CN115436938A - 一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置和测量方法，测量装置包括毫米波雷达和反射器，所述反射器包括八个反射单元，每个反射单元由三个互相垂直、交叉的金属面构成，每四个反射单元背对背相连构成一个单元组合，两个单元组合上下放置，且上层单元组合与下层单元组合以45°角交错放置；测量方法通过构造多组均匀线性天线阵列，对每组天线阵列的信号均进行波束成形和旁瓣抑制信号处理，分离出多组来自反射器的信号；采用在二维同相正交域中将多组信号融合成一个圆弧，使用圆弧拟合算法估测得到圆弧的中心，将该中心对应的信号从分离出的信号中去除，实现了信号的提纯，从而实现了多点振动源的精准振动频率和振幅测量。
Description
技术领域
本发明涉及振动测量技术领域，特别涉及一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置和测量方法。
背景技术
振动测量是监控机械结构运行情况的重要途径之一。传统振动测量主要利用加速度计或激光位移传感器。加速度计是有源传感器，实际部署复杂，激光位移传感器对于环境有较高要求，不能在雨雾天气中使用。
因此，近年来基于射频信号的振动测量被提出。射频信号可实现被动式振动测量，即无需在被测物体上部署有源传感器；其次，射频信号的穿透力较强，不受雨雾雪等天气情况影响。但现有基于射频信号的振动测量无法实现精准的、亚毫米级别的、多点的振动测量。如在CN 106644030 B中提出的基于多普勒雷达的振动测量方法，只能实现对一个振动源的测量，并且低频率的雷达信号无法实现精准的亚毫米级的振动测量。但实际中的大型机械和结构通常有多个需要同时监测的振动源，振动源的振动非常微小(亚毫米级)。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置和测量方法，以达到实现多点振动源的精准振动频率和振幅测量的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，包括毫米波雷达和反射器，所述反射器包括八个反射单元，每个反射单元由三个互相垂直、交叉的金属面构成，每四个反射单元背对背相连构成一个单元组合，两个单元组合上下放置，且上层单元组合与下层单元组合以45°角交错放置。
上述方案中，所述反射单元的每个金属面的形状为正方形、三角形或四分之一圆形。
一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，采用上述的基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，包括如下步骤：
步骤一，在需要测量的各振动源处分别布置反射器，毫米波雷达的发射天线首先发送调频连续波信号，信号传播到各个反射器后经由其反射返回到雷达的接收天线；
步骤二，接收的信号经混频器处理得到中频信号，中频信号经傅里叶变换分辨和分解出不同传播距离的信号，经波束成形方法分辨和分解出不同方位角的信号，实现对各个反射器的定位和各振动源信号的分离；
步骤三，构造多组均匀线性天线阵列，然后对每组均匀线性天线阵列的信号进行波束成形和旁瓣抑制信号处理，从整体信号中分离出多组来自反射器的信号；
步骤四，在二维同相正交域中将多组来自反射器的信号融合成一个圆弧，使用圆弧拟合算法估测得到圆弧的中心，将该中心对应的信号从分离出的信号中去除，得到提纯后的信号，再提取出信号的相位；
步骤五，对信号的相位进行快速傅里叶变换，求得振动频率，再根据相位-振动幅度的对应关系，通过检测振动相位变化峰峰值，求得振动幅度。
进一步的技术方案中，步骤一中，在进行反射器布置时，将反射器的反射单元的金属面尽可能多的朝向毫米波雷达，且毫米波雷达的位置高于反射器或与反射器放置在同一平面内。
更进一步的技术方案中，步骤一中，测量二维振动源时，在反射器相邻的两个反射单元朝向的方向上分别布置一个毫米波雷达，用于测两个维度上的振动。
进一步的技术方案中，步骤三中，构造多组均匀线性天线阵列的方法如下：
对于包含3个发送天线和4个接收天线的毫米波雷达，相邻的两个接收天线之间的距离为λ/2，发送天线T1和T2位于同一水平线上，且两者之间的距离为2λ，发送天线T3位于发送天线T1和T2的中间一侧，且与发送天线T1和T2的垂直距离为λ/2；
