本發(fā)明涉及振動測量與分析技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于多普勒雷達的非接觸式振動測量方法。

背景技術(shù)：

振動是自然界里普遍存在的一種物理現(xiàn)象，振動測量在眾多工程技術(shù)領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，例如各種機械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、大型柔性結(jié)構(gòu)的低頻振動監(jiān)測以及振動噪聲的測試與抑制等。為了滿足各種振動測量需求，人們已研制出各式傳感器，并發(fā)展了多種振動測量技術(shù)。目前的振動測量方法可分為接觸式和非接觸式測量兩種，其中接觸式測量廣泛使用加速度傳感器。加速度傳感器通過測量接觸目標的加速度，積分后獲得所測對象振動的相對位移，但是常用的加速度計存在低頻響應(yīng)能力差，在失重等特殊環(huán)境下無法有效使用等問題，且接觸式測量在一些特殊的應(yīng)用場合下往往存在很多局限。非接觸式測量中激光測振儀具有很高的測試精度，但是存在著設(shè)備成本高，需要校準以及檢測范圍狹窄等局限性，且對測試環(huán)境條件要求比較高，無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的振動監(jiān)測。

近些年來，基于微波雷達的運動感知引起了很多研究者的關(guān)注，雷達測速與測距已經(jīng)應(yīng)用到實際的生產(chǎn)與生活中。振動本質(zhì)上是一種小幅往復(fù)運動，基于多普勒效應(yīng)，振動將對雷達發(fā)射波進行相位調(diào)制，通過接收雷達回波并進行有效的相位解調(diào)，可提取出振動的振幅以及頻率信息。由于微波雷達具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、以及能夠透過障礙物進行振動測量等優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于多普勒雷達的非接觸式振動測量方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種基于多普勒雷達的非接觸式振動測量方法，包括如下步驟：

S1、正對被測振動對象發(fā)射連續(xù)波形式的單頻微波，并接收被振動運動調(diào)制后的雷達回波；

S2、對回波信號進行放大、濾波、正交混頻并取下變頻信號得到兩路基帶信號I(t)和Q(t)；

S3、對基帶信號進行數(shù)據(jù)采集，以獲取離散數(shù)字信號I[n]和Q[n]；

S4、對所獲取的離散基帶信號I[n]和Q[n]進行相位解調(diào)處理，提取出振動振幅與頻率信息。

優(yōu)選地，所述被測振動對象表面粘附無源二倍頻射頻標簽。

優(yōu)選地，步驟S1所述的單頻微波的頻率范圍為2G-24GHz，可根據(jù)測量靈敏度需求和被測對象振動幅值大小來選擇確定。

優(yōu)選地，步驟S2所述的對回波信號進行正交混頻時，若被測振動對象表面粘附有無源二倍頻射頻標簽，需在正交混頻前利用倍頻器將用于混頻的信號源分支信號的頻率翻倍。

優(yōu)選地，步驟S2所述的兩路基帶信號I(t)和Q(t)可分別表示為：

式中：I(t)表示通道I基帶輸出信號，Q(t)表示通道Q基帶輸出信號，DC_I表示通道I基帶輸出信號的直流偏移值，DC_Q表示通道Q基帶輸出信號的直流偏移值，A表示基帶信號的幅值，λ表示雷達發(fā)射的載波波長，S(t)表示被測振動對象的實時振動位移，θ表示由傳播路徑和物體表面的反射引起的常量相移，表示雷達的剩余相位噪聲。

優(yōu)選地，步驟S4具體包括如下步驟：

S4.1、對離散基帶信號I[n]和Q[n]使用一個滑動的矩形窗函數(shù)對信號進行加窗處理；

S4.2、對加窗后的離散基帶信號I[n]和Q[n]進行直流偏移補償，得到直流偏移補償?shù)墓烙嬛礑C_I和DC_Q；

S4.3、對直流偏移補償后的基帶信號I[n]和Q[n]進行反正切解調(diào)，得到與振動位移成線性關(guān)系的基帶信號的總相位

S4.4、對得到的基帶信號的總相位進行峰值搜索提取出振動振幅信息，通過離散傅里葉變換得到振動頻率信息。

優(yōu)選地，所述的步驟S4.2中直流偏移補償?shù)姆椒閳A心估計算法，包括：

設(shè)由離散基帶信號I[n]和Q[n]擬合圓的圓心坐標為(a,b)，半徑為r，取矩陣A，矩陣x和矩陣B分別為：

通過參數(shù)優(yōu)化估計得到a和b的值，優(yōu)化估計的方法為min||Ax-B||_l2或min||Ax-B||_l1；

式中，min(.)表示最小值運算，||.||_l2表示2-范數(shù)運算，||.||_l1表示1-范數(shù)運算；

求得a和b的估計值后，取DC_I＝a，DC_Q＝b。

優(yōu)選地，所述的步驟S4.3中的基帶信號的總相位如下式所示：

式中，I[n]和Q[n]為離散基帶信號；DC_I表示通道I基帶輸出信號的直流偏移值，DC_Q表示通道Q基帶輸出信號的直流偏移值；

根據(jù)測量原理，可由基帶信號的總相位求解得到振動位移離散信號S[n]，如下式所示：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

