[發明專利]基于LFMCW雷達的振動監測系統與信號處理方法

有效

• 申請號: 201710720025.2
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN107607923B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 彭志科;熊玉勇
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01H9/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明提供了一種基于LFMCW雷達的振動監測系統以及信號處理方法，該系統所述振動監測系統包括雷達收發器、調諧信號發生器、數據采集模塊、信號處理模塊和顯示與分析模塊。信號處理方法包含以下步驟：步驟1，截取每個掃頻周期時間內的有效基帶差拍信號，并生成復差拍信號；步驟2，估計差拍頻率；步驟3，利用近似極大似然估計算法進行相位估計；步驟4，對估計的初始相位時間序列進行相位跳變糾正處理；步驟5，提取振動位移時域信息。本發明利用LFMCW雷達進行非接觸式振動運動感知，通過對每個掃頻周期時間內的差拍信號的初始相位進行精確估計，提取出振動位移時域信息，能夠滿足極端環境以及中短距離的目標物體振動監測需求。

技術領域

本發明涉及振動監測技術領域，尤其涉及一種基于LFMCW雷達的振動監測系統與信號處理方法，其中LFMCW表示線性調頻連續波。

背景技術

振動監測廣泛應用在生產、生活的各種領域，是實現狀態監測與故障診斷的重要手段。一般地，振動監測由接觸式傳感器，如加速度計，感知振動運動，通過后續的信號處理提取出振動的位移、頻率等信息。基于微波雷達的運動感知技術，屬于一種非接觸式測量技術，可在惡劣環境下穩定工作，且不受雨雪等天氣條件的影響，能夠實現全天候的監測測量，目前已應用在人體生命體征監測以及大型橋梁的振動監測領域。其中，連續波(Continuous Wave,簡稱CW)雷達對運動信息比較敏感，能夠感知微小的振動位移變化，通過提取調制相位信息，得到振動的位移時域信息。但是CW雷達的基帶信號中往往存在較大的直流偏移，且在低信噪比的情況下，很難進行精確的直流偏移補償，難以實現振動位移的高精度監測。另外，由于CW雷達缺乏距離信息，難以實現多目標物體監測，無法有效消除背景噪聲干擾。另一方面，線性調頻連續波(Linear Frequency Modulation ContinuousWave,簡稱LFMCW)雷達具備距離感知能力，能夠區分多目標物體。

LFMCW雷達發射線性調頻的連續波并接收目標散射的電磁回波，將回波與本振信號混頻、濾波得到中頻基帶差拍信號。通過估計差拍信號的頻率，得到目標距離雷達的距離信息，但受雷達發射帶寬的限制，距離分辨力有限，難以提取振動引起的微小距離變化。為了進行有效的振動監測，精確提取目標物體振動位移時域信息，需要基于雷達干涉測量技術，利用差拍信號中相位的演變準確提取振動位移信息。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于LFMCW雷達的振動監測系統與信號處理方法，利用LFMCW雷達進行振動運動感知，通過估計每個掃頻周期內差拍信號的初始相位，得到對應的相位演變序列，進而推算出目標物體的振動位移時域信息，實現高精度振動監測。

為實現上述目，本發明是根據以下技術方案實現的：

本發明的一種基于LFMCW雷達的振動監測系統，包括：

雷達收發器，用于產生雷達發射波，并接收散射回來的回波，通過放大、混頻及濾波處理得到中頻基帶差拍信號；

調諧信號發生器，用于產生周期性的線性調制波電壓信號，以控制雷達收發器產生線性調頻的發射波；

數據采集模塊，用于對I通道和Q通道的中頻基帶差拍信號和調制波信號進行ADC數據采集；

信號處理模塊，用于對中頻基帶差拍信號進行信號處理，估計每個掃頻周期時間內差拍信號的初始相位，提取振動位移時域信息；

顯示與分析模塊，用于顯示檢測目標的振動位移時域信息并進行分析處理，實現狀態監測與故障診斷的目的。