微波多维形变及振动测量方法与系统

1.本发明涉及的是一种振动测量领域的技术，具体是一种微波多维形变及振动测量方法与系统。


背景技术：

2.现有的多维形变及振动测量方法主要分为接触式和非接触式两种，接触式通过加速度计组网实现，安装不便，周期长，成本高；非接触式一般有激光多普勒仪扫描、视觉测量方法以及微波形变及振动测量技术，激光多普勒仪往往设备昂贵，维护成本较高，且测量范围有限，仅在室内小范围内使用；视觉测量方法计算量较大，也不具备在光线昏暗甚至存在遮挡情况等恶劣环境情况下的适应性。但现有的微波形变及振动测量仅能测试沿视线方向的形变及振动，无法实现对实际工况中普遍存在的多维度形变及振动进行精确的各个维度上的同时测量。


技术实现要素：

3.本发明针对现有非接触测量技术只能测量视线方向单维振动形变，无法满足对实际多维形变及振动工况的测量需求，且操作复杂、效率低、对环境要求条件高等难题，提出一种微波多维形变及振动测量方法与系统，能够快速、简洁、高精度、高环境适应性的测量问题。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种微波多维形变及振动测量方法，通过若干微波收发器向目标物体同时发射调频连续波微波信号并接收其对应回波信号，从其中的基带信号提取出各个微波收发器视线方向上的目标物体距离及其对应的形变及振动信息，根据若干微波收发器的间距和目标物体距离建立无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系并对目标物体的形变及振动信息进行融合重构，并恢复出目标物体的实际多维形变及振动信息。
6.所述的发射，优选设置将多个微波收发器的发射天线朝向测量目标进行放置，使得待测目标处于微波收发器的信号辐射范围内，保证所需测量的目标运动空间范围均在微波收发器的信号发射与有效接收范围内。
7.所述的融合与重构包括：xi(t)＝a
i1
r1(t) a
i2
r2(t) a
i3
r3(t) ... a
inrn
(t)，其中：n≥i≥1，a
i1
～a
in
为对应维度对应微波收发器视线上的目标形变及振动信息权重值，xi(t)为位于无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系的目标形变及振动信息，即代表了目标在无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系中的实际多维形变及振动轨迹。技术效果
8.本发明整体解决了现有技术对环境的高依赖性、精度差及效率低等难题和微波测振技术只能实现沿视线方向的单维度测量的局限性，通过无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系建立方法；利用多微波收发器视线上的目标形变及振动信息权重值，计算得到位于无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系的目标多维形变及振动位移信息。
9.实现了能够在非接触测量的方式下，不受测试场景存在遮挡、雨雾、粉尘等恶劣环境的影响，无需相关复杂测试前准备工作，快速准确地基于微波感知实现目标或测点的多维形变及振动高精度测量，突破了微波单维测振的局限性。本发明操作简单、测试高效。
附图说明
10.图1为本发明系统示意图；
11.图2为实施例流程图；
12.图3为实施例坐标系ψ
t
示意图；
13.图4为实施例场景示意图；
14.图5a、图5b为实施例效果示意图。
具体实施方式
15.如图1所示，为本实施例涉及一种微波多维形变及振动测量系统，包括：
16.多个微波收发器，用于产生并发射调频连续波微波，并接收目标散射的电磁回波，通过放大、混频及滤波等处理得到基带信号；
17.每个微波收发器分别包括微波信号源、功分器、功率放大器、正交移相器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、至少一个发射天线和至少一个接收天线，其中所述微波信号源与功分器相连，功分器与功率放大器和正交移相器相连，功率放大器与发射天线相连，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与正交移相器的两个输出端分别与混频器相连，两个混频器输出端分别与低通滤波器相连。微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线，一路经过正交移相器与混频器相连。
18.微波收发器的安装模块，用于安装微波收发器的发射天线和接收天线。
19.多个微波收发器分别安装在空间不同中不同位置的不同微波收发器的安装模块上，或者同一个安装模块的不同位置上。
20.多维形变及振动处理器，包括多微波收发器基带信号的采集单元、多维形变及振动信息提取单元和控制器。
21.多微波收发器数据采集与处理模块，包括信号采集单元和信号处理信息提取单元，信号采集单元用于对多微波收发器输出的基带信号进行同步采集，信号处理单元用于对采集的多微波收发器基带i/q信号进行综合处理；