以微波作為測量載體和手段，通過接收被振動運動調(diào)制的雷達回波信號，并對回波信號進行有效的相位解調(diào)得到振動位移時域信息，并由此提取出振動振幅與頻率信息。本發(fā)明具有良好的低頻測量靈敏性，環(huán)境適應(yīng)性強，可在各種天氣、復(fù)雜環(huán)境和包含障礙物的情況下進行準確的非接觸式振動測量。另外，本發(fā)明使用的微波雷達結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉并具有較低的功耗，為大規(guī)模的振動測量系統(tǒng)的集成亦提供了一種解決方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的基于多普勒雷達的非接觸式振動測量方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的進行二倍頻測量的雷達結(jié)構(gòu)原理框圖；

圖3為本發(fā)明實施例中加窗后的離散基帶信號I[n]和Q[n]的時域波形圖；

圖4為本發(fā)明實施例中利用圓心估計算法進行直流偏移補償?shù)慕Y(jié)果示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中基帶信號的總相位的時域波形圖；

圖6為本發(fā)明實施例中基帶信號的總相位的歸一化頻譜圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種基于多普勒雷達的非接觸式振動測量方法，包括以下步驟：

S1、正對被測振動對象發(fā)射連續(xù)波形式的單頻微波，并接收被振動運動調(diào)制后的雷達回波；

所用微波雷達的載波頻率可根據(jù)測量靈敏度需求和被測對象振動幅值大小來選擇確定，一般可在2G-24GHz范圍內(nèi)選擇。被測振動對象如處在干擾較多的測量環(huán)境背景下，為了提高基帶信號的信噪比，可在其表面粘附無源二倍頻射頻標簽，射頻標簽和處在雷達輻射空間內(nèi)的物體均反射雷達回波。

S2、對回波信號進行放大、濾波、正交混頻并取下變頻信號得到兩路基帶信號I(t)和Q(t)；

一般情況下，直接發(fā)射一定頻率的雷達載波至被測振動對象，接收被振動運動調(diào)制的回波信號并與雷達的本振信號正交混頻，使用低通濾波器取下變頻信號，得到基帶信號I(t)和Q(t)。

如圖2所示，當被測振動對象處在干擾較多的測量環(huán)境背景下，為有效抑制干擾噪聲，在被測振動對象表面可粘附無源二倍頻射頻標簽，二倍頻射頻標簽對發(fā)射信號進行相位調(diào)制并倍頻后反射信號。因此，雷達在基帶信號的產(chǎn)生過程中，需將一路信號源分支信號倍頻后與接收到的反射信號進行正交混頻并取下變頻信號，而環(huán)境背景反射的雷達回波由于未倍頻，在混頻后被低通濾波器消除。雷達回波經(jīng)過上述處理，可得到兩路基帶信號I(t)和Q(t)，分別表示為

式中：I(t)表示通道I基帶輸出信號，Q(t)表示通道Q基帶輸出信號，DC_I表示通道I基帶輸出信號的直流偏移值，DC_Q表示通道Q基帶輸出信號的直流偏移值，A表示基帶信號的幅值，λ表示雷達發(fā)射的載波波長，S(t)表示被測振動對象的實時振動位移，θ表示由傳播路徑和物體表面的反射引起的常量相移，表示雷達的剩余相位噪聲。

在測試過程中微波雷達的發(fā)射信號和混頻的一路射頻信號來自同一個信號源，根據(jù)距離相關(guān)性原理可將雷達電路中的相位噪聲大大壓縮，常可忽略不計。

S3、對基帶信號進行數(shù)據(jù)采集，以獲取離散數(shù)字信號I[n]和Q[n]；

S4、對所述離散基帶信號I[n]和Q[n]進行相位解調(diào)處理，提取出振動振幅與頻率信息。

下面結(jié)合一個振幅為2mm，振動頻率為0.25Hz的正弦振動測量實驗實例來說明步驟4的具體內(nèi)容，實驗所用雷達載波頻率為10.525GHz，測試距離為1m。步驟S4的內(nèi)容包括：

S4.1，對離散基帶信號I[n]和Q[n]使用一個滑動的矩形窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進行加窗處理，如圖3所示為I[n]和Q[n]加窗后的時域波形圖，窗函數(shù)長度為8s；

S4.2，對加窗后的離散基帶信號I[n]和Q[n]進行直流偏移補償，得到直流偏移補償?shù)墓烙嬛礑C_I和DC_Q，所用的補償方法為圓心估計算法，包括：

設(shè)由離散基帶信號I[n]和Q[n]擬合圓的圓心坐標為(a,b)，半徑為r，取矩陣A，矩陣x和矩陣B分別為：

通過參數(shù)優(yōu)化估計求解得到a和b的值，優(yōu)化估計的方法為

min||Ax-B||_l2或min||Ax-B||_l1。

如圖4所示，利用1范數(shù)優(yōu)化，結(jié)合信號I[n]和Q[n]擬合圓的圓心坐標為a＝-57.097,b＝26.95，因此取DC_I＝-57.097，DC_Q＝26.95。

S4.3，對直流偏移補償后的基帶信號I[n]和Q[n]進行反正切解調(diào)，得到與振動位移成線性關(guān)系的基帶信號的總相位如下式所示：

根據(jù)測量原理，可由基帶信號的總相位求解得到振動位移離散信號S[n]，如下式所示：

如圖5所示為解調(diào)得到的基帶信號的總相位的時域波形圖。

S4.4，對得到的基帶信號的總相位進行峰值搜索提取出振動振幅信息，通過離散傅里葉變換得到振動頻率信息。由圖5所示的基帶信號的總相位時域波形圖以及S[n]與的線性關(guān)系可提取出振動振幅為2.1mm，如圖6所示為基帶信號的總相位的歸一化頻譜圖，可以得出振動頻率為0.25Hz。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。