首先，对上述天线布局进行等效转化，转化后包括一个发送天线T1和12个接收天线R1-R12，其中，接收天线R1-R8与发送天线T1处于同一水平线上，且由近及远依次排列，接收天线R9-R12分别位于接收天线R3-R6的同一侧；接收天线R1-R8两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12与接收天线R3-R6的垂直距离为λ/2；
然后，从接收天线R3-R6以及接收天线R9-R12中选择4个接收天线，分别与接收天线R1、R2以及接收天线R7、R8进行组合，构造出16组在水平方向上不重合，且在水平方向上两两距离均为λ/2的均匀线性天线阵列，每组天线阵列包含8个接收天线。
进一步的技术方案中，步骤四中，基于得到的圆弧，首先使用Tabin圆弧拟合方法得到一个圆弧的中心初步估测值，在初步估测值的基础上，再使用Levenberg-Marquardt方法来得到更准确的圆心估测值。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置和测量方法具有如下有益效果：
1、本发明的反射器可粘附在振动源上且无需电源，布置灵活，且本发明的反射器可有效地提升被雷达检测到的距离和角度。
2、本发明基于反射器可在待测振动源上实现无源、非接触式的振动测量；通过部署多个反射器，本发明还实现了多振动源的振动测量。
3、本发明采用毫米波信号，穿透能力强，可穿过雨、雾、雪，振动测量效果不受天气情况影响；且毫米波信号的波长小，能极大的提高振动测量的粒度。
4、本发明的振动测量方法构造多组均匀线性天线阵列，对每组天线阵列的信号均进行波束成形和旁瓣抑制信号处理，可以从整体信号中分离出多组来自反射器的信号。
5、本发明的振动测量方法采用在二维同相正交域中将多组来自反射器的信号融合成一个圆弧，使用圆弧拟合算法估测得到圆弧的中心，将该中心对应的信号从分离出的信号中去除，实现了信号的提纯，有效去除了干扰信号，实现了多点振动源的精准振动频率和振幅测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的反射器结构示意图；
图2为反射单元的形状图，(a)正方形，(b)三角形，(c)四分之一圆形；
图3为本发明实施例所公开的一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法流程图；
图4为测量二维振动源时的测量装置布置俯视图；
图5为常见的包含3个发送天线和4个接收天线的毫米波雷达收发天线布局图；
图6为转化后的毫米波雷达天线布局；
图7为构造的16组均匀线性天线阵列。
图中，1、反射器；2、毫米波雷达。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，包括毫米波雷达2和反射器1。如图1所示，反射器包括八个反射单元，每个反射单元由三个互相垂直、交叉的金属面构成，每四个反射单元背对背相连构成一个单元组合，两个单元组合上下放置，且上层单元组合与下层单元组合以45°角交错放置。
如图2所示，反射单元的每个金属面的形状可以为正方形、三角形或四分之一圆形，也可以为其他规则形状。金属面的材质可以为铜、铝、不锈钢304等。
本发明的反射器利用8个反射单元能从各个角度有效地将入射信号按照入射方向的反方向反射回雷达(即信号逆反射)，降低了信号被散射到其他方向的能量消耗，提升反射信号的强度。上层单元组合与下层单元组合能够相互弥补，充分提高不同角度下反射器对毫米波雷达信号的反射能力。
一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，采用上述的基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，如图3所示，包括如下步骤：
步骤一，在需要测量的各振动源处分别布置反射器，在进行反射器布置时，将反射器的反射单元的金属面尽可能多的朝向毫米波雷达，且毫米波雷达的位置高于反射器或与反射器放置在同一平面内。
毫米波雷达的发射天线首先发送调频连续波信号，信号传播到各个反射器后经由其反射返回到雷达的接收天线。
需要指出的是，当测量二维振动源时，如图4所示，在反射器1相邻的两个反射单元朝向的方向上分别布置一个毫米波雷达2，信号分别经过后续的方法处理，用于测得两个维度上的振动。
步骤二，接收的信号经混频器处理得到中频信号，中频信号经傅里叶变换分辨和分解出不同传播距离的信号，经波束成形方法分辨和分解出不同方位角的信号，实现对各个反射器的定位和各振动源信号的分离。
步骤三，构造多组均匀线性天线阵列，然后对每组均匀线性天线阵列的信号进行波束成形和旁瓣抑制信号处理，从整体信号中分离出多组来自反射器的信号。
构造多组均匀线性天线阵列的方法如下：
