CN107607923A - 基于lfmcw雷达的振动监测系统与信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LFMCW雷达的振动监测系统以及信号处理方法，该系统所述振动监测系统包括雷达收发器、调谐信号发生器、数据采集模块、信号处理模块和显示与分析模块。信号处理方法包含以下步骤：步骤1，截取每个扫频周期时间内的有效基带差拍信号，并生成复差拍信号；步骤2，估计差拍频率；步骤3，利用近似极大似然估计算法进行相位估计；步骤4，对估计的初始相位时间序列进行相位跳变纠正处理；步骤5，提取振动位移时域信息。本发明利用LFMCW雷达进行非接触式振动运动感知，通过对每个扫频周期时间内的差拍信号的初始相位进行精确估计，提取出振动位移时域信息，能够满足极端环境以及中短距离的目标物体振动监测需求。

Description

基于LFMCW雷达的振动监测系统与信号处理方法

技术领域

本发明涉及振动监测技术领域，尤其涉及一种基于LFMCW雷达的振动监测系统与信 号处理方法，其中LFMCW表示线性调频连续波。

背景技术

振动监测广泛应用在生产、生活的各种领域，是实现状态监测与故障诊断的重要手 段。一般地，振动监测由接触式传感器，如加速度计，感知振动运动，通过后续的信号 处理提取出振动的位移、频率等信息。基于微波雷达的运动感知技术，属于一种非接触 式测量技术，可在恶劣环境下稳定工作，且不受雨雪等天气条件的影响，能够实现全天 候的监测测量，目前已应用在人体生命体征监测以及大型桥梁的振动监测领域。其中， 连续波(Continuous Wave,简称CW)雷达对运动信息比较敏感，能够感知微小的振动 位移变化，通过提取调制相位信息，得到振动的位移时域信息。但是CW雷达的基带信 号中往往存在较大的直流偏移，且在低信噪比的情况下，很难进行精确的直流偏移补偿， 难以实现振动位移的高精度监测。另外，由于CW雷达缺乏距离信息，难以实现多目标 物体监测，无法有效消除背景噪声干扰。另一方面，线性调频连续波(Linear Frequency Modulation ContinuousWave,简称LFMCW)雷达具备距离感知能力，能够区分多目标 物体。

LFMCW雷达发射线性调频的连续波并接收目标散射的电磁回波，将回波与本振信号 混频、滤波得到中频基带差拍信号。通过估计差拍信号的频率，得到目标距离雷达的距离信息，但受雷达发射带宽的限制，距离分辨力有限，难以提取振动引起的微小距离变 化。为了进行有效的振动监测，精确提取目标物体振动位移时域信息，需要基于雷达干 涉测量技术，利用差拍信号中相位的演变准确提取振动位移信息。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于LFMCW雷达的振动监测系统与信号处理方 法，利用LFMCW雷达进行振动运动感知，通过估计每个扫频周期内差拍信号的初始相位，得到对应的相位演变序列，进而推算出目标物体的振动位移时域信息，实现高精度振动 监测。

为实现上述目，本发明是根据以下技术方案实现的：

本发明的一种基于LFMCW雷达的振动监测系统，包括：

雷达收发器，用于产生雷达发射波，并接收散射回来的回波，通过放大、混频及 滤波处理得到中频基带差拍信号；

调谐信号发生器，用于产生周期性的线性调制波电压信号，以控制雷达收发器产生线性调频的发射波；

数据采集模块，用于对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和调制波信号进行ADC数据采集；

信号处理模块，用于对中频基带差拍信号进行信号处理，估计每个扫频周期时间内差拍信号的初始相位，提取振动位移时域信息；

显示与分析模块，用于显示检测目标的振动位移时域信息并进行分析处理，实现状态监测与故障诊断的目的。

上述技术方案中，所述雷达收发器包括压控振荡器、功率分配器、功率放大器、 低噪声放大器、正交混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线，其中所述压控振动器 与所述功率分配器相连，所述功率分配器与所述功率放大器相连，所述功率放大器与所 述发射天线相连，信号由所述压控振荡器产生，经过所述功率分配器进行分配，一路信 号经过所述功率放大器进行放大，通过所述发射天线向空间发射电磁波，另一路信号传 输至与所述功率分配器相连的所述正交混频器。所述接收天线与所述低噪声放大器相连， 所述低噪声放大器产生的放大信号流向所述正交混频器，与所述功率分配器流出的信号 进行正交混频，混频后的信号流向所述低通滤波器。

