一种大型设备多点微位移测量方法

申请号 CN201710002194.2 申请日 2017-01-03 公开(公告)号 CN106680804A 公开(公告)日 2017-05-17
申请人 郑州云海信息技术有限公司; 发明人 张潘; 谢芝茂; 范小天;
摘要 本 发明 公开了一种大型设备多点微位移测量方法,涉及大型设备的 变形 监测技术领域,具体方法如下:S1、在被测物表面上安装 角 发射器,在远端布置雷达,雷达发射多子带 信号 ,其 中子 带内为线性调频信号,子带间为步进 频率 信号;S2、对接收到的基频回波做 脉 冲压 缩 处理;S3、对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成;S4、获得高 分辨率 距离像;S5、对前后两次距离像做 相位 干涉测量,测得每个角 反射器 在雷达视线方向上的位移量。本发明采用了频域合成的方法对信号进行融合,与时域合成相比,减少了运算量;能够有效地避免因非人为因素所产生的不利影响,能够给设备维护人员提供相关的信息,从而使设备能够持续不断地正常服务。
权利要求

1.一种大型设备多点微位移测量方法,其特征在于,具体方法如下:
S1、在被测物表面上安装发射器,在远端布置雷达,雷达发射多子带信号,其中子带内为线性调频信号,子带间为步进频率信号;
S2、对接收到的基频回波做冲压缩处理;
S3、对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成;
S4、获得高分辨率距离像;
S5、对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
2.根据权利要求1所述的一种大型设备多点微位移测量方法,其特征在于,所述的测量过程用公式表述为,
第一步将t1和t2时刻两次分别测得的信号S(R,t1)和S(R,t2)进行复相关运算,第二步通过公式(8)将第i个散射点载波干涉相位 计算出来,第三步根据公式(11)将散射点的位移 计算出来。
其中:
在t1和t2时刻,能够通过计算得出散射点i的干涉相位

第i个散射点在雷达距离像的位移量就可以表示为:

3.根据权利要求1所述的一种大型设备多点微位移测量方法,其特征在于,所述的相位干涉测量,即通过信号往返于雷达和角反射器之间的相位差来测量角反射器的位移量。
4.根据权利要求1所述的一种大型设备多点微位移测量方法,其特征在于,公式具体过程如下:
s(t,k)=exp(-j4πf0(k)R/c)Sa(Tp0K(t-2R/c))   (1)
其中f0(k)为发射信号子脉冲的中心频率,R为目标点到雷达的距离,c为电磁波的传播速度,K为调频斜率,Tp0为子脉冲的长度, 公式(1)中不考虑幅度的影响;
对公式(1)做傅里叶变换,同样的忽略幅度,得到各个子脉冲的脉冲压缩信号频谱表达式为:

其中 然后再进行频谱的平移,得到各个子脉冲经过脉冲压缩信号
的频移量是Δf,

经过频移以后的频谱表示为:

当频率步进量与子脉冲带宽相等的时候,即是Δf=B0,把频移之后的频谱进行叠加,得到叠加之后的数学表达式为:

最后,对叠加得到的信号频谱进行傅里叶逆变换,得到时域上的距离压缩信号;
各子带信号的带宽为B0,因此各个子带信号的距离分辨率可表示为c/2B0,而经过合成之后的信号带宽为B,合成以后的信号距离分辨率就可以表示为c/2B;
当在设备上安装了P个角反射器时,第i个角反射器的位置离雷达天线阵的真实距离表示为Ri,定义一个虚拟位置为R′i,R′i表示角反射器延迟线离雷达天线阵的虚拟距离,即R′i在真实距离Ri上叠加一固定距离;当系统运作时,雷达使用了天线阵发射无线电波信号,照射角反射器,延迟τt时间后,接受回波信号,进行匹配滤波运算处理;以下均用散点表示角反射器;
当只有一个散射点i时,其信号的数学表达式为:

当存在P个散射点时,复合信号可表示为:

在t1和t2时刻,通过计算得出散射点i的干涉相位


其中,ang()表示求相位运算,为方便计算,当
但k≠1,在这种情况下就可以得到第i个
散射点的干涉相位:

其中,在公式(10)中,γ代表信号的波长;将得出第i个散射点在雷达距离像的位移量表示为:

5.根据权利要求1所述的一种大型设备多点微位移测量方法,其特征在于,所述的微位移的测量精度与载波波长、载波干涉相位测量精度相关,即当微位移测量精度提高,载波相位测量精度越高,信号的波长越短。
6.一种大型设备多点微位移测量装置,其特征在于,包括雷达和角发射器,其中,角发射器安装在被测大型设备表面;
还包括脉冲压缩模,用于对接收到的基频回波做脉冲压缩处理;匹配滤波模块,用于对回波信号做匹配滤波处理;频域拼接模块,用于对于对回波信号做频域拼接处理;IDFT运算模块,用于对于对回波信号做IDFT运算处理;距离像形成模块,用于高分辨率一维距离像的生成;相位干涉测量模块,用于对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。

说明书全文

一种大型设备多点微位移测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大型设备的变形监测技术领域,具体地说是一种大型设备多点微位移测量方法。

背景技术

[0002] 变形监测是对被监测的对象或物体(简称变形体)进行测量以确定其空间位置及内部形态随时间的变化特征。变形监测又称变形测量或变形观测。变形体一般包括工程建筑物、技术设备以及其他自然或人工对象,在变形监测的基础上发展成为安全监测。安全监测的成果不仅可以反映建筑物的工作性态,同时还能反馈给生产管理部,以控制和调节建筑物的荷载,所以,安全监测有时又称安全监控。安全监测的主要目的是确定建筑物的工作性态,保证建筑物的安全运营。在工程建筑物的施工和运营期间,都必须对它们进行变形观测,以监视建筑物的安全状态。
[0003] `随着世界信息化的快速发展,在一定程度上,也推动了大型的信息设备如服务器等迅速发展和使用。众所周知,不管是正在生产还是已交付运营的大型信息设备,都会受到各种各样的因素影响而会发生一定的变形。而任何设备对变形的承受能都是有限度的,一旦超过其本身所能承受的最高限度,不仅会对其正常使用产生一定的影响,严重情况下,会导致已变形的设备发生宕机等严重的后果,给设备的正常使用带来不利的影响。
[0004] 能够科学、准确、及时的预报和分析大型设备的变形状况及其重要,不仅能够及时的发现大型设备所存在的问题,同时通过所提供的变形信息对大型设备做综合评估及危险预警,并采取相应的措施以减少经济损失。
[0005] 由现有技术的雷达原理可知,雷达的距离分辨率与其发射信号的带宽成反比例关系,因此,可以通过发射超宽带信号来获取距离向的高分辨率,由于受到技术上及硬件成本上的约束,超宽带信号的实现是从事雷达领域科研人员所研究的焦点及难点。随着世界各国对宽带技术研究的不断深入,合成宽带技术应运而生。通过合成而得到的宽带信号不仅克服了技术上及成本上的问题,在对目标进行成像时的分辨率与理想的超宽带信号相同。

