CN113390371B - 一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法，包括SFCW子系统、干涉测量子系统、相控阵子系统和环境数据采集子系统；SFCW子系统产生步进频率连续波信号；干涉测量子系统对接收的反馈信号和发射信号进行复相关运算；相控阵子系统用于对被测物发射和接收信号；对于复相关运算模块接收的两路信号分别进行0°‑360°的相位扫描和0°/180°的相位翻转；环境数据采集系统将采集的环境数据发送至数据处理模块；数据处理模块用于生成对抗模型。该方法解决了多点形变状态快速检测的问题，并针对各项误差进行校准，最后生成对抗模型，对多点形变检测数据中的混合特征进行转化，最终提取处引起目标形变的各项因素信息。
Description
技术领域
本发明涉及形变检测领域，具体的说，涉及了一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的不断完善，近年来对于大型、超高、大跨度桥梁的建设也不断增多。与此同时，对于桥梁动态形变检测技术的要求也越来越高。
由于实际场景的复杂性，桥梁的结构容易受到多种因素的影响，雪荷载、风荷载、地震、车辆载荷与车辆的运行速度、桥梁所处水域的水深以及流速等因素均会导致桥梁的形变，上述情况不仅仅会影响桥梁的使用功能，更可能对其结构性能留下安全隐患。因此，在复杂场景下对桥梁动态形变振幅、振动频率的检测是势在必行的。
同时，还需要研究相应的数据分析手段来对引起桥梁动态形变的各种因素进行定量分析，以及时发现桥梁结构的受损部位来进行加固，并采取措施以降低各种因素对桥梁形变的影响，最终保证桥梁的稳定、安全运行。
传统的桥梁动态形变检测手段与分析方法在应用上均具有一定的局限性。对于动态形变的常规检测方法是根据光学原理和加速度积分原理，来得到桥梁结构的动态形变量。但光学方法容易受到天气、能见度、桥梁结构形式的影响，而加速度积分原理需要进行数据积分，因此会存在误差积累，并且该方法只能得到桥梁结构的振幅，对载荷作用下的扰度无法进行评估。
随着技术的发展，当前还可采用GPS和倾角仪来进行桥梁动态形变的检测。然而，GPS位移测量技术受到测试精度与监测采样频率的限制，而采用倾角仪的形变测试方法由于往往需要较多的测试点，因而并不适合于大跨度的桥梁结构。
与传统形变检测手段相比，基于微波感知的形变检测技术通过辨识雷达发射波与目标反射波之间的相位差来对目标的形变量进行测量，具有全天时、全天候、非接触远程连续监测的优势，并在近年来得到了广泛的发展。然而，该技术目前仍面临一系列挑战：现有的基于微波感知的形变检测系统不具备沿方位向的多点形变快速测量能力；实际形变检测系统的非理想特性以及应用场景的复杂性会导致形变测量精度的下降；现有数据分析方法很难对引起目标形变的各种因素进行溯源和建模。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种针对多点形变快速检测、校准形变检测系统误差以保证检测精度、结合对抗网络提高数据分析的溯源能力的基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法，包括SFCW子系统、干涉测量子系统、相控阵子系统和环境数据采集子系统；
所述SFCW子系统包括直接数字式频率合成器、频率综合器和混频器，所述直接数字式频率合成器生成带宽信号并发送至混频器，所述频率综合器生成高频点频信号并发送至混频器，混频器将接收的两路信号处理后产生步进频率连续波信号；
所述干涉测量子系统包括第一滤波器、功分器、第一放大器、环形器、第二放大器、第二滤波器、复相关运算模块和数据处理模块，所述第一滤波器接收步进频率连续波信号并发送至功分器，功分器将接收的信号分为两路，第一路信号发送至复相关运算模块、第二路信号经第一放大器、环形器后进入相控阵子系统，所述相控阵子系统接收的反馈信号经所述环形器、第二放大器、第二滤波器进入所述复相关运算模块，复相关运算模块的复相关运算器对接收到的两路信号进行复相关运算，并将运算结果发送至数据处理模块；
