CN111609920A - 手持式微波测振系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手持式微波测振系统，包括指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、防抖模块、显示与数据保存模块以及电源模块，电源模块用于供电；微波雷达收发模块用于产生并发射单频连续波微波信号，并接收目标散射的电磁回波，得到零中频基带信号；信号采集与处理模块用于采集微波雷达收发模块输出的零中频基带信号，并进行振动信息提取与分析；控制模块用于控制系统的启动与停止、设置参数、控制各模块工作运行和数据传输；防抖模块用于消除手持等抖动对测量结果的影响；指示与定位模块用于辅助指示与定位振动测试目标和/或测点。本发明解决现有振动测量仪器便携性差、体积和功耗大、成本高、测试环境要求高及适用范围受限等技术问题。

Description

手持式微波测振系统

技术领域

本发明涉及振动测量仪器技术领域，具体地，涉及一种手持式微波测振系统。

背景技术

振动测量是实现结构力学性能测试、健康监测与设备故障诊断，及其他微动特征提取的重要途径和必备环节。按照传感类型可以分为接触式和非接触式振动测量两类，其中接触式传感器以加速度传感器为主，应用最为广泛，但是非接触式测量在传感器安装简易性、轻质结构测量等方面具有明显优势，例如激光位移传感器。实际应用中，一款方便、快捷、应用范围广的振动测量仪器(简称“测振仪”)具有重要的应用价值和工程应用需求，特别适用于机械设备、结构的点检测试，锤击模态测试及高电压等恶劣环境的振动测量等。

然而针对目前已有的测振仪，接触式的安装繁琐，且在轻质柔性结构及高压等特殊环境的振动测量上应用受限，且便携性较差。非接触式的激光测振仪体积和功耗较大，成本昂贵，且对测量环境要求较高。因此，目前缺乏一种方便、快捷、低成本、高精度的手持式非接触振动测量仪。

专利文献为201910434648.2的发明专利公开了一种激光测振仪，其中：激光器发射的激光经过隔离器和第一耦合器后分成两束光，第一路光束经过两个声光移频器调制后进入第四耦合器，第二路光束经过第三耦合器后分成校正光束与信号光束；校正光束经过强度相位调制器后进入第二耦合器；信号光束通过光学收发系统照射到待测目标表面，并经环形器后进入第二耦合器；信号光束与校正光束在第二耦合器中进行混合，混合后的光束进入第四耦合器中与参考光干涉后进入平衡探测系统；再通过解调算法获得待测目标的多普勒振动情况，最终得到待测目标的振动信息。上述测振仪可以实现对发射系统杂散光的消除，从而提高系统的探测能力和精度。但是上述方案的功耗较大，对测量环境的要求较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种手持式微波测振系统。

根据本发明提供的一种手持式微波测振系统，包括指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块以及电源模块，其中：

电源模块给指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块供电；

微波雷达收发模块用于产生并发射单频连续波微波信号，并接收目标散射的电磁回波，得到零中频基带信号；

信号采集与处理模块用于采集微波雷达收发模块输出的两通道零中频基带信号，并进行振动信息提取与分析；

控制模块用于控制系统的启动与停止、设置参数、控制各模块工作运行和数据传输；

指示与定位模块用于辅助指示与定位振动测试目标和/或测点；

显示与数据保存模块用于显示和保存包括振动测量时域波形及振动特征分析结果在内的信息。

优选地，设置参数包括设置基带信号采样参数、信号处理与分析参数及显示与数据保存参数。

优选地，指示与定位模块选用激光或可见光器件，指示与定位模块指示的方向与微波雷达收发模块的发射波束方向相同或相近。

优选地，还包括防抖模块，所述防抖模块用于消除包括手持或者头戴在内的抖动对测量结果的影响。

优选地，所述防抖模块包括软件防抖子模块和/或物理防抖子模块。

优选地，物理防抖子模块包括主动抖动隔离器件或者被动抖动隔离器件，用于隔绝或减弱手持或头戴抖动向微波雷达收发器的传导；软件防抖子模块包括带通滤波器，带通滤波器对提取的被测目标和/或测点的振动位移时域波形进行滤波处理。