发明内容

[0006] 本发明的技术任务是提供一种大型设备多点微位移测量方法。
[0007] 本发明的技术任务是按以下方式实现的,
[0008] 一种大型设备多点微位移测量方法,具体方法如下:
[0009] S1、在被测物表面上安装发射器,在远端布置雷达,雷达发射多子带信号,其中子带内为线性调频信号,子带间为步进频率信号;
[0010] S2、对接收到的基频回波做冲压缩处理;
[0011] S3、对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成;
[0012] S4、获得高分辨率距离像;
[0013] S5、对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0014] 进一步的,优选的方法为,所述的测量过程用公式表述为,
[0015] 第一步将t1和t2时刻两次分别测得的信号S(R,t1)和S(R,t2)进行复相关运算,第二步通过公式(8)将第i个散射点载波干涉相位 计算出来,第三步根据公式(11)将散射点的位移 计算出来。
[0016] 其中:
[0017] 在t1和t2时刻,能够通过计算得出散射点i的干涉相位
[0018]
[0019] 第i个散射点在雷达距离像的位移量就可以表示为:
[0020]
[0021] 进一步的,优选的方法为,所述的相位干涉测量,即通过信号往返于雷达和角反射器之间的相位差来测量角反射器的位移量。
[0022] 进一步的,优选的方法为,公式具体过程如下:
[0023] s(t,k)=exp(-j4πf0(k)R/c)Sa(Tp0K(t-2R/c))(1)
[0024] 其中f0(k)为发射信号子脉冲的中心频率,R为目标点到雷达的距离,c为电磁波的传播速度,K为调频斜率,Tp0为子脉冲的长度 公式(1)中不考虑幅度的影响;
[0025] 对公式(1)做傅里叶变换,同样的忽略幅度,得到各个子脉冲的脉冲压缩信号频谱表达式为:
[0026]
[0027] 其中 然后再进行频谱的平移,得到各个子脉冲经过脉冲压缩信号的频移量是Δf,
[0028]
[0029] 经过频移以后的频谱表示为:
[0030]
[0031] 当频率步进量与子脉冲带宽相等的时候,即是Δf=B0,把频移之后的频谱进行叠加,得到叠加之后的数学表达式为:
[0032]
[0033] 最后,对叠加得到的信号频谱进行傅里叶逆变换,得到时域上的距离压缩信号;
[0034] 各子带信号的带宽为B0,因此各个子带信号的距离分辨率可表示为c/2B0,而经过合成之后的信号带宽为B,合成以后的信号距离分辨率就可以表示为c/2B;
[0035] 当在设备上安装了P个角反射器时,第i个角反射器的位置离雷达天线阵的真实距离表示为Ri,定义一个虚拟位置为R′i,R′i表示角反射器延迟线离雷达天线阵的虚拟距离,即R′i在真实距离Ri上叠加一固定距离;当系统运作时,雷达使用了天线阵及射无线电波信号,照射角反射器,延迟τt时间后,接受回波信号,进行匹配滤波运算处理;以下均用散点表示角反射器;
[0036] 当只有一个散射点i时,其信号的数学表达式为:
[0037]
[0038] 当存在P个散射点时,复合信号可表示为:
[0039]
[0040] 在t1和t2时刻,通过计算得出散射点i的干涉相位
[0041]
[0042]
[0043] 其中,ang()表示求相位运算,为方便计算,当
[0044] 但k≠1,在这种情况下就可以得到第i个散射点的干涉相位:
[0045]
[0046] 其中,在公式(10)中,γ代表信号的波长;将得出第i个散射点在雷达距离像的位移量表示为:
[0047]
[0048] 进一步的,优选的方法为,所述的微位移的测量精度与载波波长、载波干涉相位测量精度相关,即当微位移测量精度提高,载波相位测量精度越高,信号的波长越短。
[0049] 一种大型设备多点微位移测量装置,包括雷达和角发射器,其中,角发射器安装在被测大型设备表面;
[0050] 还包括脉冲压缩模,用于对接收到的基频回波做脉冲压缩处理;匹配滤波模块,用于对回波信号做匹配滤波处理;频域拼接模块,用于对于对回波信号做频域拼接处理;IDFT运算模块,用于对于对回波信号做IDFT运算处理;距离像形成模块,用于高分辨率一维距离像的生成;相位干涉测量模块,用于对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0051] 本发明的一种大型设备多点微位移测量方法和现有技术相比,有益效果如下:
[0052] (1)、采用了频域合成的方法对信号进行融合,与时域合成相比,减少了运算量;
[0053] (2)、将现有的无线电遥测技术和合成宽带技术有效的结合起来,能够提高现有变形监测系统区分无源角反射器的分辨率,实现了多点的微位移测量;
[0054] (3)、能够对可能发生危险的设备提早做出预警;
[0055] (4)、对大型设备的位移测量能够有效地避免因非人为因素所产生的不利影响,能够给设备维护人员提供相关的信息,从而使设备能够持续不断地正常服务。

