一种多点位移同时测量方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201510201199.9 | 申请日 | 2015-04-24 | 公开(公告)号 | CN104808170A | 公开(公告)日 | 2015-07-29 |
| 申请人 | 重庆大学; | 发明人 | 王韬; 谢晓姣; 沈亦豪; 高瞻; 唐明春; 张奎; 李东; 乔自士; 蔡莹卓; 宗京京; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种多点位移同时测量方法，测量系统如图所示。在固定 位置 安装参考点发射天线，在被测物表面上安装多个观测点发射天线；公共射频 本振 产生射频载波 信号 ，参考点信标机通过参考点发射天线直接发射射频载波信号，观测点信标机使用低频 正弦波 信号对射频载波信号进行双边带调制后，送往观测点发射天线；各观测点信标机正弦波调制信号的 频率 不同；遥测接收机接收到参考点发射天线和观测点发射天线发来的混合信号后，使用另一射频本振信号将其下变频至中频，并将其数字化，然后进行傅里叶变换得到其幅度谱和 相位 谱，从而计算出各观测点信号与参考点信号的载波 相位差 ；根据前后两次测量的相位差变化量，计算出每个观测点的位移量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多点位移同时测量方法，系统由发射机和接收机构成；在固定位置安装参考点发射天线，在被测物表面上安装多个观测点发射天线；公共射频本振产生射频载波信号，参考点信标机通过参考点发射天线直接发射射频载波信号，观测点信标机使用低频正弦波信号对射频载波信号进行双边带调制后，送往观测点发射天线；各观测点信标机正弦波调制信号的频率不同；遥测接收机接收到参考点发射天线和观测点发射天线发来的混合信号后，使用另一射频本振信号将其下变频至中频，并将其数字化，然后进行傅里叶变换得到其幅度谱和相位谱，从而计算出各观测点信号与参考点信号的载波相位差；根据前后两次测量的相位差变化量，计算出每个观测点的位移量。 |
||||||
| 说明书全文 | 一种多点位移同时测量方法技术领域[0001] 本发明属于结构健康监测领域，涉及一种多点位移同时测量方法。 背景技术[0002] 电力杆塔、摩天大楼、桥梁、大坝、大型飞机等大型构件在使用中会发生变形，变形测量是探索变形机理的基本方法，是危险预警的重要手段。专利CN1271419C和专利CN101349753A总结分析了几种常见测量方法，指出射频技术用于变形测量具有很多优点。 [0003] 专利CN1271419C提出了一种微位移测量方法，测量系统由安放在被测点上的无源角反射器和测点上的微波比相设备构成，其基本工作原理为：通过测量单频射频信号往返于微波比相设备与无源角反射器之间的相位差来测量角反射器的位移量。这种方法的主要缺点是：(1)观测点为无源角反射器，作用距离有限；(2)密集分布的无源角反射器信号很难分离，不能实现多观测点同时测量。 [0004] 专利CN101349753A提出了一种多观测点微变形遥测方法，测量系统由安装在被测物上的多个无线电信标机和远端的遥测接收机构成，其基本工作原理为：信标机使用不同的伪码调制同频同相的载波信号，信标机向遥测接收机辐射射频信号，遥测接收机接收信标机发来的混合扩频调制信号，在达到伪码同步后，分离出各信标机的载波信号，对载波信号进行鉴相，可以监测出建筑物的变形量。该方法在使用中存在的主要问题是遥测接收机电路复杂，伪码失锁时电路工作失效，无法测得各观测点位移量。 发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多点位移同时测量方法，该方法拟对专利CN101349753A的信标机和遥测接收机进行改造，依然利用载波相位思想来监测观测点位移量，不过在信标机中采用不同频率的正弦波取代伪随机码信号来调制公共本振信号，以便接收机端能够区分各个信标机，在接收端使用快速傅里叶变换取代伪码同步及载波恢复电路，来提高系统工作的健壮性。 [0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： [0007] 一种多点位移同时测量方法，系统由发射机部分和接收机部分构成。在固定位置安装参考点发射天线，在被测物表面上安装多个观测点发射天线；公共射频本振产生射频载波信号，参考点信标机通过参考点发射天线直接发射射频载波信号，观测点信标机使用低频正弦波信号对射频载波信号进行双边带调制后，送往观测点发射天线；各观测点信标机正弦波调制信号的频率不同；遥测接收机接收到参考点发射天线和观测点发射天线发来的混合信号后，使用另一射频本振信号将其下变频至中频，并将其数字化，然后进行傅里叶变换得到其幅度谱和相位谱，从而计算出各观测点信号与参考点信号的载波相位差；根据前后两次测量的相位差变化量，计算出每个观测点的位移量。 [0009] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： [0010] 图1为本发明的测量系统结构框图； [0011] 图2为本发明的接收机信号频谱示意图。 具体实施方式[0012] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。 [0013] 图1为本发明的测量系统结构框图。系统由发射机电路和接收机电路构成，图中左侧部分为发射机部分，右侧为接收机部分。 [0014] 发射机包括公共射频本振10、参考信标机11及参考点发射天线114、观测点信标机12,13,14及观测点发射天线124,134,144等构成；参考信标机由射频带通放大器112和功率放大器113构成；观测点信标机12由正弦波信号发生器120、调制器121、射频带通放大器122以及功率放大器123构成，实现将低频正弦波信号调制在射频本振信号上，调制方式为抑制载波双边带调制；各观测点信标机电路结构相同，正弦波信号频率不同；图中只给出了第1个观测点信标机12、第i个观测点信标机13和第n个观测点信标机14；参考点发射天线114与观测点发射天线124,134,144等根据需要安装在被测物表面上。 [0016] 图2为本发明的接收机信号频谱示意图，上图为幅度谱，下图为相位谱。接收机将接收到的混合射频信号下变频至中频；图中的31和41分别对应参考信标机的幅度与相位，频率为fI；图中的321和421分别对应观测点信标机1的上边带信号的幅度与相位，频率为(fI+fl)，图中的322和422对应观测点信标机1的下边带信号的幅度与相位，频率为(fI-fl)；图中的331和431分别对应观测点信标机i的上边带信号的幅度与相位，频率为(fI+fi)，图中的332和432对应观测点信标机i的下边带信号的幅度与相位，频率为(fI-fi)；图中的341和441分别对应观测点信标机n的上边带信号的幅度与相位，频率为(fI+fn)，图中的332和442分别对应观测点信标机n的下边带信号的幅度与相位，频率为(fI-fn)。 [0017] 系统的具体工作过程如下。 [0018] 假设射频本振信号即参考信标机的发射信号为： [0019] s0(t)＝cos(2πfR1t+α0) (公式1) [0020] fR1为射频载波频率，α0为射频载波信号的随机初始相位； [0021] 假设第i个观测点信标机的低频调制信号为： [0022] (公式2) [0023] fi为低频正弦波信号的载波频率，βi为低频正弦波信号的随机初始相位；假设有n个观测点，这n个低频正弦波信号的频率满足0 [0024] 用此信号调制射频载波信号得到的观测点信标机i的发射信号为： [0025] (公式3) [0026] (公式4) [0027] [0028] 假设参考信标机的天线到接收机天线的距离为r0，参考点天线位置固定不变，不发生位移，r0为常数，则接收机收到的参考信标机射频信号为： [0029] s3(t)＝cos(2πfR1t+(α0-2πfR1r0/c))＝cos(2πfR1t+α’0) (公式5)[0030] 上式中 [0031] 假设观测点i的天线到接收机天线的距离为ri，则接收机收到的第i个观测点信标机的射频信号为： [0032] (公式6) [0033] (公式7) [0034] 式中β‘1＝βi-2πfiri/c；α’i＝α0-2πf0ri/c； [0035] (公式8) [0036] [0037] 假设共有n个观测点信标机，则接收机接收到的混合射频信号为： [0038] (公式9) [0039] 假设接收机的射频本振信号为： [0040] s5(t)＝2cos(2πfR2t+γ0) (公式10)[0041] 式中fR2为射频本振信号频率，fR2 [0042] 使用此本振信号将接收机接收到的混合射频信号下变频至中频，得[0043] (公式11) [0044] 上式中的s7(t)为s3(t)的下变频后的信号， 为 下变频后的信号； [0045] s7(t)＝cos(2πfIt+(α’0-γ0)) (公式13)[0046] (公式14) [0047] [0048] (公式15)[0049] 对s6(t)进行模数转换，然后使用快速傅里叶变换或者全相位快速傅里叶变换(all-phase FFT)方法，得到接收机收到的混合信号的幅度谱和相位谱。据此，估计出参考信标机信号的相位，即相位谱中频率分量为fI的信号相位：’ [0050] φ0＝(α 0-γ0) (公式16) [0051] 估计出第i个观测点信标机上边带信号的相位，即相位谱中频率分量为(fI+fi)的信号相位： [0052] φUi＝(α’i-γ0+β‘i) (公式17)[0053] 估计出第i个观测点信标机下边带信号的相位，即相位谱中频率分量为(fI+fi)的信号相位: [0054] φLi＝(α’i-γ0-β‘i) (公式18)[0055] 因而，可估计出第i个观测点信标机 的载波信号相位为： [0056] φi＝(α’i-γ0)＝(φUi+φLi)/2 (公式19)[0057] 计算参考信标机载波信号与第i个观测点信标机载波信号之间的相位差： [0058] (公式20) [0059] 假设第k次测量时，观测点i的天线距接收机天线之间的距离为ri，记Δφi(k)为观测点i的载波与参考点的载波相位差；假设第k+1次测量时，观察点i在视线方向上发生的位移量为Δri，则观测点i的天线距接收机天线之间的距离变为(ri+Δri)，记Δφi(k+1)为观测点i的载波与参考点的载波相位差； [0060] (公式21) [0061] (公式22) [0062] 记前后两次相位差的变化量为： [0063] (公式23) [0064] 可以估计出观测点i的位移量Δri为： [0065] Δri＝(ΔΦi(k)/2π)λ (公式24) [0066] 式中λ＝c/fR1，为发射机射频载波信号波长。 [0067] 从(公式24)可以看出，只要测出观测点i的载波与参考点的载波相位差Δφi(k)的变化量ΔΦi(k)，就能得到观测点i距接收机的距离ri的变化量，即为观测点i的位移量Δri。 [0068] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