源向第一接收天线一侧有微小移动。移动的距离和信号幅度变化有关，其值通过以下公式得到：
其中，
为第一接收天线测量到的电压幅度，ΔL为相邻接收天线之间的间距，Δz为微波发射器1位移的距离，h表示金属圆形屏障的直径，k为测量目标物体与金属圆形屏障的距离，Δ表示微波从微波发射器到接收天线，分别经过金属圆形屏障两侧的传播路径的路程差，λ是微波波长，
为测量参考点处非相干信号的电压幅度。测量参考点位于金属圆形屏障后，垂直于金属圆形屏障中心，与中心距离为2.405h/λ。
比较第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线之间的微波信号幅度和相位变化的大小和频率，可得到远距离微波源小于波长尺度的微小振动的幅度和频率值。
利用信号相位计算远距离微波源位置变化的方法为比较当前时刻微波信号频点第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线的信号相位和前一测量时刻信号相位的差值。如果第一接收天线信号相位减少，第二接收天线和第三接收天线信号相位增加，则微波信号源向第一接收天线一侧有微小移动。如果第三接收天线信号相位减少，第一接收天线和第二接收天线信号相位增加，则微波信号源向第三接收天线一侧有微小移动。移动的距离和信号相位变化有关，其值可以通过以下公式得到：
其中，Δφ是第一接收天线的信号相位与前一测量时刻信号相位的差值。
利用信号幅度相位变化计算远距离微波信号源位移或振动频率的方法为比较当前时刻微波信号频点第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线之一的信号幅度随时间变化的频率，此频率即为微波信号源位移或振动频率。
金属圆形屏障2直径为200mm，厚度为1mm。在测量目标物体4与金属圆形屏障2的距离为10m，微波频率为10GHz的情况下，阿拉戈点出现在金属圆形屏障2后0.13m的位置处。因此接收天线与金属圆形屏障2的垂直距离为0.13m，接收天线间距为40mm。测量目标物体4位移的探测精度为3mm。
所述的微波发射器1固定在测量目标物体4上，微波发射器1发射微波并跟随测量目标物体4一同移动。由于微波发射器1和测量目标物体4是同步运动，因此根据探测到的信号获得微波发射器1的信息，即获得了测量目标物体4的信息。
利用AD8302增益相位检波器进行鉴相，测量相位差；利用AD8318对数检波器进行功率差测量。探测测量目标物体4位移或振动频率的方法为比较当前时刻微波信号频点三个接收天线之一的信号幅度随时间变化的频率，此频率即为微波发射器1的位移或振动频率。
本发明可以测量微波信号发射源在30mm范围内横向机械振动的各种频率。
Claims (3)
1.一种基于微波信号的远距离位移探测方法，其特征在于：方法采用具备微波发射功能的微波发射器(1)、具备遮挡微波功能的金属圆形屏障(2)和具备测量微波强度和位置变化功能的微波信号接收装置(3)；微波发射器(1)安装在测量目标物体(4)上，微波发射器(1)和微波信号接收装置(3)分别布置在金属圆形屏障(2)的两侧，微波发射器(1)发出微波信号绕过金属圆形屏障(2)后由微波信号接收装置(3)进行微波探测，根据探测到的微波信号计算测量目标物体(4)的位移或振动；
金属圆形屏障(2)的直径为200mm；
所述的微波信号接收装置(3)包括第一接收天线(301)、第二接收天线(302)、第三接收天线(303)和接收探测电路(304)；第一接收天线(301)、第二接收天线(302)和第三接收天线(303)沿直线等距间隔平行排列，三根天线均连接到接收探测电路(304)；第二接收天线(302)正对金属圆形屏障(2)的中心点(201)放置，且第二接收天线(302)中心和金属圆形屏障(2)的中心点(201)的连线垂直于金属圆形屏障(2)表面；第二接收天线(302)放置于微波发射器(1)发出的微波信号绕过金属圆形屏障(2)后发生衍射所形成确定的阿拉戈点处；
所述的第一接收天线(301)、第二接收天线(302)和第三接收天线(303)同时接收微波信号，比较三个接收信号的幅度和相位差异得到测量目标物体(4)小于微波波长尺度的微小位移；
利用信号幅度计算远距离微波源位置变化的方法为比较当前时刻微波信号频点第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线的信号幅度和前一测量时刻信号幅度的差值；如果第一接收天线信号增强，第二接收天线和第三接收天线信号减弱，则微波信号源向第三接收天线一侧有微小移动；如果第三接收天线信号增强，第一接收天线和第二接收天线信号减弱，则微波信号源向第一接收天线一侧有微小移动；移动的距离和信号幅度变化通过以下公式得到：
其中，
为第一接收天线测量到的电压幅度，ΔL为相邻接收天线之间的间距，Δz为微波发射器1位移的距离，h表示金属圆形屏障的直径，k为测量目标物体与金属圆形屏障的距离，Δ表示微波从微波发射器到接收天线，分别经过金属圆形屏障两侧的传播路径的路程差，λ是微波波长，
为测量参考点处非相干信号的电压幅度；测量参考点位于金属圆形屏障后，垂直于金属圆形屏障中心，与中心距离为2.405h/λ；
利用信号相位计算远距离微波源位置变化的方法为比较当前时刻微波信号频点第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线的信号相位和前一测量时刻信号相位的差值；如果第一接收天线信号相位减少，第二接收天线和第三接收天线信号相位增加，则微波信号源向第一接收天线一侧有微小移动；如果第三接收天线信号相位减少，第一接收天线和第二接收天线信号相位增加，则微波信号源向第三接收天线一侧有微小移动；移动的距离和信号相位变化通过以下公式得到：
其中，Δφ是第一接收天线的信号相位与前一测量时刻信号相位的差值。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的远距离位移探测方法，其特征在于：所述的第一接收天线(301)、第二接收天线(302)、第三接收天线(303)同时接收微波信号，比较三个接收信号的幅度、相位和频率得到测量目标物体(4)小于微波波长尺度的微小振动的幅度和频率值。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波信号的远距离位移探测方法，其特征在于：所述的微波发射器(1)固定在测量目标物体(4)上，微波发射器(1)发射微波并跟随测量目标物体(4)一同移动。
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