具体实施方式

[0056] 实施例1:
[0057] IDFT就是Inverse Discrete Fourier Transform离散傅里叶逆变换。
[0058] 本发明研究了一种基于宽带雷达的位移测量技术。雷达发射多子带信号,其中子带内为线性调频信号,子带间为步进频率信号。雷达对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成,从而获得高分辨率距离像,对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0059] 傅里叶变换傅里叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。
[0060] 附图1为频域合成流程图,合成宽带处理是对各子脉冲做脉冲压缩之后进行的。由于发射信号的子脉冲内是线性调频信号,对接收到的基频回波做脉冲压缩处理以后的数学表达式为:
[0061] s(t,k)=exp(-j4πf0(k)R/c)Sa(Tp0K(t-2R/c)   (1)
[0062] 其中f0(k)为发射信号子脉冲的中心频率,R为目标点到雷达的距离,c为电磁波的传播速度,K为调频斜率,Tp0为子脉冲的长度, 公式(1)中不考虑幅度的影响,对理论结果影响不大。
[0063] 对公式(1)做傅里叶变换,同样的可以忽略幅度,可以得到各个子脉冲的脉冲压缩信号的频谱表达式为:
[0064]
[0065] 其中 然后再进行频谱的平移,可以得到各个子脉冲经过脉冲压缩信号的频移量是Δf,那么
[0066]
[0067] 那么经过频移以后的频谱可表示为:
[0068]
[0069] 当频率步进量与子脉冲带宽相等的时候,也即是Δf=B0,只需要把频移之后的频谱进行叠加即可,可以得到叠加之后的数学表达式为:
[0070]
[0071] 最后,对叠加得到的信号频谱进行傅里叶逆变换,可以得到时域上的距离压缩信号,由于信号的频谱宽度增加了,因此分辨率也会得到相应的提高。各子带信号的带宽为B0,因此各个子带信号的距离分辨率可表示为c/2B0,而经过合成之后的信号带宽为B,因此,合成以后的信号距离分辨率就可以表示为c/2B。
[0072] 附图2为载波相位干涉测量原理图,假设在设备上安装了P个角反射器,第个角反射器的位置离雷达天线阵的真实距离表示为Ri,但由于角反射器延迟线,需要定义一个虚拟位置为R′i,R′i表示角反射器延迟线离雷达天线阵的虚拟距离,即R′i在真实距离Ri上叠加一固定距离。系统运作时,雷达使用了天线阵发射无线电波信号,照射角反射器,延迟τt时间后,并接受回波信号,进行匹配滤波运算处理。以下均用散点表示角反射器。
[0073] 当只有一个散射点i时,其信号的数学表达式为:
[0074]
[0075] 当存在P个散射点的时候,复合信号可表示为:
[0076]
[0077] 在t1和t2时刻,能够通过计算得出散射点i的干涉相位
[0078]
[0079]
[0080] 其中,ang()表示求相位运算,为方便计算,可以把但k≠1,在这种情况下就可以得到第i个散射点的干涉相位:
[0081]
[0082] 其中,在公式(10)中,γ代表信号的波长。那么可以得出第i个散射点在雷达距离像的位移量就可以表示为:
[0083]
[0084] 因此整个测量过程可表述为:第一步将t1和t2时刻两次分别测得的信号S(R,t1)和S(R,t2)进行复相关运算,第二步通过公式(8)将第i个散射点载波干涉相位 计算出来,第三步根据公式(11)将散射点的位移 计算出来。通过公式(11)可以看出,载波波长以及载波干涉相位测量精度决定了微位移的测量精度。要使微位移测量精度提高,就需要载波相位测量精度越高,那么在满足其他要求下,就要求信号的波长越短。
[0085] 一种大型设备多点微位移测量方法,具体方法如下:
[0086] S1、在被测物表面上安装角发射器,在远端布置雷达,雷达发射多子带信号,其中子带内为线性调频信号,子带间为步进频率信号;
[0087] S2、对接收到的基频回波做脉冲压缩处理;
[0088] S3、对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成;
[0089] S4、获得高分辨率距离像;
[0090] S5、对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0091] 一种大型设备多点微位移测量装置,包括雷达和角发射器,其中,角发射器安装在被测大型设备表面;
[0092] 还包括脉冲压缩模块,用于对接收到的基频回波做脉冲压缩处理;匹配滤波模块,用于对回波信号做匹配滤波处理;频域拼接模块,用于对于对回波信号做频域拼接处理;IDFT运算模块,用于对于对回波信号做IDFT运算处理;距离像形成模块,用于高分辨率一维距离像的生成;相位干涉测量模块,用于对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0093] 雷达对回波信号做匹配滤波、频域拼接及IDFT运算等处理进行相干合成,从而获得高分辨率距离像,对前后两次距离像做相位干涉测量,测得每个角反射器在雷达视线方向上的位移量。
[0094] 将现有的无线电遥测技术和合成宽带技术有效的结合起来,能够提高现有变形监测系统区分无源角反射器的分辨率,有着更强的工程应用价值。
[0095] 通过上面具体实施方式,所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解,本发明并不限于上述的几种具体实施方式。在公开的实施方式的基础上,所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征,从而实现不同的技术方案。
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