上述技术方案中，所述的信号处理模块包括：信号预处理单元、差拍频率估计单元、相位估计单元和振动位移提取单元，其中所述信号预处理单元与所述差拍频率估计 单元连接，所述差拍频率估计单元与所述相位估计单元连接，所述相位估计单元与所述 振动位移提取单元连接。

上述技术方案中，所述数据采集模块对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和调制波信号进行同步采样；或者所述数据采集模块由调制波信号提供同步信号，触发同步 采集I通道、Q通道基带信号。

本发明的一种基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，是根据上述基于LFMCW雷达的振动监测系统实现的，包括下述步骤：

步骤1：截取每个扫频周期时间内的有效基带差拍信号，结合截取的I通道信号I(t) 和Q通道信号Q(t)生成复差拍信号S_B(t)，其中S_B(t)＝I(t)+j*Q(t)，式中j为虚数单位；

步骤2：对复差拍信号的频率f_b进行估计；

步骤3：对截取的每个扫频周期时间内的复差拍信号进行初始相位估计；

步骤4：对估计的初始相位时间序列进行相位跳变纠正处理；

步骤5：根据得到的初始相位时间序列，推算出振动位移时域信息。

上述技术方案中，所述步骤1中的有效基带差拍信号以调制波信号为同步信号。

上述技术方案中，所述步骤2中对差拍信号的频率f_b的估计方法为快速傅里叶变换，如下式所示：

式中：为差拍频率估计值，表示寻找取得最大值的参数f的运算，f 的取值范围为0到f_s/2，f_s为采样频率，abs(·)表示复数幅值运算，F{·}表示快速傅 里叶变换运算。

上述技术方案中，所述步骤3中复差拍信号初始相位的估计方法为近似极大似然估计方法，如下式所示：

式中：表示第i个扫频周期时间 内复差拍信号的初始相位，arg[·]表示取复数相位角运算，T_s为采样间隔时间，N为单 扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数。

上述技术方案中，所述步骤4进行相位跳变纠正处理的方法是：通过判定相邻扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值的差异是否大于一个定值Δ，如果大于此定值，则认为发生了相位跳变，将第二个值加上或者减去2Δ以使两相位的差小于此定值。

上述技术方案中，所述步骤5中由初始相位时间序列推算振动位移时域信息的方法为：

沿着雷达视线的振动位移的时间序列x(iT)可表示为：

式中：mean(·)表示取平均值运算，

利用雷达与监测目标振动方向的几何位置关系，可以得到所监测目标的振动位移时 间序列d(iT)如下式所示：

式中：θ为雷达中心视线与振动方向的夹角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明能够以非接触式的方式感知目标物体的振动运动并进行实时监测，能够满足极端环境以及中短距离范围内的目标物体振动监测需求，可以在各种气候、天气条件 下全天候工作。利用LFMCW雷达的距离分辨能力，可以区分雷达视线中处于不同距离单 元的目标物体，有效隔离其他物体的干扰。模块化设计以及高效的信号处理模块实现了 良好的系统集成性和高精度的振动位移监测。

此外，本发明提供的信号处理方法，通过对每个扫频周期时间内的差拍信号的初始相位进行精确估计，推算出振动位移时域信息，实现了高精度的振动位移监测。基于 近似的极大似然相位估计算法，抗噪能力强，估计精度高，且具有较小的计算量，能够 满足实时监测的需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基于LFMCW雷达振动监测示意图；