如图5所示，对于常见的包含3个发送天线T1、T2、T3，以及4个接收天线R1-R4的毫米波雷达，相邻的两个接收天线之间的距离为λ/2，发送天线T1和T2位于同一水平线上，且两者之间的距离为2λ，发送天线T3位于发送天线T1和T2的中间一侧，且与发送天线T1和T2的垂直距离为λ/2。
首先，对上述天线布局进行等效转化，如图6所示，转化后包括一个发送天线T1和12个接收天线R1-R12，其中，接收天线R1-R8与发送天线T1处于同一水平线上，且由近及远依次排列，接收天线R9-R12分别位于接收天线R3-R6的同一侧；接收天线R1-R8两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12与接收天线R3-R6的垂直距离为λ/2。
然后，从接收天线R3-R6以及接收天线R9-R12中选择4个接收天线，分别与接收天线R1、R2以及接收天线R7、R8进行组合，构造出16组在水平方向上不重合，且在水平方向上两两距离均为λ/2的均匀线性天线阵列，每组天线阵列包含8个接收天线，如图7所示。即，不能同时选择图中6垂直方向上的两个接收天线。
接下来，对每组天线阵列上的信号均进行波束成形和旁瓣抑制处理，得到多组分离后的信号。波束成形和旁瓣抑制算法如下：
首先，从每组天线阵列的八个接收天线中分别获得八组信号sm(t),m＝1,2,…,7,8，m代表接收天线的序号，以第一个接收天线为基准，其他七个接收天线与第一个接收天线的信号相位差为：
其中，t表示时间，l为两两天线之间的距离，de＝λ/2，
代表第m个接收天线与第一个接收天线的信号相位差，m∈{1,2,…,7,8}。
基于相位差构造一个转向向量w(m,φ)：
其中，φ为反射器相对于雷达的方位角角度，φ∈[-900,900]，j表示虚部；
为了实现旁瓣抑制，需要对转向向量进行优化，得到一个新的转向向量wd＝{wd(1,φ),wd(2,φ),…,wd(7,φ),wd(8,φ)}。优化的目标是使干扰方向角度(φn)上的旁瓣最小，但同时不影响主瓣的大小，因此需要解决以下优化问题：
min[wd-w(φn)]H·[wd-w(φn)],
其中，(·)H为埃尔米特转置，w(φn)是一个向量，是当角度为干扰方向角度φn的旧转向向量。
通过上述优化得到了新的转向向量wd，最终，将每个天线上接收信号与wd中的各个元素分别相乘后再相加，得到波束成形和旁瓣抑制之后分离出的反射器信号Y(φ,t):
多组天线阵列可以相应地获得多组分离信号，不同天线阵列的信号存在不同的固定相位偏差
其中，
表示由接收天线R9，R10，R11，R12所带来的额外的相位，因为接收天线R9，R10，R11，R12在垂直方向上多出了λ/2的距离，因此会带来额外的相位。p为天线阵列中来自R9，R10，R11，R12天线的数量，即p＝{0,1,2,3,4}；θ表示反射器与雷达之间的仰角角度。
步骤四，在二维同相正交域中将多组来自反射器的信号融合成一个圆弧，基于得到的圆弧，首先使用时间复杂度小的Tabin圆弧拟合方法得到一个圆弧的中心初步估测值，在初步估测值的基础上，再使用拟合精确度更高的Levenberg-Marquardt方法来得到更准确的圆心估测值；将该中心对应的信号[cI,cQ]从分离出的信号中去除，得到提纯后的信号Yp(φ,t)，再提取出信号的相位
Yp(φ,t)＝Y(φ,t)-[cI,cQ]
其中，cI,cQ分别表示干扰信号的同相分量和正交分量，φ(t)为反射器(即振动源)在t时刻的方位角。
步骤五，对信号的相位进行快速傅里叶变换，求得振动频率，再根据相位-振动幅度的对应关系，通过检测振动相位变化峰峰值，求得振动幅度。
具体方法如下：
根据信号相位变化
振动源的方位角φ(t)与振动位移变化Δd(t)的关系提取振动位移变化Δd(t)，三者关系如下：
首先，移除Δd(t)中的直流分量，随后进行傅里叶变换。如果振动源以单一频率振动，则只有一个峰值超过频域频谱中的噪声水平。频谱噪声水平根据经验设置为所有频谱幅度的平均值。频谱幅值峰值对应的频率为测得的振动频率fs。
然后，通过测量峰峰值(p-p值)的方式来计算振动位移。为了获得p-p值，在振动信号上应用峰值检测算法，该算法检测局部最大值和最小值，以提取上下峰值。然后，峰峰值是相邻上峰和下峰之间的距离。为了避免将振动信号中较小的波动误认为是峰值，我们应用带通滤波器来平滑信号。带通滤波器的较低和较高截止频率分别设置为fs-1Hz和fs+1Hz。当振动源以多个频率振动，频谱中会出现多个频率峰值。在多频率情况下，首先通过傅里叶变换和峰值检测提取出所有高于噪声的振动频率，并通过带通滤波器来消除其他频率的影响。
