一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106644030A(43)申请公布日2017.05.10(21)申请号201610794768.X(22)申请日2016.08.31(71)申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号(72)发明人彭志科熊玉勇(74)专利代理机构上海汉声知识产权代理有限公司31236代理人郭国中(51)Int.Cl.G01H9/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图3页(54)发明名称一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法(57)摘要本发明公开了一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，包括以下步骤：S1、正对被测振动对象发射连续波形式的单频微波，并接收被振动运动调制后的雷达回波；S2、对回波信号进行放大、滤波、正交混频并取下变频信号得到两路基带信号I(t)和Q(t)；S3、对基带信号进行数据采集，以获取离散数字信号；S4、对所述离散基带信号I[n]和Q[n]进行相位解调处理，提取出振动振幅与频率信息。本发明基于多普勒效应使用微波雷达进行非接触式振动测量，具有良好的低频测量灵敏性，环境适应性强并可在包含障碍物的情况下进行准确的振动测量。本发明使用的微波雷达结构紧凑、成本低廉并具有较低的功耗，为大规模的振动测量系统的集成亦提供了一种解决方案。CN106644030ACN106644030A权利要求书1/2页1.一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、正对被测振动对象发射连续波形式的单频微波，并接收被振动运动调制后的雷达回波；S2、对回波信号进行放大、滤波、正交混频并取下变频信号得到两路基带信号I(t)和Q(t)；S3、对基带信号进行数据采集，以获取离散数字信号I[n]和Q[n]；S4、对所获取的离散基带信号I[n]和Q[n]进行相位解调处理，提取出振动振幅与频率信息。2.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述被测振动对象表面粘附无源二倍频射频标签。3.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S1所述的单频微波的频率范围为2G-24GHz，可根据测量灵敏度需求和被测对象振动幅值大小来选择确定。4.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S2所述的对回波信号进行正交混频时，若被测振动对象表面粘附有无源二倍频射频标签，需在正交混频前利用倍频器将用于混频的信号源分支信号的频率翻倍。5.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S2所述的两路基带信号I(t)和Q(t)可分别表示为：式中：I(t)表示通道I基带输出信号，Q(t)表示通道Q基带输出信号，DCI表示通道I基带输出信号的直流偏移值，DCQ表示通道Q基带输出信号的直流偏移值，A表示基带信号的幅值，λ表示雷达发射的载波波长，S(t)表示被测振动对象的实时振动位移，θ表示由传播路径和物体表面的反射引起的常量相移，表示雷达的剩余相位噪声。6.根据权利要求1所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，步骤S4具体包括如下步骤：S4.1、对离散基带信号I[n]和Q[n]使用一个滑动的矩形窗函数对信号进行加窗处理；S4.2、对加窗后的离散基带信号I[n]和Q[n]进行直流偏移补偿，得到直流偏移补偿的估计值DCI和DCQ；S4.3、对直流偏移补偿后的基带信号I[n]和Q[n]进行反正切解调，得到与振动位移成线性关系的基带信号的总相位S4.4、对得到的基带信号的总相位进行峰值搜索提取出振动振幅信息，通过离散傅里叶变换得到振动频率信息。7.根据权利要求6所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述的步骤S4.2中直流偏移补偿的方法为圆心估计算法，包括：设由离散基带信号I[n]和Q[n]拟合圆的圆心坐标为(a,b)，半径为r，取矩阵A，矩阵x和矩阵B分别为：2CN106644030A权利要求书2/2页通过参数优化估计得到a和b的值，优化估计的方法为min||Ax-B||l2或min||Ax-B||l1；式中，min(.)表示最小值运算，||.||l2表示2-范数运算，||.||l1表示1-范数运算；求得a和b的估计值后，取DCI＝a，DCQ＝b。8.根据权利要求5所述的基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法，其特征在于，所述的步骤S4.3中的基带信号的总相位如下式所示：式中，I[n]和Q[n]为离散基带信号；DCI表示通道I基带输出信号的直流偏移值，DCQ表示通道Q基带输出信号的直流偏移值；根据测量原理，可由基带信号的总相位求解得到振动位移离散信号S[n]，如下式所示：3CN106644030A说明书1/5页一种基于