所述相控阵子系统用于对被测物发射和接收信号，所述相控阵子系统连接所述干涉测量子系统中的环形器；
其中，对于复相关运算模块接收的第一路信号进行0°-360°的相位扫描以消除正交幅度和相位误差，对于复相关运算模块接收的反馈信号进行0°/180°的相位翻转，以消除偏置飘移和相位噪声；
所述环境数据采集子系统将采集的环境数据发送至数据处理模块，数据处理模块将环境数据采集子系统获得的各项环境数据作为干涉测量子系统所获得检测数据的标签数据，以此为数据基础进行多标签学习，生成对抗模型，以获得引起目标形变的多参数数据模型。
基上所述，所述相控阵子系统包括8X8二维相控阵。
基上所述，所述相控阵子系统还用于控制发射和接收天线的波束指向以实现目标多点形变特征的测量。
基上所述，所述相控阵子系统的各移相器单元的相移量根据SFCW子系统的输出频率进行调节，以实现相控阵波束均保持同一指向。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用二维相控阵+步进频率连续波+微波干涉的协同体制系统，实现对观测区域距离向和角度向各点的识别，鉴于相控阵电扫描的高速率，该体制系统可以实现目标多点形变特征的快速测量；然后采用0°/180°相位翻转机制和0°-360°相位扫描技术对形变检测系统进行校准，提高测量精度；最后通过生成对抗模型，对多点形变检测数据中的混合特征进行转化，最终提取出引起目标形变的各种因素信息。
附图说明
图1是本发明中基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法的系统框架示意图。
图2是本发明中SFCW子系统的框架示意图。
图3是本发明中复相关器的框架示意图。
图4是本发明中相控子系统中功分器的框架示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法，包括SFCW子系统、干涉测量子系统、相控阵子系统和环境数据采集子系统；
如图2所示，所述SFCW子系统包括直接数字式频率合成器（DDS）、频率综合器（PLL）和混频器，所述直接数字式频率合成器生成带宽信号并发送至混频器，所述频率综合器生成高频点频信号并发送至混频器，混频器将接收的两路信号处理后产生步进频率连续波信号（SFCW），该子系统可以兼顾高的输出载波频率和高的频率切换速率。
如图1和图3所示，所述干涉测量子系统包括第一滤波器、功分器、第一放大器、环形器、第二放大器、第二滤波器、复相关运算模块和数据处理模块，所述第一滤波器接收步进频率连续波信号并发送至功分器，功分器将接收的信号分为两路，第一路信号发送至复相关运算模块、第二路信号经第一放大器、环形器后进入相控阵子系统，所述相控阵子系统接收的反馈信号经所述环形器、第二放大器、第二滤波器进入所述复相关运算模块，复相关运算模块的复相关运算器对接收到的两路信号进行复相关运算，并将运算结果发送至数据处理模块，该子系统主要用于对观测方向上的各点进行分辨（即距离向分辨率）以及形变检测。
其中，对于复相关运算模块接收的第一路信号进行0°-360°的相位扫描以消除正交幅度和相位误差，对于复相关运算模块接收的反馈信号进行0°/180°的相位翻转，以消除偏置飘移和相位噪声。
所述相控阵子系统用于对被测物发射和接收信号，所述相控阵子系统连接所述干涉测量子系统中的环形器，相控阵子系统采用8X8二维相控阵，为收发天线共用的结构，如图4所示，输入相控阵子系统的信号经过一个功分器分为八路信号并分配给八个移向器和天线单元，每个天线单元接收的信号再通过移向器和功率合成网络馈入环形器，最终进入复相关运算模块中。鉴于相控阵电扫描的高速率，所述相控阵子系统用于控制发射和接收天线的波束指向，实现对观测区域各点的角度分辨能力，进而实现目标多点形变特征的快速测量。