22.信号处理单元处理并提取多微波收发器视线方向上目标形变及振动信息，估计待测目标距离多个微波收发器各自的距离，建立无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系，得到目标多维形变及振动参考坐标系下的目标形变及振动信息，恢复出目标在空间中真实的多维形变及振动信息。
23.控制器，用于进行微波多维形变及振动测量，设置采样参数及执行信号采集并控制进行后续数据处理。
24.显示与分析模块，用于根据需求对测量的目标多维形变及振动时域信息进行振动幅值、振动轨迹、频率及时频分布等振动特征的提取与分析，显示多微波收发器信号波形、相关测量、特征提取结果及最终目标的多维形变及振动测量信息。
25.如图2所示，为本实施例基于上述系统的微波多维形变及振动测量方法，包括以下
步骤：
26.步骤1：将多个微波收发器的发射天线朝向测量目标进行放置，使得待测目标处于微波收发器的信号辐射范围内，保证所需测量的目标运动空间范围均在微波收发器的信号发射与有效接收范围内。
27.为保证多微波收发器均能够最终获得有效的测试数据，需要调整多微波收发器的发射天线朝向均指向待测目标振动形变区域，使得待测目标位于所有微波收发器的共同测量有效范围内，可以通过依次单独测试每个微波收发器最终判断是否所有微波收发器均能够对目标进行有效测量。
28.步骤2.1：控制多微波收发器同时发射调频连续波微波信号并接收其对应回波信号，得到多个微波收发器各自的基带信号ii(t)和qi(t)，通过控制器控制多微波收发器数据采集与处理模块，多微波收发器同时发射调频连续波微波信号对目标进行测量感知，接收对应回波信号后以备后续处理。
29.步骤2.2：通过得到多个微波收发器的各自的基带信号ii(t)和qi(t)，提取到多个微波收发器视线方向上的目标物体对应的形变及振动信息ri(t)，同时估计出待测目标距离多个微波收发器各自的距离r
i，0
，利用多微波收发器的各自的基带i\q信号得到各自的相位演变时间序列，再利用相位演变时间序列提取得到多微波收发器视线方向上的目标振动形变时间序列，具体为：其中：目标振动形变时间序列ri(nts)，n＝1，2，...，l，l为序列长度，ts为采样时间间隔，提取的被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列应的相位演变时间序列应的相位演变时间序列为提取的被测目标和/或测点振动对应的相位演变时间序列的平均值，λ为微波收发器发射载波对应的波长。
30.步骤3：保证参与测量的多个微波收发器间的相互空间位置不变，利用其相互间的距离r
ij
与步骤2.2中估计所得的距离待测目标的距离r
i，0
，建立无畸变的目标多维形变及振动参考坐标系ψ
t
，以恢复目标三维形变及振动为例，i，j＝1，2，3，建立图3所示坐标系ψ
t
。
31.步骤4：利用步骤2.2中所得的多微波收发器视线上目标形变及振动信息ri(t)，与步骤3中建立的目标多维形变及振动参考坐标系ψ
t
，对其进行融合与重构，具体以恢复目标三维形变及振动为例，包括：
32.x1(t)＝a
11
r1(t) a
12
r2(t) a
13
r3(t)
33.x2(t)＝a
21
r1(t) a
22
r2(t) a
23
r3(t)
34.x3(t)＝a
31
r1(t) a
32
r2(t) a
33
r3(t)
35.其中，x1(t)，x2(t)，x3(t)分别为步骤3中建立的目标多维形变及振动参考坐标系ψ
t
上x，y，z轴方向上的形变及振动，a
ij
为对应维度对应微波收发器视线上的目标形变及振动信息权重值，利用步骤3中的几何长度关系与坐标系ψ
t
，计算得到目标空间位置在坐标系ψ
t
每个坐标轴上的坐标，再分别根据目标形变与振动在坐标系ψ
t
中每个坐标轴上的投影和目标到每个微波收发器的距离比例，便可以计算得到。这样最终得到一组位于步骤3中参考坐标系的目标形变及振动信息xi(t)。
36.步骤5：利用步骤4中所得的目标形变及振动信息xi(t)，在步骤3中坐标系ψ
t
依次作为目标每个维度的振动及形变序列，即可重新恢复出目标在空间中真实的多维形变及振动信息。
37.经过具体实际实验，在如图4的具体环境设置下，设定滑台振动行程为2mm，以三个77ghz微波收发器进行测试，运行上述方法，根据滑台多维形变及振动测量结果显示，沿滑台实际振动方向所测振动行程为2.013mm，相对误差0.65％，并且在所建立目标多维形变及振动参考坐标系ψ
t
中恢复出另外两个维度的滑台丝杆横向间隙所致的形变及振动信息，最终恢复滑台的三维高精度形变及振动轨迹如图5b所示。
38.与现有技术相比，本方法实现对目标的多维度形变及振动进行精确的各个维度上的同时测量与空间轨迹的再现。
39.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。