面向大型結(jié)構(gòu)的多普勒-調(diào)頻連續(xù)波雷達無源目標位移測量系統(tǒng)研究.pdf

1、大型基礎(chǔ)建筑設(shè)施是保障國家經(jīng)濟發(fā)展、人民正常生活的重要硬件，而建筑設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測則是保證建筑設(shè)施安全運行的重要手段。結(jié)構(gòu)位移/變形能夠全面反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷狀態(tài)，因而是評估其結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。在常用結(jié)構(gòu)位移測量儀器中，地基干涉雷達具有突出優(yōu)點，但由于產(chǎn)品專利保護、技術(shù)封鎖，在國內(nèi)該儀器的售價高達上百萬，嚴重限制了其在國內(nèi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的推廣應用。
　　針對這一問題，為了開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的地基微波雷達系統(tǒng)，本文以實現(xiàn)建筑

2、結(jié)構(gòu)三維位移測量為目的，在分析三維位移高精度測量要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合常用微波雷達系統(tǒng)，完成了如下工作：
　?、僖越ㄖY(jié)構(gòu)三維位移高精度測量為目標，以具體的建筑為例討論了其三維位移監(jiān)測的方案，分析了選用無源目標開展地基雷達研究的原因，簡要探討了由無源目標引起的研究難度；利用目標空間坐標關(guān)系、泰勒級數(shù)近似及最小二乘法，詳細推導了目標三維位移的測量原理，闡明了目標三維位移與目標到雷達間距離、距離變化的關(guān)系。進一步，在總結(jié)常用微波雷達系統(tǒng)研

3、究應用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于多普勒雷達和線性調(diào)頻連續(xù)波（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，LFMCW）雷達的結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測微波雷達系統(tǒng)方案。
　?、谠诙嗥绽绽走_方面，詳細闡述了其干涉位移測量原理。針對多普勒雷達常用相位解調(diào)結(jié)構(gòu)的非平衡、偏置問題，提出了基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time-to-Digital Converter，TDC）的相位解調(diào)方案，并設(shè)計了基于TDC的外差式多普勒

4、雷達系統(tǒng)；進而討論了外差式多普勒雷達中信號頻率的選擇，分析了雷達實際樣機的實現(xiàn)方案；采用誤差理論分析方法，理論推導了雷達實際樣機的位移測量分辨率、測量精度。在此基礎(chǔ)上，搭建了采用兩級外差結(jié)構(gòu)的多普勒雷達實驗樣機，開展了位移實驗；實驗結(jié)果表明該雷達樣機的距離測量精密度能夠達到12.9微米，能夠分辨以50微米步距間隔移動的目標；進一步針對雷達樣機的位移誤差問題，理論分析了多路徑、位移方向偏離、天線耦合三個因素對位移測量的影響，并討論了多普勒

5、雷達的應用局限性。
　?、厶岢隽嘶?LFMCW雷達差拍信號相位測量多目標位移的方法。利用離散傅里葉變換，詳細闡述了LFMCW雷達的距離/位移測量原理，理論分析了LFMCW雷達有效數(shù)據(jù)長度的選取原則；進而提出了基于LFMCW雷達的多目標位移測量方案，分析了采用差拍信號相位進行多目標位移測量的原理，并設(shè)計了保證差拍信號相干的LFMCW雷達系統(tǒng)。針對采樣信號的噪聲問題，利用噪聲頻譜分析方法，分別理論分析了隨機噪聲、量化噪聲對目標位移測

6、量精度的影響，討論了0.1毫米誤差對應的信噪比；進一步，針對頻譜泄露影響多目標位移測量的問題，進行了理論推導與數(shù)值仿真，明確了利用LFMCW雷達差拍信號相位進行多目標位移測量的可行性。在此基礎(chǔ)上，搭建了雷達系統(tǒng)樣機，分析了雷達樣機的非同步位移誤差；進而開展了室外位移實驗，單目標位移結(jié)果表明雷達樣機系統(tǒng)可以達到毫米級位移精度，三個目標位移結(jié)果驗證了LFMCW雷達能夠用于高精度多目標位移測量。
　?、軓男盘柦庹{(diào)的角度入手，提出了將多普