图2为本发明的基于LFMCW雷达振动监测系统的结构框图；

图3为本发明的基于LFMCW雷达振动监测系统的雷达收发器结构示意图；

图4为本发明的基于LFMCW雷达振动监测系统的信号处理模块结构单元示意图；

图5为本发明的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法的流程图；

图6为本发明实施例中锯齿波调制的LFMCW雷达发射与接收信号的时频关系示 意图；

其中，1-LFMCW雷达，2-被监测振动目标。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

本发明的一种基于LFMCW雷达的振动监测系统，采用线性调频连续波雷达监测目标 物体的振动运动，基于雷达干涉技术原理，通过估计基带差拍信号的初始相位时间序列， 提取振动位移时域信息。参见图1，展示了基于LFMCW雷达的振动监测示意图，雷达天线面对监测目标，雷达中心视线与待测振动方向的夹角为θ。因此振动位移d(t)与雷达 在中心视线方向上感应的运动变化x(t)的关系如下：

如图2所示，一种基于LFMCW雷达的振动监测系统，本发明的一种基于LFMCW雷达的振动监测系统，包括：

雷达收发器，用于产生雷达发射波，并接收散射回来的回波，通过放大、混频及滤波处理得到中频基带差拍信号；

调谐信号发生器，用于产生周期性的线性调制波电压信号，以控制雷达收发器产生 线性调频的发射波；

数据采集模块，用于对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和调制波信号进行ADC数据采集；

信号处理模块，用于对中频基带差拍信号进行信号处理，估计每个扫频周期时间内差拍信号的初始相位，提取振动位移时域信息；

显示与分析模块，用于显示检测目标的振动位移时域信息并进行分析处理，实现状态监测与故障诊断的目的。

具体地，如图3所示，雷达收发器包括压控振荡器(VCO)、功率分配器、功率放 大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、正交混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线， 其中压控振动器与功率分配器相连，功率分配器与功率放大器和正交混频器分别相连， 功率放大器与发射天线相连，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与正交混频 器相连，正交混频器与低通滤波器相连。调谐信号发生器产生周期性的调制波信号，如 典型的锯齿波电压信号，连接雷达收发器的VCO，由VCO控制产生线性调频的射频波， 经功率分配器分为两路。一路经PA放大后通过发射天线发射调频电磁波，另一路作为 本振信号与接收信号进行正交混频，混频后的信号经过低通滤波器产生I/Q通道中频基 带差拍信号，分别为I(t)和Q(t)。由目标散射的回波信号被雷达接收天线接收，经过 LNA后与本振信号进行正交混频。本实施例以锯齿波为调谐信号进行后续的信号处理 说明。

参见图2，两通道基带差拍信号I(t)和Q(t)，以及由调谐信号发生器产生的调制波信号通过数据采集模块进行同步采集，以维持雷达相位估计中的相干特性。

所述的信号处理模块包括：信号预处理单元、差拍频率估计单元、相位估计单元和振动位移提取单元，其中所述信号预处理单元与所述差拍频率估计单元连接，所述差 拍频率估计单元与所述相位估计单元连接，所述相位估计单元与所述振动位移提取单元 连接。信号预处理单元用于结合调制波信号，同步截取每个扫频周期的基带差拍信号。 通过对截取的基带差拍信号进行快速傅里叶变换，索引频谱幅值峰值，估计出差拍频率 值。相位估计单元通过近似的极大似然估计算法估计每个扫频周期的差拍信号初始相位。 振动位移提取单元用于对估计的相位序列进行相位跳变的纠正、去平均值操作，并推算 出振动位移时域信息。

数据采集模块对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和调制波信号进行同步采样；或者所述数据采集模块由调制波信号提供同步信号，触发同步采集I通道、Q通道基带 信号。

显示与分析模块，用于对信号处理模块得到的振动位移时域信息进行图形显示，以 及利用现有振动分析技术对所检测目标振动状况进行分析，例如振幅、频率等物理量的提取，以实现对目标对象进行状态监测与故障诊断的目的。

