雷达微振动目标形变量反演方法及装置与流程

1.本发明涉及桥梁振动监测技术领域，尤其涉及雷达微振动目标形变量反演方法及装置。


背景技术：

2.雷达测量法具有全天时、全天候工作的优点，可以对波束覆盖范围内的目标进行形变监测，雷达的精度测量可达亚毫米量级，因此使用雷达是桥梁形变监测重要的手段之一。
3.雷达信号的相位中包含了目标的距离信息，反演微振动目标形变量基本原理是对雷达采集的时序数据进行差分干涉获取差分相位信息，通过差分相位积分提取形变量。此方法可以得到高精度的振动幅度和振动频率，是评估桥梁健康状态的重要参数。
4.雷达微振动目标形变量反演的难点在于桥梁监测时当距离较远或振动点雷达反射信号较弱时，信号信噪比低，差分相位出现缠绕现象，造成反演的形变量产生跳变，破坏了振动信息，无法准确反映目标的形变量和振动频率等振动特征。对形变量进行滤波是雷达振动信号去噪的主要方法，现有技术中经验模式分解(emd)可以将复杂信号分解为一系列有限小的本征模态函数，具有自适应性，较好去除噪声和目标提取效果，然而会有模态混叠的现象；自适应噪声抵消方法对信号通过改进的变步长lms算法对滤波器权系数进行调整，分离信号和噪声，但是这种方法是对差分干涉相位积分得到的形变量进行去噪，高背景噪声下形变误差很难去除。因此，现有的雷达微振动目标形变量反演方法很难在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量。
5.因此，亟需一种可以克服上述问题的雷达微振动目标形变量反演方案。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种雷达微振动目标形变量反演方法，用以进行雷达微振动目标形变量反演，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量，该方法包括：
7.获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；
8.根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；
9.对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；
10.根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
11.本发明实施例提供一种雷达微振动目标形变量反演装置，用以进行雷达微振动目标形变量反演，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量，该装置包括：
12.压缩域信号获得模块，用于获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；
13.慢时间信号确定模块，用于根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；
14.差分相位确定模块，用于对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号
后进行差分干涉处理，确定差分相位；
15.形变量反演模块，用于根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
16.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述雷达微振动目标形变量反演方法。
17.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述雷达微振动目标形变量反演方法的计算机程序。
18.本发明实施例通过获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。本发明实施例在振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号，有效约束了差分干涉相位，避免相位缠绕，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量。
附图说明
19.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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
20.图1为本发明实施例中雷达微振动目标形变量反演方法示意图；
21.图2为本发明实施例中雷达监测振动目标的几何图；
22.图3为本发明实施例中另一雷达微振动目标形变量反演方法示意图；
23.图4为本发明实施例中雷达微振动目标形变量反演装置结构图；
24.图5是本发明实施例的计算机设备结构示意图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
26.为了进行雷达微振动目标形变量反演，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量，本发明实施例提供一种雷达微振动目标形变量反演方法，如图1所示，该方法可以包括：
27.步骤101、获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；
28.步骤102、根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；
29.步骤103、对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；
30.步骤104、根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
31.由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；
根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。本发明实施例在振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号，有效约束了差分干涉相位，避免相位缠绕，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量。
32.发明人发现，低信噪比条件下，如果噪声水平与有用信号相当或强于有用信号时，因噪声相位服从随机均匀分布，导致差分相位缠绕。因此，本发明实施例附加直流量幅度远大于振动信号和噪声，则差分相位被约束，不再缠绕，附加直流的方法有效解决了形变量跳变问题，以有效提取振动特征。由于本发明实施例的适用场景为微振动的目标，因此需满足如下条件：
33.|x(τ)|＜＜λ
34.其中，λ为雷达发射信号波长，x(τ)为振动点的微振信号，微振信号的振幅远小于雷达发射信号波长λ。
35.图2为雷达监测振动目标的几何图，雷达位置确定，p为振动点，振动点与雷达的中心距离为r0，振动点在雷达视线方向作振幅为m，频率为f
v
的简谐振动，可以表示为：
36.x(τ)＝m cos(2πf
v
τ)
37.其中，τ为慢时间。雷达以一定的脉冲重复频率发射信号，p点的反射信号被雷达接收机接收，得到随时间变化的二维雷达回波信号。
38.实施例中，获得雷达微振动目标的距离压缩域信号。
39.本实施例中，如图3所示，按如下方式获得雷达微振动目标的距离压缩域信号：
40.步骤301、获得雷达经过振动目标反射后的回波信号；
41.步骤302、对所述回波信号进行脉压处理，得到雷达微振动目标的距离压缩域信号。
