CN112747878A - 基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法及系统，包括：通过微波雷达向待测声屏障结构发射并接收线性调频连续波微波信号，同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号；根据多通道中频基带信号得到待测声屏障结构的距离‑角度像热图，从距离和角度的联合维度对待测声屏障结构的立柱和面板进行定位，并提取立柱和面板的振动位移时域信息；对待测声屏障结构进行交通工具通过阶段的脉动风载荷引起的受迫振动分析；对待测声屏障结构进行交通工具驶离阶段的结构健康安全评估。通过距离和角度的联合维度对待测物体进行定位，解决静态杂波干扰、邻近多分量耦合及同距离单元分量混叠的问题。

Description

基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法及系统

技术领域

本发明涉及结构监测技术领域，具体地，涉及一种基于微波雷达的非接触式声 屏障结构监测方法及系统。

背景技术

声屏障作为一种有效的隔声降噪设施在公路、铁路和高架复合道路中广泛应用，有效地减轻行车噪声对附近居民的影响，同时可以起到隔离作用，避免行人或动物 进入，以免发生事故。列车通过时引起的脉动风载荷以及自然风载荷是影响声屏障 结构健康的主要因素，其疲劳、损伤或缺失将会直接影响周围居民的生活、旅客乘 车的舒适性和交通运输安全，因此对声屏障的结构健康监测是非常有必要的。

在声屏障结构健康监测中，除了人工检测这种耗费大量人力、物力和财力的方法，以加速度传感器为代表的接触式振动测量方法最为常见，但是需要在声屏障的 立柱和面板上布置多个传感器，从而造成连接导线过长、网络分布复杂等问题。现 有的非接触式测量方法中利用光学方法进行声屏障状态测量，点光源、成像透镜以 及光电探测器都需要严格的位置安装要求且只能进行单点测试。基于高速摄像技术 的声屏障监测方法可以实现多测点的同步测量，但是成像质量受光线环境和摄像机 景深影响，测量精度较低，同时视频信号数据量大，信号处理难度高。

微波感知作为一种新兴的非接触式振动测量方法受到广泛的关注，目前常用的有连续波多普勒雷达和调频连续波雷达两种模式，其中连续波多普勒雷达没有距离 分辨能力只能用于单点测量，调频连续波雷达仅能分辨位于不同距离单元的多个物 体，难以实现同距离单元或邻近距离单元多个物体的分辨，同时，调频连续波雷达 受限于发射带宽，距离分辨率较低，且静态杂波干扰、邻近多分量耦合及同距离单元分 量混叠干扰问题突出，无法实现声屏障结构高精度的形变与振动测量。

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基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法及系统。

根据本发明提供的一种基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，包括：

步骤1：通过微波雷达向待测声屏障结构发射并接收线性调频连续波微波信号，同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号；

步骤2：根据多通道中频基带信号得到待测声屏障结构的距离-角度像热图，从距离 和角度的联合维度对待测声屏障结构的立柱和面板进行定位，并提取立柱和面板的振动 位移时域信息；

步骤3：对待测声屏障结构进行交通工具通过阶段的脉动风载荷引起的受迫振动分 析；

步骤4：对待测声屏障结构进行交通工具驶离阶段的结构健康安全评估。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1：选取多通道中频基带信号中的一个扫频周期，进行二维快速傅里叶变换， 得到视场内声屏障的距离-角度像热图，对多根立柱和多块面板进行定位；

步骤2.2：提取待测声屏障结构中各测点在多个扫频周期的相位信息：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的声屏障结构第q个测点在第i个扫频周期的相位信息，其中T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为步骤2.1中沿每个通道方 向作快速傅里叶变化的离散点数，M_z为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化 的离散点数，M为雷达虚拟通道个数，N为单个雷达通道接收到的信号点数，e为自然常 数，即自然对数函数的底数，π为圆周率，j为虚数；

