扫描式微波振动与形变测量方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种扫描式微波振动与形变测量方法和系统，包括通过多个发射天线同时发射线性调频连续波，合成波束的主瓣朝向被测的某一角度方向，通过多个接收天线接收回波，得到该周期角度方向一的单目标或多目标的振动与形变位移值；通过多个发射天线的相移控制，基于上述方法开展该周期角度方向二的单目标或多目标的振动与形变位移值；根据测量需求，测量和提取该周期其他角度方向的单目标或多目标的振动与形变位移值。依据上述扫描方法，得到所有扫描测点或目标的振动与形变位移时间序列值。本发明专利技术能够解决现有微波振动测量技术需要粘贴靶标和角度分辨率较差的局限性，解决现有技术在测点间耦合杂波干扰抑制、高信噪比测量方面存在的难题。比测量方面存在的难题。比测量方面存在的难题。

【技术实现步骤摘要】
扫描式微波振动与形变测量方法和系统


[0001]本专利技术涉及振动与形变测量的
，具体地，涉及扫描式微波振动与形变测量方法和系统。

技术介绍

[0002]振动现象在自然界和工程中普遍存在，振动与形变的测量对工程装备、结构等的力学测试、动态行为观测、形变演变识别等提供关键传感数据，具有十分重要的工程应用需求和价值。按照测量方式不同，主要分为接触式测量和非接触式测量，其中非接触式方式由于无需在被测对象上安装传感器，在工程实际中具有明显的优势。目前，主要依靠视觉和激光进行测量，但在测量性能和环境适应性方面存在较大的局限性。基于微波感知的振动与形变测量是一种新型的振动与形变测量技术，可以实现微幅和大幅的振动与形变测量。然而，由于微波测振技术的实施前提是被测目标对电磁波的反射或者强散射，以获得较好的信号强度和多测点识别能力，因此常需要布置角反射器等靶标，特别是在面目标的多点、全场测量时问题尤为突出。另一方面，在实际工程测量中，被测对象不能安装或者粘贴角反射器等靶标，导致测量的信噪比很低和多测点分辨能力差，甚至无法进行测量。因此，如何实现无靶标式、高信噪比的微波振动与形变多点及全场测量具有迫切的需求，也是该
人们追求的目标。
[0003]现有的微波振动与形变测量技术需要粘贴或安装角反射器等靶标，才能实现多测点或全场测点的有效识别、分辨和位移测量，这在测量过程中会带来附加质量，影响自身的动态特性，且由于需要安装固定靶标，对安装测试带来不便。另外，现有技术需要依靠大量的收发通道个数实现较高角度分辨，且在测点间耦合杂波干扰抑制、高信噪比测量方面亦存在较大难题。
[0004]因此，需要提出一种新的技术方案以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种扫描式微波振动与形变测量方法和系统。
[0006]根据本专利技术提供的一种扫描式微波振动与形变测量方法，所述方法包括如下步骤：
[0007]步骤S1：通过多个发射天线同时发射线性调频连续波，对多个发射天线的发射信号进行相移控制，合成波束的主瓣朝向被测的某一角度方向；
[0008]步骤S2：通过多个接收天线接收回波，得到多通道的基带信号，对采集的多通道基带信号进行非线性解调处理，得到该周期角度方向一的单目标或测点的振动与形变位移值，或者得到该周期角度方向一的多目标或测点的振动与形变位移值；
[0009]步骤S3：通过多个发射天线的相移控制，完成合成波束主瓣的角度偏移，基于上述方法提取该周期角度方向二的单目标或测点的振动与形变位移值，或者提取该周期角度方
向二的多目标或测点的振动与形变位移值；根据测量需求，测量和提取该周期其他角度方向的单目标或测点的振动与形变位移值，或者测量和提取该周期其他角度方向的多目标或测点的振动与形变位移值。
[0010]步骤S4：依据上述扫描方法，间隔一定的周期时间，开展循环的角度方向的扫描式振动与形变测量，得到所有扫描测点或目标的振动与形变位移时间序列值。
[0011]优选地，所述步骤S1对多个发射天线的发射信号进行相移控制的方法为：
[0012]设拟测量的目标或测点在微波前端辐射波的角度为θ0，则控制发射天线阵列各天线的相移为：以第一个天线为参考点，相移分别为0，2πd2sinθ0/λ
c
，
…
，2πd
K
sinθ0/λ
c
，式中，d
k
(k＝2,
…
N)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；
[0013]所述发射天线阵列的布置方式为等间距布置或不等间距稀疏布置，所述发射天线阵列的布置方式针对水平角扫描需将发射天线阵列水平布置，针对俯仰角扫描需将发射天线阵列俯仰竖向布置，针对空间角度扫描需将发射天线阵列在水平和竖向均需布置。
[0014]优选地，所述扫描的角度及其分布根据测量需要，或测点或目标的空间布置情况确定。
[0015]优选地，所述步骤S1
‑
S3所需的扫描角度方向根据先验知识或被测要求或全场测点初步定位信息得到。
[0016]优选地，所述步骤S2
‑
S4中某一扫描周期角度方向的单目标或测点、多目标或测点的振动与形变位移值提取的非线性解调方法为：
[0017]通过非线性解调方法提取被测目标或测点的当次扫描周期的振动与形变位移序列的元素值x(p，θ
s
，R)计算为：
[0018][0019]式中，x(p，θ
s
，R，iT
sweep
)表示为第p次循环扫描，波束扫描的角度为θ
s
，发射扫频周期为i，当前扫描角度距离为R的被测目标或测点的位移序列元素值，T
sweep
为发射天线发射线性调频连续波的扫频周期，arg[
·