最后，应用峰值检测来提取每个振动频率的振动位移的峰峰值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，其特征在于，包括毫米波雷达和反射器，所述反射器包括八个反射单元，每个反射单元由三个互相垂直、交叉的金属面构成，每四个反射单元背对背相连构成一个单元组合，两个单元组合上下放置，且上层单元组合与下层单元组合以45°角交错放置。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，其特征在于，所述反射单元的每个金属面的形状为正方形、三角形或四分之一圆形。
3.一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，采用如权利要求1所述的基于毫米波雷达的被动式信号测量装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在需要测量的各振动源处分别布置反射器，毫米波雷达的发射天线首先发送调频连续波信号，信号传播到各个反射器后经由其反射返回到雷达的接收天线；
步骤二，接收的信号经混频器处理得到中频信号，中频信号经傅里叶变换分辨和分解出不同传播距离的信号，经波束成形方法分辨和分解出不同方位角的信号，实现对各个反射器的定位和各振动源信号的分离；
步骤三，构造多组均匀线性天线阵列，然后对每组均匀线性天线阵列的信号进行波束成形和旁瓣抑制信号处理，从整体信号中分离出多组来自反射器的信号；
步骤四，在二维同相正交域中将多组来自反射器的信号融合成一个圆弧，使用圆弧拟合算法估测得到圆弧的中心，将该中心对应的信号从分离出的信号中去除，得到提纯后的信号，再提取出信号的相位；
步骤五，对信号的相位进行快速傅里叶变换，求得振动频率，再根据相位-振动幅度的对应关系，通过检测振动相位变化峰峰值，求得振动幅度。
4.根据权利要求3所述的一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，其特征在于，步骤一中，在进行反射器布置时，将反射器的反射单元的金属面尽可能多的朝向毫米波雷达，且毫米波雷达的位置高于反射器或与反射器放置在同一平面内。
5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，其特征在于，步骤一中，测量二维振动源时，在反射器相邻的两个反射单元朝向的方向上分别布置一个毫米波雷达，用于测两个维度上的振动。
6.根据权利要求3所述的一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，其特征在于，步骤三中，构造多组均匀线性天线阵列的方法如下：
对于包含3个发送天线和4个接收天线的毫米波雷达，相邻的两个接收天线之间的距离为λ/2，发送天线T1和T2位于同一水平线上，且两者之间的距离为2λ，发送天线T3位于发送天线T1和T2的中间一侧，且与发送天线T1和T2的垂直距离为λ/2；
首先，对上述天线布局进行等效转化，转化后包括一个发送天线T1和12个接收天线R1-R12，其中，接收天线R1-R8与发送天线T1处于同一水平线上，且由近及远依次排列，接收天线R9-R12分别位于接收天线R3-R6的同一侧；接收天线R1-R8两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12两两之间的距离为λ/2，接收天线R9-R12与接收天线R3-R6的垂直距离为λ/2；
然后，从接收天线R3-R6以及接收天线R9-R12中选择4个接收天线，分别与接收天线R1、R2以及接收天线R7、R8进行组合，构造出16组在水平方向上不重合，且在水平方向上两两距离均为λ/2的均匀线性天线阵列，每组天线阵列包含8个接收天线。
7.根据权利要求3所述的一种基于毫米波雷达的被动式振动测量方法，其特征在于，步骤四中，基于得到的圆弧，首先使用Tabin圆弧拟合方法得到一个圆弧的中心初步估测值，在初步估测值的基础上，再使用Levenberg-Marquardt方法来得到更准确的圆心估测值。
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2022
- 2022-09-22 CN CN202211156112.7A patent/CN115436938B/zh active Active
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