步骤2.3：振动位移时域信息提取：

λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值，φ_q为第q个测点振动方向与雷达视线方向之间的夹角。

x_q(iT)为第q个测点的振动位移时域信息。

优选地，所述步骤2.1包括：

首先沿每个通道方向对一个扫频周期的多通道中频基带信号进行快速傅里叶变换 得到待测声屏障结构的距离像信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到待 测声屏障结构的角度像信息，从而实现对多根立柱和多块面板在距离维度和角度维度的 联合定位。

优选地，所述步骤3包括：

监测交通工具通过阶段待测声屏障结构的振动位移时域信息，通过快速傅里叶变换 提取受迫振动频率，用于调整待测声屏障结构，使立柱和面板的固有振动频率避开受迫振动频率范围以免产生共振。

优选地，所述步骤4包括：

监测交通工具驶离阶段待测声屏障的振动位移时域信息，辨识模态参数，模态参数 包括固有频率、模态振型和阻尼比，与待测声屏障结构的理论值进行对比，判断是否超出预定的阈值范围。

根据本发明提供的一种基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，包括：

微波雷达模块：向待测声屏障结构发射并接收线性调频连续波微波信号；

信号采集处理模块：同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号，根据多通道中 频基带信号得到待测声屏障结构的距离-角度像热图，从距离和角度的联合维度对待测声屏障结构的立柱和面板进行定位，并提取立柱和面板的振动位移时域信息；

信号分析模块：对待测声屏障结构进行交通工具通过阶段的脉动风载荷引起的受迫 振动分析，对待测声屏障结构进行交通工具驶离阶段的结构健康安全评估。

优选地，所述微波雷达模块包括：LFMCW微波信号源、功分器、功率放大器、低噪 声放大器、混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线；

所述LFMCW微波信号源的输出端连接所述功分器的输入端，所述功分器的第一输出 端通过所述功率放大器连接所述发射天线，所述功分器的第二输出端连接所述混频器的 第一输入端，所述接收天线通过所述低噪声放大器连接所述混频器的第二输入端，所述混频器的输出端连接所述低通滤波器。

优选地，所述发射天线的数量为一个或多个，发射天线发射的线性调频连续波微波 信号正对待测声屏障结构；

所述接收天线的数量为多个，且为线性等间距阵列分布。

优选地，所述接收天线之间的间距小于或等于发射的线性调频连续波微波信号的载 波波长的一半。

优选地，还包括：

显示保存模块：显示得到的待测声屏障结构的距离-角度像热图、振动位移时域信息、受迫振动分析结果和健康安全评估结果，并保存所述微波雷达模块、所述信号采集 处理模块和所述信号分析模块的输出结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过多发多收的微波雷达模式实现多目标、非接触式、高集成度、高精度、 环境适应性强、操作便捷的实时声屏障结构监测。

2、通过距离和角度的联合维度对待测物体进行定位，解决静态杂波干扰、邻 近多分量耦合及同距离单元分量混叠的问题，并通过相位演变追踪获取振动位移时 域信息的方法。

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为本发明进行声屏障结构健康监测的示意图；

图2为本发明基于微波感知的声屏障结构监测方法流程图；

图3为本发明线性调频连续波雷达发射信号与接收信号瞬时频率示意图；

图4为本发明基于微波感知的声屏障结构监测系统框图；

图5为本发明实施例中微波雷达模块结构示意图。

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所示，为本发明所述的基于微波感知的声屏障结构监测方法及系统进行声屏 障结构监测的示意图。

基于微波感知的声屏障结构监测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，安装微波雷达设备，使雷达前端正对待测声屏障，发射并接收线性调频连续波(LFMCW)微波信号，同步采集多通道中频基带信号。

步骤2，通过距离和角度联合维度定位待测声屏障结构中的立柱和面板，并检测其振动位移时域信息。如图3所示，为发射与接收微波信号的瞬时频率示意图，其中微波 雷达前端具有一个发射天线和八个接收天线，扫频周期为T，信号发射周期为T_f，带 宽为B，接收信号为发射信号的时间延迟。

步骤2.1，选取由步骤1得到的多通道中频基带信号中的一个扫频周期，进行二维快速傅里叶变换，得到视场内声屏障的距离-角度像热图，对多根立柱和多块面板进行 定位。首先沿每个通道方向对单扫频周期多通道的中频基带信号进行快速傅里叶变换得 到待测声屏障结构的距离像信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到声屏 障结构的角度像信息，从而实现对多根立柱和多块面板在距离维度和角度维度的联合定 位。