本发明的一种基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，是根据上述基于LFMCW雷达的振动监测系统实现的，如图5所示，包括下述步骤：

步骤1：截取每个扫频周期时间内的有效基带差拍信号，结合截取的I通道信号I(t) 和Q通道信号Q(t)生成复差拍信号S_B(t)，通过对多个扫频周期时间内的基带差拍信号和调制波信号的同步采样，利用调制波信号实现每个扫频周期有效差拍信号的截取，使 截取的每个扫频周期差拍信号的时钟同步，可利用雷达干涉技术进行后续的相位估计。 如图6所示，本实施例以锯齿波调制信号为例，对截取的每个扫频周期的两路差拍信号 进行结合，生成复差拍信号S_B(t)，如下式所示：

S_B(t)＝I(t)+j*Q(t)，式中:j为虚数单位。

一般地，由于扫频周期时间T较短，振动位移在单个扫频周期时间内可近似为恒定值，对于第i个扫频周期的复差拍信号的信号模型可表示为：

其中，式中：σ为幅值，f_b为差拍频率，为第i个扫频周期时间内差拍信号的初始相位，f₀为调制起始时刻的 发射波频率，c为电磁波传播速度，K为调制带宽的斜率，x(iT)为第i个扫频周期时间 内的振动位移值，R₀为目标物体振动平衡位置与雷达天线的距离，λ₀为调制起始时刻 的发射波波长，λ_c为调制中间时刻的发射波波长。

步骤2：对差拍信号的频率f_b进行估计，利用快速傅里叶变换对任一个扫频周期时间内差拍频率的估计公式，如下所示：

式中：为差拍频率估计值，表示寻 找取得最大值的参数f的运算，f的取值范围为0到f_s/2，f_s为采样频率，abs(·)表 示复数幅值运算，F{·}表示快速傅里叶变换运算。

步骤3：对截取的每个扫频周期时间内的复差拍信号分别进行初始相位的估计。由于使用快速傅里叶变换得到的跟理想的真实值有一定的差距，因此使用近似极大似然估计算法来估计差拍信号的初始相位如下式所示：

式中：表示第i个扫频周期时间 内复差拍信号的初始相位，arg[·]表示取复数相位角运算，T_s为采样间隔时间，N为单 扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数。

步骤4：对估计的初始相位时间序列进行相位跳变纠正处理。所述步骤4进行相位跳变纠正处理的方法是：通过判定相邻扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值的差异是否大于一个定值Δ，如果大于此定值，则认为发生了相位跳变，将第二个值加上或 者减去2Δ以使两相位的差小于此定值。

在具体实施例中，如果步骤3中的取复数相位角运算使初始相位角的估计值范围限定在[-π,π]，因此当振动位移较大时，会产生相位的跳变。通过判定相邻扫频周期时 间内差拍信号的初始相位估计值的差异是否大于一个定值，如π，如果大于此定值， 则认为发生了相位跳变，将第二个值加上或者减去2π以使两相位的差小于此定值。

步骤5：由步骤4中得到的初始相位时间序列，推算出振动位移时域信息。沿着雷达视线的振动位移的时间序列x(iT)可表示为：

式中：mean(·)表示取平均值运算。

利用雷达与监测目标振动方向的几何位置关系，可以得到所监测目标的振动位移时 间序列d(iT)如下式所示：

式中：θ为雷达中心视线与振动方向的夹角。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于LFMCW雷达的振动监测系统，其特征在于，包括：