]为取复数相位值的运算，N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T
s
为基带信号采样频率时间；s
B
(p，θ
s
，iT，nT
s
)为第p次循环扫描，波束扫描角度为θ
s
，第i个发射扫频周期共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1，2，
…
，M通道的基带信号，j为虚数单位，为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d
rxm
(m＝1，
…
，M)分别为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d
rx1
＝0，λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；
[0020]所述每次扫描角度发射扫频周期个数i等于1或者大于1的正整数，当大于1时根据需要x(p，θ
s
，R)取当次扫描周期多个发射扫频周期时间内x(p，θ
s
，R，iT
sweep
)序列的平均值或最优值或其他选定值。
[0021]优选地，所述步骤S4中的循环扫描方法为：
[0022]依据测量需求，依次通过相移控制变换扫描角度θ
s
，其中s＝0，2，
…
，S
‑
1的正整数，并按照上述方法提取扫描范围内所有目标或测点的振动与形变位移元素值。
[0023]本专利技术还提供一种扫描式微波振动与形变测量系统，所述系统应用上述中的扫描式微波振动与形变测量方法，所述系统包括如下模块：
[0024]微波收发器：用于通过发射天线阵列同时发射多通道的线性调频连续波微波信号，并接收回波信号，输出多通道基带信号，通过发射天线的相移控制实现合成波束的循环扫描；
[0025]控制与处理器：用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测目标或测点的振动与形变位移提取；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扫描式微波振动与形变测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：通过多个发射天线同时发射线性调频连续波，对多个发射天线的发射信号进行相移控制，合成波束的主瓣朝向被测的某一角度方向；步骤S2：通过多个接收天线接收回波，得到多通道的基带信号，对采集的多通道基带信号进行非线性解调处理，得到该周期角度方向一的单目标或测点的振动与形变位移值，或者得到该周期角度方向一的多目标或测点的振动与形变位移值；步骤S3：通过多个发射天线的相移控制，完成合成波束主瓣的角度偏移，基于上述方法提取该周期角度方向二的单目标或测点的振动与形变位移值，或者提取该周期角度方向二的多目标或测点的振动与形变位移值；根据测量需求，测量和提取该周期其他角度方向的单目标或测点的振动与形变位移值，或者测量和提取该周期其他角度方向的多目标或测点的振动与形变位移值。步骤S4：依据上述扫描方法，间隔一定的周期时间，开展循环的角度方向的扫描式振动与形变测量，得到所有扫描测点或目标的振动与形变位移时间序列值。2.根据权利要求1所述的扫描式微波振动与形变测量方法，其特征在于，所述步骤S1对多个发射天线的发射信号进行相移控制的方法为：设拟测量的目标或测点在微波前端辐射波的角度为θ0，则控制发射天线阵列各天线的相移为：以第一个天线为参考点，相移分别为0，2πd2sinθ0/λ
c
，
…
，2πd
K
sinθ0/λ
c
，式中，d
k
(k＝2,
…
N)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，λ
c
为线性调频连续波中心频率对应的波长；所述发射天线阵列的布置方式为等间距布置或不等间距稀疏布置，所述发射天线阵列的布置方式针对水平角扫描需将发射天线阵列水平布置，针对俯仰角扫描需将发射天线阵列俯仰竖向布置，针对空间角度扫描需将发射天线阵列在水平和竖向均需布置。3.根据权利要求1所述的扫描式微波振动与形变测量方法，其特征在于，所述扫描的角度及其分布根据测量需要，或测点或目标的空间布置情况确定。4.根据权利要求1所述的扫描式微波振动与形变测量方法,其特征在于，所述步骤S1
‑
S3所需的扫描角度方向根据先验知识或被测要求或全场测点初步定位信息得到。5.根据权利要求1所述的扫描式微波振动与形变测量方法，其特征在于，所述步骤S2
‑
S4中某一扫描周期角度方向的单目标或测点、多目标或测点的振动与形变位移值提取的非线性解调方法为：通过非线性解调方法提取被测目标或测点的当次扫描周期的振动与形变位移序列的元素值x(p,θ
s
,R)计算为：式中，x(p,θ
s
,R,iT
sweep
)表示为第p次循环扫描，波束扫描的角度为θ
s
，发射扫频周期为i，当前扫描角度距离为R的被测目标或测点的位移序列元素值，T
sweep
为发射天线发射线性调频连续波的扫频周期，arg[
·
]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T
s
为基带信号采样频率时
间；s
B
(p,θ
s
,iT,...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊玉勇，彭志科，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：