步骤2.2，提取声屏障中各测点在多个扫频周期的相位信息

表示位置信息为(k_q,p_q)，(q＝1,2,…,Q)的声屏障结构中第q个测点在第i个 扫频周期的相位信息，其中T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·）为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为步骤2.1中沿每个通道方 向作快速傅里叶变化的离散点数，M_z为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化 的离散点数，M为雷达虚拟通道个数，N为单个雷达通道接收到的信号点数，e为自然常 数，即自然对数函数的底数，π为圆周率，j为虚数。

步骤2.3，振动位移时域信息提取

式中，λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值，φ_q为第q个测点振动方向与雷达视线方向之间的夹角，x_q(iT)为第q个测 点的振动位移时域信息。

步骤3，进行高速列车经过阶段脉动风载荷引起的声屏障受迫振动分析；

列车经过阶段，声屏障结构主要受脉动风载荷影响而产生受迫振动，其受迫振动频 率、幅值与列车通过的车速相关。监测列车通过阶段声屏障结构的振动响应，通过快速傅里叶变换从频谱图中提取受迫振动频率，指导声屏障的结构设计，使得立柱和面板的 固有振动频率避开其受迫振动范围以免产生共振造成结构损伤。

步骤4，进行高速列车驶离阶段声屏障的结构健康安全评估。

列车在驶离后，声屏障以一定的阻尼系数进行衰减振动，振动频率为有阻尼固有频 率，通过监测声屏障的振动位移时域信息，从而得到其模态参数，包括固有频率，模态振型和阻尼比，与声屏障设计的理论值进行对比，判断是否超出阈值范围，进行声屏障 结构的健康监测，并发出预警。

本发明提供的基于微波感知的声屏障结构监测系统，如图4所示，包括：微波雷达模块、数据采集处理模块、信号分析模块和显示保存模块。微波雷达模块与数据采集处 理模块相连接并传输多通道基带信号，数据采集处理模块与信号分析模块相连接并传输 声屏障各测点的振动位移时域信息，信号分析模块与显示保存模块相连接并传输振动模 态参数和结构健康监测结果。

所述微波雷达模块，如图5所示，包括：线性调频连续波(FMCW)微波信号源、功 分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线。

所述发射天线的数量为一个或多个；所述接收天线的数量为多个，且接收天线为线 性等间距阵列分布，优选的，所述间距小于或等于发射微波信号载波波长的一半。所述FMCW微波信号源与所述功分器相连传输线性调频载波信号，所述功分器一端与所述功率放大器相连，一端与所述混频器相连并传输本振信号；所述功率放大器与所述发射天线 相连并传输放大的线性调频载波信号，所述接收天线与所述低噪声放大器相连，所述低 噪声放大器与混频器相连并传输放大的接收信号，所述混频器的输出端与低通滤波器相 连并产生下变频基带信号。所述FMCW微波信号源的信号经过所述功分器分为两路，一 路经过所述功率放大器连接所述发射天线，由所述发射天线发射，一路与放大的接收信 号通过混频器产生混频信号。所述接收天线接收拉索反射的微波信号，经低噪声放大器 传输给混频器；混频器将低噪声放大器传输的微波信号与经过所述功分器后的另一路微 波信号混频处理，经低通滤波器处理后输出多通道基带信号。

数据采集处理模块：同步采集多发多收微波雷达模块输出的多通道基带信号，并通 过距离和角度联合维度对声屏障中多根立柱和多块面板进行定位和振动位移时域信息的提取。

信号分析模块：用于分析列车通过和列车驶离阶段声屏障结构振动响应，监测振动 频率，从而有效指导声屏障的设计以及进行声屏障的结构健康监测。

显示保存模块：显示由数据采集与处理模块得到的声屏障结构的距离-角度像热图和 振动位移时域信息，由信号分析模块得到的声屏障的振动模态参数和监测结果，并保存 各模块的输出结果。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及 其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制 器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装 置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、 模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、 单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的 限制。