雷达收发器，用于产生雷达发射波，并接收散射回来的回波，通过放大、混频及滤波处理得到中频基带差拍信号；

调谐信号发生器，用于产生周期性的线性调制波电压信号，以控制雷达收发器产生线性调频的发射波；

数据采集模块，用于对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和调制波信号进行ADC数据采集；

信号处理模块，用于对中频基带差拍信号进行信号处理，估计每个扫频周期时间内差拍信号的初始相位，提取振动位移时域信息；

显示与分析模块，用于显示检测目标的振动位移时域信息并进行分析处理，实现状态监测与故障诊断的目的。

2.根据权利要求1所述的基于LFMCW雷达的振动监测系统，其特征在于，所述雷达收发器包括压控振荡器、功率分配器、功率放大器、低噪声放大器、正交混频器、低通滤波器、发射天线和接收天线，其中所述压控振动器与所述功率分配器相连，所述功率分配器与所述功率放大器相连，所述功率放大器与所述发射天线相连，信号由所述压控振荡器产生，经过所述功率分配器进行分配，一路信号经过所述功率放大器进行放大，通过所述发射天线向空间发射电磁波，另一路信号传输至与所述功率分配器相连的所述正交混频器。所述接收天线与所述低噪声放大器相连，所述低噪声放大器产生的放大信号流向所述正交混频器，与所述功率分配器流出的信号进行正交混频，混频后的信号流向所述低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的基于LFMCW雷达的振动监测系统，其特征在于，所述的信号处理模块包括：信号预处理单元、差拍频率估计单元、相位估计单元和振动位移提取单元，其中所述信号预处理单元与所述差拍频率估计单元连接，所述差拍频率估计单元与所述相位估计单元连接，所述相位估计单元与所述振动位移提取单元连接。

4.根据权利要求1所述的基于LFMCW雷达的振动监测系统，其特征在于，所述数据采集模块对I通道和Q通道的中频基带差拍信号和线性调制波电压信号进行同步采样；或者所述数据采集模块由线性调制波电压信号提供同步信号，触发同步采集I通道、Q通道基带信号。

5.一种基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，是根据权利要求1至4任一项所述的基于LFMCW雷达的振动监测系统实现的，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：截取每个扫频周期时间内的有效基带差拍信号，结合截取的I通道信号I(t) 和Q通道信号Q(t)生成复差拍信号S_B(t)，其中S_B(t)＝I(t)+j*Q(t)，式中j为虚数单位；

步骤2：对复差拍信号的频率f_b进行估计；

步骤3：对截取的每个扫频周期时间内的复差拍信号进行初始相位估计；

步骤4：对估计的初始相位时间序列进行相位跳变纠正处理；

步骤5：根据得到的初始相位时间序列，推算出振动位移时域信息。

6.根据权利要求5所述的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，其特征在于，所述步骤1中的有效基带差拍信号以调制波信号为同步信号。

7.根据权利要求5所述的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2中对差拍信号的频率f_b的估计方法为快速傅里叶变换，如下式所示：

式中：为差拍频率估计值，表示寻找取得最大值的参数f的运算，f的取值范围为0到f_s/2，f_s为采样频率，abs(·)表示复数幅值运算，F{·}表示快速傅里叶变换运算。

8.根据权利要求5所述的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，其特征在于，所述步骤3中复差拍信号初始相位的估计方法为近似极大似然估计方法，如下式所示：

式中：表示第i个扫频周期时间内复差拍信号的初始相位，arg[·]表示取复数相位角运算，T_s为采样间隔时间，N为单扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数。

9.根据权利要求5所述的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，其特征在于，所述步骤4进行相位跳变纠正处理的方法是：通过判定相邻扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值的差异是否大于一个定值Δ，如果大于此定值，则认为发生了相位跳变，将第二个值加上或者减去2Δ以使两相位的差小于此定值。

10.根据权利要求5所述的基于LFMCW雷达振动监测的信号处理方法，其特征在于，所述步骤5中由初始相位时间序列推算振动位移时域信息的方法为：

沿着雷达视线的振动位移的时间序列x(iT)可表示为：

式中：mean(·)表示取平均值运算，

利用雷达与监测目标振动方向的几何位置关系，可以得到所监测目标的振动位移时间序列d(iT)如下式所示：

式中：θ为雷达中心视线与振动方向的夹角。