[發明專利]基于多普勒雷達的高層建筑結構振動頻率測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201510508919.6
• 申請日: 2015-08-19
• 公開（公告）號: CN105115587A
• 公開（公告）日: 2015-12-02
• 發明（設計）人: 王楠;李兆龍;宋思琦;童童;陳如山
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于信號處理和檢測技術領域，特別是一種基于多普勒雷達的高層建筑結構振動頻率測量裝置及方法。

技術背景

當今社會，城市中出現了大量的高層及超高層建筑。在建筑越來越高的同時，輕質高強的新型建筑材料也不斷出現，使得高層結構的剛度與阻尼不斷下降。高層建筑及超高層建筑的特點是長細比大，在動力荷載(主要是風荷載)的作用下，就很容易產生振動和變形。主要有如下幾個方面：①由于與風向一致的風力作用引起的結構物的順風向振動；②結構物背后的漩渦引起結構物的橫風向振動，對煙囪、高層建筑等一些自立式細長柱體結構物尤不可忽視；③由別的建筑物尾流中的氣流引起的振動；④由空氣負阻尼引起橫向失穩式振動。在這種情況下，高層建筑物在強風狀態下的安全狀態頗令人擔憂。為了避免引起不必要的恐慌以及確保大樓安全，我們需要對這種大樓振動頻率進行實時監控測量。

目前針對高層建筑結構振動這樣的低頻振動的監測方法一般為傳感器測量，分為相對式和絕對式兩種測量方式。相對式測量包括光學測量，如干涉儀、光學多普勒測振儀、光電攝影技術等,都屬于相對式測量。其缺點是相對式測量需要有靜止不動的基礎,這對于工程中振動測量是非常困難的；同時要求比較嚴格的環境條件,儀器價格也高，不適合廣泛使用。絕對式振動測量都是基于慣性質量—彈簧振動系統。根據其測量原理,是測量敏感質量塊與彈簧間的作用力,還是慣性質量塊與殼體間的相對運動,分為低通型的加速度計與高通型的速度傳感器。而這種機械測量的方法也有其不可避免的缺陷，如靈敏度不高；無法進行非接觸式測量；所測頻率范圍有很大限制；機械設備易磨損；以及計算復雜，兩次積分后顯然導致最后精確度下降等。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于多普勒雷達的高層建筑結構振動頻率測量裝置及方法，利用連續波多普勒雷達，實時準確地測量高層建筑結構振動頻率，達到監測的目的。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于多普勒雷達的高層建筑結構振動頻率測量裝置，包括交流電源、耦合器、功率放大器、驅動放大器、發射天線、接收天線、低噪聲放大器和混頻器，交流電源的輸出端通過耦合器分別接入功率放大器、驅動放大器，功率放大器的輸出端接入發射天線，接收天線的輸出端通過低噪聲放大器接入混頻器的一個端口，驅動放大器的輸出端接入混頻器的另一個端口；

所述交流電源產生射頻信號，經耦合器分成兩路信號，一路射頻信號通過驅動放大器輸入混頻器提供本振信號，另一路射頻信號經功率放大器放大后送入發射天線發射出去形成發射信號，該發射信號至振動的目標建筑結構后產生反射信號，所述反射信號由接收天線接收后經低噪聲放大器放大后送入混頻器；混頻器接收的兩種信號混頻后取下變頻信號，即得到多普勒頻率。

優選地，所述交流電源、耦合器、功率放大器和發射天線組成發射支路，接收天線、低噪聲放大器和混頻器組成接收支路。

優選地，所述交流電源輸出的射頻信號頻率為24.125GHz。

優選地，所述功率放大器、驅動放大器相同，型號均為HMC863LP4E，增益為20dB，插入損耗為11dB，回波損耗為15dB，P1dB為24.5dBm。

優選地，所述低噪聲放大器的型號為HMC517LC4，增益為20dB，噪聲系數為2.6dB,插入損耗為15dB，回波損耗為17dB，P1dB為13dBm。

優選地，所述混頻器的型號為HMC292LC3B，變頻損耗為8dB，1dB壓縮點為13dBm，IIP3為18dBm。

一種基于多普勒雷達的高層建筑結構振動頻率測量方法，包括以下步驟：

步驟1，交流電源產生射頻信號，經耦合器分成兩路信號，一路射頻信號通過驅動放大器輸入混頻器提供本振信號，另一路射頻信號經功率放大器放大后送入發射天線發射出去形成發射信號；

步驟2，發射信號至振動的目標建筑結構后產生反射信號，所述反射信號由接收天線接收后經過低噪聲放大器放大后送入混頻器；

步驟3，混頻器將步驟1和步驟2中接收的兩種信號混頻后取下變頻信號，即得到多普勒頻率；

步驟4，根據多普勒頻率進行處理，得到目標建筑結構的振動頻率。

進一步地，步驟4中所述根據多普勒頻率進行處理，得到目標建筑結構的振動頻率，具體如下：

所述多普勒頻率f_d即反射信號頻率與發射信號頻率之差，根據多普勒頻率的大小，由f_d＝2V_r/λ可得，目標建筑結構與多普勒雷達的徑向相對運動速度V_r為：