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)

1.一种基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过微波雷达向待测声屏障结构发射并接收线性调频连续波微波信号，同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号；

步骤2：根据多通道中频基带信号得到待测声屏障结构的距离-角度像热图，从距离和角度的联合维度对待测声屏障结构的立柱和面板进行定位，并提取立柱和面板的振动位移时域信息；

步骤3：对待测声屏障结构进行交通工具通过阶段的脉动风载荷引起的受迫振动分析；

步骤4：对待测声屏障结构进行交通工具驶离阶段的结构健康安全评估。

2.根据权利要求1所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：选取多通道中频基带信号中的一个扫频周期，进行二维快速傅里叶变换，得到视场内声屏障的距离-角度像热图，对多根立柱和多块面板进行定位；

步骤2.2：提取待测声屏障结构中各测点在多个扫频周期的相位信息：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的声屏障结构第q个测点在第i个扫频周期的相位信息，其中T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为步骤2.1中沿每个通道方向作快速傅里叶变化的离散点数，M_z为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化的离散点数，M为雷达虚拟通道个数，N为单个雷达通道接收到的信号点数，e为自然常数，即自然对数函数的底数，π为圆周率，j为虚数；

步骤2.3：振动位移时域信息提取：

λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值，φ_q为第q个测点振动方向与雷达视线方向之间的夹角；

x_q(iT)为第q个测点的振动位移时域信息。

3.根据权利要求1所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，其特征在于，所述步骤2.1包括：

首先沿每个通道方向对一个扫频周期的多通道中频基带信号进行快速傅里叶变换得到待测声屏障结构的距离像信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到待测声屏障结构的角度像信息，从而实现对多根立柱和多块面板在距离维度和角度维度的联合定位。

4.根据权利要求1所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

监测交通工具通过阶段待测声屏障结构的振动位移时域信息，通过快速傅里叶变换提取受迫振动频率，用于调整待测声屏障结构，使立柱和面板的固有振动频率避开受迫振动频率范围以免产生共振。

5.根据权利要求1所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

监测交通工具驶离阶段待测声屏障的振动位移时域信息，辨识模态参数，模态参数包括固有频率、模态振型和阻尼比，与待测声屏障结构的理论值进行对比，判断是否超出预定的阈值范围。

6.一种基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，其特征在于，包括：

微波雷达模块：向待测声屏障结构发射并接收线性调频连续波微波信号；

信号采集处理模块：同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号，根据多通道中频基带信号得到待测声屏障结构的距离-角度像热图，从距离和角度的联合维度对待测声屏障结构的立柱和面板进行定位，并提取立柱和面板的振动位移时域信息；

信号分析模块：对待测声屏障结构进行交通工具通过阶段的脉动风载荷引起的受迫振动分析，对待测声屏障结构进行交通工具驶离阶段的结构健康安全评估。

7.根据权利要求6所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，其特征在于，所述微波雷达模块包括：LFMCW微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线；

所述LFMCW微波信号源的输出端连接所述功分器的输入端，所述功分器的第一输出端通过所述功率放大器连接所述发射天线，所述功分器的第二输出端连接所述混频器的第一输入端，所述接收天线通过所述低噪声放大器连接所述混频器的第二输入端，所述混频器的输出端连接所述低通滤波器。

8.根据权利要求7所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，其特征在于，所述发射天线的数量为一个或多个，发射天线发射的线性调频连续波微波信号正对待测声屏障结构；

所述接收天线的数量为多个，且为线性等间距阵列分布。

9.根据权利要求8所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，其特征在于，所述接收天线之间的间距小于或等于发射的线性调频连续波微波信号的载波波长的一半。

10.根据权利要求6所述的基于微波雷达的非接触式声屏障结构监测系统，其特征在于，还包括：

显示保存模块：显示得到的待测声屏障结构的距离-角度像热图、振动位移时域信息、受迫振动分析结果和健康安全评估结果，并保存所述微波雷达模块、所述信号采集处理模块和所述信号分析模块的输出结果。

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