优选地，还包括壳体，指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块以及电源模块均封装于所述壳体内。

优选地，所述微波雷达收发模块包括微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、正交混频器、低通滤波器、发射天线以及接收天线，其中：

微波信号源与功分器连接，功分器与功率放大器和正交移相器连接，功率放大器与发射天线连接，接收天线与低噪声放大器连接，低噪声放大器和正交移相器与正交混频器输入端连接，正交混频器输出端与低通滤波器连接。

优选地，所述振动信息提取包括如下步骤：

步骤S1：对采集的两通道零中频基带信号进行滑动窗截取；

步骤S2：利用圆拟合算法对滑动窗内的信号进行圆弧拟合与圆心估计；

步骤S3：判断拟合圆弧占圆周长的比例是否大于阈值，如果大于或等于阈值，利用反正切解调算法提取被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，如果小于阈值，选取两通道基带信号中标准差较大者作为被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列；

步骤S4：提取被测目标和/或测点的振动位移时间序列。

优选地，阈值设置为0-1/2之间的某一个常数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的一种手持式微波测振仪，能够解决接触式测振仪安装复杂繁琐、不能适用于轻质、柔性结构振动测量及高电压等特殊环境使用受限等问题；解决非接触式测振仪设备安装和环境条件要求严格，体积和功耗较大，成本高，便携性差等问题；本发明通过微波雷达收发器模块实现了微波振动感知与测量，解决了振动测量幅值量程范围受限、频率响应范围窄及测量精度低的问题，且易实现系统的微型化和低功耗；通过信号采集与处理模块中的振动信息提取方法能够有效解决微幅和大幅等的多尺度振动测量与信息提取难题。

2、本发明能够实现多尺度(大幅或微幅)、宽频带、高精度振动测量，提供了一种低成本、便携性好、易操作且适用范围广的非接触式振动测量仪器与装置。

3、本发明通过将模块集成在壳体内，便于手持或者头戴等便携式操作，利用指示与定位模块克服了微波不可见和不易判断是否对准目标或测点的问题；

4、本发明通过在手持式微波测振系统内设置防抖模块，有效消除包括手持或者头戴在内的抖动对振动测量结果的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的一种手持式微波测振系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的微波雷达收发模块结构框图；

图3为本发明实施例提供的信号采集与处理模块中振动信息提取方法流程图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，根据本发明提供的一种手持式微波测振系统，包括微波雷达收发器、信号采集与处理模块、控制器、显示与数据保存模块、电源模块、指示与定位模块、防抖模块以及壳体，指示与定位模块和微波雷达收发器通过位置匹配，实现快速、准确指示与定位手持式微波测振仪的测试目标和/或测点，微波雷达收发器与信号采集与处理模块连接，信号采集与处理模块输出端和显示与数据保存模块连接，软件防抖子模块与信号采集与处理模块中的振动信息提取与分析子模块连接。控制器连接微波雷达收发器、信号采集与处理模块、防抖模块和显示与数据保存模块，电源模块为除壳体外的其他模块提供电源供应，壳体为其他所有模块提供封装支撑，并便于手持或头戴等便携式操作。

