面向大型结构的多普勒/调频连续波雷达无源目标位移测量系统研究

摘要

大型基础建筑设施是保障国家经济发展、人民正常生活的重要硬件，而建筑设施的结构健康监测则是保证建筑设施安全运行的重要手段。结构位移/变形能够全面反映结构内部的损伤状态，因而是评估其结构运行状态的关键参数。在常用结构位移测量仪器中，地基干涉雷达具有突出优点，但由于产品专利保护、技术封锁，在国内该仪器的售价高达上百万，严重限制了其在国内结构健康监测领域的推广应用。
　　针对这一问题，为了开发具有自主产权的地基微波雷达系统，本文以实现建筑结构三维位移测量为目的，在分析三维位移高精度测量要求的基础上，结合常用微波雷达系统，完成了如下工作：
　　①以建筑结构三维位移高精度测量为目标，以具体的建筑为例讨论了其三维位移监测的方案，分析了选用无源目标开展地基雷达研究的原因，简要探讨了由无源目标引起的研究难度；利用目标空间坐标关系、泰勒级数近似及最小二乘法，详细推导了目标三维位移的测量原理，阐明了目标三维位移与目标到雷达间距离、距离变化的关系。进一步，在总结常用微波雷达系统研究应用现状的基础上，提出了基于多普勒雷达和线性调频连续波（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，LFMCW）雷达的结构位移监测微波雷达系统方案。
　　②在多普勒雷达方面，详细阐述了其干涉位移测量原理。针对多普勒雷达常用相位解调结构的非平衡、偏置问题，提出了基于时间数字转换器（Time-to-Digital Converter，TDC）的相位解调方案，并设计了基于TDC的外差式多普勒雷达系统；进而讨论了外差式多普勒雷达中信号频率的选择，分析了雷达实际样机的实现方案；采用误差理论分析方法，理论推导了雷达实际样机的位移测量分辨率、测量精度。在此基础上，搭建了采用两级外差结构的多普勒雷达实验样机，开展了位移实验；实验结果表明该雷达样机的距离测量精密度能够达到12.9微米，能够分辨以50微米步距间隔移动的目标；进一步针对雷达样机的位移误差问题，理论分析了多路径、位移方向偏离、天线耦合三个因素对位移测量的影响，并讨论了多普勒雷达的应用局限性。
　　③提出了基于 LFMCW雷达差拍信号相位测量多目标位移的方法。利用离散傅里叶变换，详细阐述了LFMCW雷达的距离/位移测量原理，理论分析了LFMCW雷达有效数据长度的选取原则；进而提出了基于LFMCW雷达的多目标位移测量方案，分析了采用差拍信号相位进行多目标位移测量的原理，并设计了保证差拍信号相干的LFMCW雷达系统。针对采样信号的噪声问题，利用噪声频谱分析方法，分别理论分析了随机噪声、量化噪声对目标位移测量精度的影响，讨论了0.1毫米误差对应的信噪比；进一步，针对频谱泄露影响多目标位移测量的问题，进行了理论推导与数值仿真，明确了利用LFMCW雷达差拍信号相位进行多目标位移测量的可行性。在此基础上，搭建了雷达系统样机，分析了雷达样机的非同步位移误差；进而开展了室外位移实验，单目标位移结果表明雷达样机系统可以达到毫米级位移精度，三个目标位移结果验证了LFMCW雷达能够用于高精度多目标位移测量。
　　④从信号解调的角度入手，提出了将多普勒雷达与LFMCW雷达融合的方案，设计了相应的融合系统，详细分析了融合系统的信号传播过程，推导得出了多目标位移解调公式。从信号处理的角度，理论分析了融合雷达系统进行多目标位移测量时存在的问题，并通过数值仿真描述了该问题；进一步，讨论了融合雷达系统的改进方案，在此基础上设计了改进融合雷达的系统结构，并从信号处理的角度，理论分析了改进融合雷达进行多目标位移测量的可行性。

目录

封面

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 微波雷达距离/位移测量系统的国内外现状

1.3 论文研究的主要内容

1.4 本章小结

2 面向结构位移监测的微波雷达系统研究方案

2.1 基于地基雷达测量系统的建筑结构位移监测分析

2.2 目标三维位移测量的原理与要求分析

2.3 微波雷达系统选型及系统研究方案

2.4 本章小结

3 多普勒雷达高精度位移测量系统

3.1 位移测量原理

3.2 相位解调分析

3.3 基于时间数字转换器的相位解调方案

3.4 基于时间数字转换器的外差式多普勒雷达系统设计

3.5 基于时间数字转换器的干涉雷达系统搭建

3.6 系统位移实验研究

3.7 本章小结

4 线性调频连续波雷达多目标位移测量系统

4.1 目标距离/位移测量原理

4.2 差拍信号的有效时间长度分析

4.3 线性调频连续波雷达的多目标高精度位移测量分析

4.4 目标位移测量精度影响因素分析

4.5 LFMCW雷达系统搭建

4.6 位移实验研究

4.7 本章小结

5 多普勒雷达与线性调频连续波雷达的融合系统与分析

5.1 多普勒雷达与线性调频连续波雷达的融合系统

5.2 多普勒雷达与线性调频连续波雷达的改进融合系统

5.3 本章小结

6 全文总结及后续工作展望

6.1 全文总结

6.2 论文创新点

6.3 研究不足及工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利目录

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目