42.具体实施时，对回波信号进行脉压处理，也即对回波信号进行傅里叶变换，得到雷达微振动目标的距离压缩域信号s
r
(t，τ)，可以表示为：
[0043][0044]
其中，t为快时间，为振动点的复反射系数，f
c
为发射信号中心频率，b
r
为发射信号带宽，sinc为sinc函数，n(τ)为复高斯白噪声，t0表示信号从目标返回的时间延时，由于振动点的振动，延时是关于慢时间τ的函数，t0的表达式为：
[0045]
t0(τ)＝2r(τ)/c＝2(r0 x(τ))/c
[0046]
其中，c为光速，r为目标与雷达之间的瞬时距离，是关于慢时间τ的函数。
[0047]
实施例中，根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号。
[0048]
具体实施时，对距离压缩域信号s
r
(t，τ)取t＝2r0/c，确定振动目标所在距离门的慢时间信号s
r
(τ)，可以表示为：
[0049][0050]
其中，初相为：
[0051][0052]
其中，λ为雷达发射信号波长，为复反射系数的相位，a
n
(τ)为复高斯白噪的幅度，服从瑞利分布，为高斯白噪的相位，服从均匀分布。
[0053]
实施例中，对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位。
[0054]
本实施例中，所述直流信号的幅度值远大于慢时间信号的幅度值。
[0055]
具体实施时，对振动目标所在距离门的慢时间信号s
r
(τ)附加直流，获得新的信号s
d
(τ)，表示为：
[0056][0057]
其中，附加直流信号k的幅度值远大于慢时间信号幅度值，k的取值可以为原信号幅度的100倍。然后，对附加直流后的信号s
d
(τ)进行差分干涉，提取差分相位。由于附加直流k远大于原信号幅度，因此s
d
(τ)可以近似为：
[0058][0059]
对附加直流信号s
d
(τ)进行差分干涉的过程为：
[0060][0061]
其中，符号
*
表示共轭，δτ为脉冲重复时间间隔。直接提取上式的相位得到附加直流信号在δτ的时间间隔的差分相位。
[0062]
实施例中，根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
[0063]
本实施例中，根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演，包括：
[0064]
对差分相位进行积分处理；
[0065]
根据积分处理后的差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
[0066]
具体实施时，对差分相位做积分处理后除以调制系数α，最后反演得到形变量，其中，附加直流后振动信号相位受到调制，附加直流后的差分相位与真实差分相位存在调制系数关系，将对调制系数进行推导，根据几何关系，相位可按如下公式近似：
[0067]
[0068]
其中，a
r
和分别表示原信号s
r
的幅度和相位，函数imag代表对复数取虚部。
[0069]
进而可以得到：
[0070][0071]
由于|x(τ)|＜＜λ，上式中采用的近似包括：
[0072][0073][0074]
从而，可以根据式中振动信息得出该项对振动相位的调制系数α为：
[0075][0076]
其中，为初相，a
p
为复反射系数的幅度，可通过对原信号s
r
(τ)的实部求均值得到。
[0077]
反演形变量的表达式为：
[0078][0079]
其中，为附加直流信号的差分相位。
[0080]
本发明实施例提供的附加直流的低信噪比微振动目标形变量反演方法有效解决了信号噪声对相位缠绕导致形变量跳变的问题，通过对距离门信号附加直流信号，约束了差分干涉相位，避免相位缠绕，并且推导了附加直流带来的差分相位调制系数，可准确反演形变量，从而实现了操作简单，高背景噪声下高精度反演目标的形变量。
[0081]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种雷达微振动目标形变量反演装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与雷达微振动目标形变量反演方法相似，因此雷达微振动目标形变量反演装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0082]
图4为本发明实施例中雷达微振动目标形变量反演装置的结构图，如图4所示，该雷达微振动目标形变量反演装置包括：
[0083]
压缩域信号获得模块401，用于获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；
[0084]
慢时间信号确定模块402，用于根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；
[0085]
差分相位确定模块403，用于对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；
[0086]
形变量反演模块404，用于根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形
变量反演。
[0087]
一个实施例中，压缩域信号获得模块401进一步用于：
[0088]
获得雷达经过振动目标反射后的回波信号；
[0089]
对所述回波信号进行脉压处理，得到雷达微振动目标的距离压缩域信号。
[0090]
一个实施例中，所述直流信号的幅度值远大于慢时间信号的幅度值。
[0091]
一个实施例中，形变量反演模块404进一步用于：
[0092]
对差分相位进行积分处理；
[0093]
根据积分处理后的差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。
[0094]
综上所述，本发明实施例通过获得雷达微振动目标的距离压缩域信号；根据所述距离压缩域信号，确定振动目标所在距离门的慢时间信号；对所述振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号后进行差分干涉处理，确定差分相位；根据所述差分相位和调制系数，进行雷达微振动目标形变量反演。本发明实施例在振动目标所在距离门的慢时间信号附加直流信号，有效约束了差分干涉相位，避免相位缠绕，在解决形变量跳变问题的同时准确反演振动信号形变量。
[0095]
基于前述发明构思，如图5所示，本发明还提出了一种计算机设备500，包括存储器510、处理器520及存储在存储器510上并可在处理器520上运行的计算机程序530，所述处理器520执行所述计算机程序530时实现前述雷达微振动目标形变量反演方法。
[0096]
基于前述发明构思，本发明提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述雷达微振动目标形变量反演方法。
[0097]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0098]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0099]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0100]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0101]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。