下面对各个模块进一步展开：壳体将微波雷达收发器、信号采集与处理模块、控制器、显示与数据保存模块、电源模块、指示与定位模块、防抖模块封装在一个外壳里，并便于手持或者头戴等便携式操作。微波雷达收发器用于产生并发射单频连续波微波信号，并接收目标散射的电磁回波，得到零中频基带信号。本发明基于单频连续波微波雷达的相位调制与干涉测量，对目标和/或测点的振动进行感知与测量，能够实现高精度、多尺度的振动测量。如图2所示，微波雷达收发器包括微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、正交混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线，其中：微波信号源与功分器相连，功分器与功率放大器和正交移相器相连，功率放大器与发射天线相连，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器和正交移相器与正交混频器输入端相连，正交混频器输出端与低通滤波器相连。微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线，一路经过正交移相器与正交混频器相连；低通滤波器输出两通道零中频基带信号。微波雷达收发器中，本振信号采用与发射信号同信号源，经正交移相器与接收信号通过正交混频器进行混频，能够得到正交通道的零中频基带信号，同时有效降低相位噪声。为减小体积和功耗，采用芯片式微波雷达收发器。信号采集与处理模块用于采集微波雷达收发器输出的两通道零中频基带信号，并进行振动信息提取与分析。如图3所示，振动信息提取方法为：

步骤1，对两通道零中频基带信号进行滑动窗截取。

步骤2，利用圆拟合算法对滑动窗内的信号进行圆弧拟合与圆心估计。

步骤3，判断拟合圆弧占圆周长的比例是否大于阈值，如果大于或等于阈值，利用反正切解调算法提取被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，如果小于阈值，选取两通道基带信号中标准差较大者作为被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列。阈值可根据需要，设置为0-1/2之间的某一个常数。为便于说明，假定窗内的双通道基带信号S₁(t)和S₂(t)分别表示为：

式中，DC₁和DC₂分别为第一个通道和第二个通道基带信号的直流偏移量，x(t)为被测目标和/或测点的振动位移，θ为由被测目标和/或测点和雷达之间距离产生的固定相移及微波表面反射等产生的固定相移之和，Δθ(t)为相位噪声，λ为单频连续波微波信号的波长。可以看到，采用反正切解调算法，要求对直流偏移量进行精确估计与补偿，即需要精确估计DC₁和DC₂，否则提取的相位演变时间序列存在较大的误差，当利用圆拟合算法对滑动窗内的双通道基带信号进行直流偏移估计时，如果拟合的圆弧占圆周长的比例非常小时，拟合误差会比较大，特别是占比小于1/12时，直流偏移量的估计误差常常会很大，此时采用反正切解调算法提取被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，会产生较大的测量误差。当拟合的圆弧占圆周长的比例较大时，能够实现比较准确的直流偏移估计，从而利用反正切解调算法得到较高精度的振动测量。对于拟合的圆弧占圆周长比较小的情形，可以推断出被测目标和/或测点的振动幅值比较小，即远远小于λ/2。忽略直流偏移量，S₁(t)和S₂(t)是正交的，此时根据θ的大小，根据三角函数的泰勒级数展开知，忽略平均值，S₁(t)或S₂(t)其中之一可近似等于4πx(t)/λ。为获得最佳的近似和适应不同θ的情形，根据三角函数泰勒级数展开知，可选取两通道基带信号S₁(t)和S₂(t)中标准差较大者作为被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，从而实现大幅与微幅的多尺度、高精度振动测量。

步骤4，提取被测目标和/或测点的振动位移时间序列x(nT_s)，n＝1,2,…，提取方法为：

式中，T_s为采样时间间隔，

为步骤3提取的被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，

为步骤3提取的被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列的平均值，λ为微波雷达收发器发射的单频连续波微波信号的波长。振动信息分析用于针对提取的振动位移时间序列进行时域、频域及时频域特征分析，包括振动频率与振动幅值等。时域分析可基于统计方法分析被测目标和/或测点的振动幅值的最大值、平均值及其演变等特征，频率分析可采用快速傅里叶变换和自相关分析得到振动频率等特征，时频域分析可采用短时傅里叶变换等方法得到被测目标和/或测点的时频分布特征。