由于采用了步进频率连续波的体制系统，为了保证SFCW子系统在不同输出频率时相控阵波束均保持同一指向，所述相控阵子系统的各移相器单元的相移量根据SFCW子系统的输出频率进行调节。
所述环境数据采集子系统将采集的环境数据发送至数据处理模块，数据处理模块将环境数据采集子系统获得的各项环境数据作为干涉测量子系统所获得检测数据的标签数据，以此为数据基础进行多标签学习，生成对抗模型，以获得引起目标形变的多参数数据模型。
例如对桥梁进行测量的系统中，环境数据包括桥梁所在区域的温湿度数据、气压数据、风速数据、水流速数据、液面高度数据、桥面车辆的视频监控数据与车速数据等作为标签，以此为基础实现对多点形变检测数据的多标签学习。
传统方案为了获得沿观测方向角度向的多点形变检测能力，则往往需要移动形变检测系统的发射与接收天线（即采用综合孔径雷达（SAR）技术），但是这种方案对整个观测区域的多点形变检测速度通常比较缓慢，在几分钟到几十分钟的范围内。本方案可以对观测区域距离向和角度向的多点形变状态进行快速测量。
实际微波干涉测量系统内部的非理想特性以及实际应用场景的复杂性均会导致系统形变测量精度的下降，本专利提出针对各项误差的校准方法，调高了测量精度。
本专利通过采用生成对抗模型，可对多点形变检测数据中的混合特征进行转化，最终提取出引起目标形变的各种因素信息。
本方法旨在对观测区域距离向和角度向的多点形变状态进行快速测量，同时使用上述提到的各项误差的校准方法，调高测量精度，并且使用生成对抗模型，对多点形变检测数据中的混合特征进行转化，提取出引起目标形变的各种因素信息。
本方案既可以应用于桥梁等大型建筑的形变检测上，也可以用在人体生命体征如呼吸、心跳等监测场景。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (1)
1.一种基于微波感知的目标多点形变快速检测与分析方法，其特征在于：包括SFCW子系统、干涉测量子系统、相控阵子系统和环境数据采集子系统；
所述SFCW子系统包括直接数字式频率合成器、频率综合器和混频器，所述直接数字式频率合成器生成带宽信号并发送至混频器，所述频率综合器生成高频点频信号并发送至混频器，混频器将接收的两路信号处理后产生步进频率连续波信号；
所述干涉测量子系统包括第一滤波器、功分器、第一放大器、环形器、第二放大器、第二滤波器、复相关运算模块和数据处理模块，所述第一滤波器接收步进频率连续波信号并发送至功分器，功分器将接收的信号分为两路，第一路信号发送至复相关运算模块、第二路信号经第一放大器、环形器后进入相控阵子系统，所述相控阵子系统接收的反馈信号经所述环形器、第二放大器、第二滤波器进入所述复相关运算模块，复相关运算模块的复相关运算器对接收到的两路信号进行复相关运算，并将运算结果发送至数据处理模块；
所述相控阵子系统包括8X8二维相控阵，用于对被测物发射和接收信号，所述相控阵子系统还用于控制发射和接收天线的波束指向以实现目标多点形变特征的测量，所述相控阵子系统的各移相器单元的相移量根据SFCW子系统的输出频率进行调节，以实现相控阵波束均保持同一指向，所述相控阵子系统连接所述干涉测量子系统中的环形器；
其中，对于复相关运算模块接收的第一路信号进行0°-360°的相位扫描以消除正交幅度和相位误差，对于复相关运算模块接收的反馈信号进行0°/180°的相位翻转，以消除偏置飘移和相位噪声；
所述环境数据采集子系统将采集的环境数据发送至数据处理模块，数据处理模块将环境数据采集子系统获得的各项环境数据作为干涉测量子系统所获得检测数据的标签数据，以此为数据基础进行多标签学习，生成对抗模型，以获得引起目标形变的多参数数据模型。
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