[發明專利]基于微波雷達的工程結構動態特征監測系統

有效

• 申請號: 202010533069.6
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111708019B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 彭志科;李松旭;熊玉勇;任澤生
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88;G01M7/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于微波雷達的工程結構動態特征監測系統，包括：控制模塊和分別與之相連的連續波微波雷達收發器、數據采集與處理模塊、信號分析模塊和顯示與保存模塊，本發明具有測量精度高、環境適應性強、量程范圍大、低功耗、信號處理復雜度低的特點。

技術領域

本發明涉及的是一種結構動態特征監測領域的技術，具體是一種基于微波雷達的工程結構動態特征監測系統。

背景技術

隨著近年來中國高鐵及地鐵的高速發展，大量的高架道路與橋梁建成通車，這類土木工程結構在服役過程中的結構健康監測與安全評估備受關注和重視。

土木工程結構的動態響應監測主要體現為在外界載荷激勵下的振動響應監測，一般地，振動測量技術與方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式振動測量傳感器，如加速度傳感器、千分表和應變儀，這類傳感器的安裝往往比較耗時和費力，在實際工程中難以適用；非接觸的測量方法包括激光多普勒測振和基于視覺的振動測量技術，但是基于激光的振動測量技術與方法常應用于小型結構或表面的微幅高頻振動測量，對測量環境要求較高，基于視覺的振動測量方法受光線及成像質量影響較大，且受限于相機景深，在大幅振動測量方法存在一定的局限性。

基于微波感知的振動測量技術作為一種新興的非接觸式振動與形變監測技術，引起了越來越多研究者的關注，其中基于調頻連續波(FMCW)雷達的振動測量方法，微波信號頻率調制相對復雜，信號處理難度大，功耗相對較高且只適用于中低頻的振動測量。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于微波雷達的工程結構動態特征監測系統，具有測量精度高、環境適應性強、量程范圍大、低功耗、信號處理復雜度低的特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于連續波(CW)微波雷達的工程結構動態特征監測系統，包括：控制模塊和分別與之相連的連續波微波雷達收發器、數據采集與處理模塊、信號分析模塊和顯示與保存模塊，其中：用于發射雷達信號并接收回波信號，得到I/Q兩個通道的零中頻基帶信號的連續波微波雷達收發器與數據采集與處理模塊相連接并傳輸零中頻基帶信號，數據采集與處理模塊根據連續波微波雷達收發器產生的兩通道零中頻基帶信號，并提取振動位移時域信息x(t)后輸出至信號分析模塊，信號分析模塊對提取的振動位移時域信息分別進行頻譜分析和時頻譜分析，提取工程結構的固有頻率以及在不同運行工況下的受迫振動頻率與負載效應頻率并輸出至顯示與保存模塊以顯示并保存包括振動位移時域波形及振動特征分析結果在內的信息，控制模塊分別與連續波微波雷達收發器、數據采集與處理模塊、信號分析模塊和顯示與保存模塊相連接并輸出控制系統的啟動與停止、設置連續波微波雷達參數、控制各模塊的工作運行和數據傳輸指令。

所述的連續波微波雷達收發器包括：射頻信號源、功分器、功率放大器和發射天線組成的發射支路以及低通濾波器、正交混頻器、低噪聲信號放大器和接收天線組成的接收支路，其中：射頻信號源與功分器相連并傳輸單頻載波信號，功分器一端與功率放大器相連并傳輸單頻載波信號，一端與正交混頻器相連并傳輸本振信號，功率放大器與發射天線相連并傳輸放大的載波信號，接收天線與低噪聲放大器相連并傳輸接收信號，低噪聲信號放大器與正交混頻器相連并傳輸放大的接收信號，正交混頻器與低通濾波器相連并傳輸下變頻基帶信號。

所述的工程結構的固有頻率以及在不同運行工況下的受迫振動頻率與負載效應頻率，通過以下步驟得到：

步驟1，分析列車駛離后工程結構的自由振動響應，對提取位移信息x(t)中列車駛離階段的振動位移通過快速傅里葉變換得到結構振動的固有頻率f₁。