手持式微波测振系统的控制器用于控制测试启动与停止、设置参数、控制各模块工作运行和数据传输。设置参数包括设置基带信号采样参数，信号处理与分析参数及显示与数据保存参数。手持式微波测振系统的显示与数据保存模块用于显示和保存包括振动测量时域波形及振动信息特征分析结果在内的信息。电源模块用于给仪器各模块供电，电源模块为直流电源。指示与定位模块用于辅助指示与定位测量仪的振动测试目标和/或测点。可选用激光或可见光器件，指示的方向与微波雷达收发器的发射波束中心方向相同或相近。防抖模块用于消除手持或者头戴等抖动对测量结果的影响。包括软件防抖子模块和物理防抖子模块两者之一或两者结合。由于人体手部或者头部不可避免存在一定的抖动，会对目标和/或测点的振动测量产生影响，导致测量偏差。考虑到人体手部或者头部的抖动具有一定的频率范围，一般约为4-9Hz,因此可以基于软件防抖，采用带通滤波器对提取的被测目标和/或测点的振动位移时域波形进行滤波处理，消除抖动造成的振动波形测量偏差。带通滤波器带内截止频率可由安装在壳体内的加速度计测量的抖动频率确定，也可根据经验值直接确定；物理防抖子模块采用主动或者被动抖动隔离器件，隔绝或减弱手持或头戴抖动向微波雷达收发器的传导。根据需要，可在手持或者头戴部位与微波雷达收发器的中间部位安装主动或者被动的抖动隔离器件。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种手持式微波测振系统，其特征在于，包括指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块以及电源模块，其中：

电源模块给指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块供电；

微波雷达收发模块用于产生并发射单频连续波微波信号，并接收目标散射的电磁回波，得到零中频基带信号；

信号采集与处理模块用于采集微波雷达收发模块输出的两通道零中频基带信号，并进行振动信息提取与分析；

控制模块用于控制系统的启动与停止、设置参数、控制各模块工作运行和数据传输；

指示与定位模块用于辅助指示与定位振动测试目标和/或测点；

显示与数据保存模块用于显示和保存包括振动测量时域波形及振动特征分析结果在内的信息。

2.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，设置参数包括设置基带信号采样参数、信号处理与分析参数及显示与数据保存参数。

3.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，指示与定位模块选用激光或可见光器件，指示与定位模块指示的方向与微波雷达收发模块发射波束的中心方向相同或相近。

4.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，还包括防抖模块，所述防抖模块用于消除包括手持或者头戴在内的抖动对测量结果的影响。

5.根据权利要求4所述的手持式微波测振系统，其特征在于，所述防抖模块包括软件防抖子模块和/或物理防抖子模块。

6.根据权利要求5所述的手持式微波测振系统，其特征在于，物理防抖子模块包括主动抖动隔离器件或者被动抖动隔离器件，用于隔绝或减弱手持或头戴抖动向微波雷达收发器的传导；软件防抖子模块包括带通滤波器，带通滤波器对提取的被测目标和/或测点的振动位移时域波形进行滤波处理。

7.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，还包括壳体，指示与定位模块、微波雷达收发模块、控制模块、信号采集与处理模块、显示与数据保存模块以及电源模块均封装于所述壳体内。

8.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，所述微波雷达收发模块包括微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、正交混频器、低通滤波器、发射天线以及接收天线，其中：

微波信号源与功分器连接，功分器与功率放大器和正交移相器连接，功率放大器与发射天线连接，接收天线与低噪声放大器连接，低噪声放大器和正交移相器与正交混频器输入端连接，正交混频器输出端与低通滤波器连接。

9.根据权利要求1所述的手持式微波测振系统，其特征在于，所述振动信息提取包括如下步骤：

步骤S1：对采集的两通道零中频基带信号进行滑动窗截取；

步骤S2：利用圆拟合算法对滑动窗内的信号进行圆弧拟合与圆心估计；

步骤S3：判断拟合圆弧占圆周长的比例是否大于阈值，如果大于或等于阈值，利用反正切解调算法提取被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列，如果小于阈值，选取两通道基带信号中标准差较大者作为被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列；

步骤S4：提取被测目标和/或测点的振动位移时间序列。

10.根据权利要求9所述的手持式微波测振系统，其特征在于，阈值设置为0-1/2之间的某一个常数。

Images