本發(fā)明涉及一種雷達(dá)，特別是一種面向大型結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測的有源異頻收發(fā)式微波雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著國家現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大型建筑如橋梁，高樓等已成為保證人民正常生活、國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，因此大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)蛻變、保障其運(yùn)行安全具有重要意義。由于位移形變能夠從宏觀層面反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此位移形變監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。

利用電磁波在空間傳播距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量；電磁波對(duì)雨霧霾有很好的穿透性能夠適應(yīng)惡劣的天氣，從而實(shí)現(xiàn)全天候的監(jiān)測；同時(shí)電磁波波束具有發(fā)散性，因此一個(gè)發(fā)射端可以對(duì)應(yīng)多個(gè)接收端反射端，因此可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的測量。微波雷達(dá)形變測量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測存在巨大開發(fā)潛力。其中常見的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的是多普勒雷達(dá)位移測量系統(tǒng)。但現(xiàn)目前的多普勒雷達(dá)測量系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)：

1、系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線靠的比較近，接收天線不僅可以接收到目標(biāo)反射回的微波，還能接收到發(fā)射天線泄漏的旁瓣的微波信號(hào)；在距離較遠(yuǎn)的回波信號(hào)較弱情況下，干擾非常嚴(yán)重，測量精度較低。

2、多路徑反射：接收天線不僅可以接收目標(biāo)反射回來的微波，還可以接收到目標(biāo)周圍其他物體或地面反射回的微波信號(hào)。測量精度偏低。

3、電磁波損耗：系統(tǒng)在目標(biāo)處采用無源角反射器反射微波，而電磁波在空間的傳播損耗較大，因此接收信號(hào)極其微弱，信噪比較低，測量距離受限。

4、不能進(jìn)行多目標(biāo)測量：鑒相單元只能解調(diào)2以內(nèi)的相位差，當(dāng)多個(gè)目標(biāo)安裝角反射器的時(shí)候，無法分辨不同的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種面向大型結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測的有源異頻收發(fā)式微波雷達(dá)系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種面向大型結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測的有源異頻收發(fā)式微波雷達(dá)系統(tǒng)，包括射頻信號(hào)源S₀、第一功分器12、第一環(huán)形器14、第一混頻器16、第一解調(diào)器18、鑒相單元19、射頻信號(hào)源S₁、第二功分器22、第二環(huán)形器24、第二混頻器26、第二解調(diào)器28；

射頻信號(hào)源S₀發(fā)出的微波信號(hào)經(jīng)第一功分器12分成信號(hào)S_0t和信號(hào)S_0ref，信號(hào)S_0t經(jīng)過第一環(huán)形器14由A組天線的第一天線單元發(fā)射，A組天線的第二天線單元接收A組天線的第一天線單元發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)第二環(huán)形器生成信號(hào)S_0re；

射頻信號(hào)源S₁發(fā)出的向波信號(hào)經(jīng)第二功分器22分成信號(hào)S_1t和信號(hào)S_1ref，信號(hào)S_1t經(jīng)過第二環(huán)形器由A組天線的第二天線單元發(fā)射，A組天線的第一天線單元接收A組天線的第二天線單元發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)第一環(huán)形器14生成信號(hào)S_1re；

信號(hào)S_0ref和信號(hào)S_1re在第一混頻器16中混頻生成參考信號(hào)S_ref；

信號(hào)S_1ref和信號(hào)S_0re在第二混頻器26中混頻生成信號(hào)S_M，信號(hào)S_M被第二解調(diào)器28調(diào)頻至微波頻段，再經(jīng)B組天線的第一天線單元發(fā)射，B組天線的第二天線單元接收第一天線單元發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)第一解調(diào)器18生成測量信號(hào)S_mea；

參考信號(hào)S_ref與測量信號(hào)S_mea經(jīng)鑒相單元19后得到相位差，即可得到形變位移量。

進(jìn)一步，還包括第一功率放大器13，第一功率放大器連接于第一功分器與第一環(huán)形器之間。

進(jìn)一步，還包括第二功率放大器15，第二功率放大器連接于第一環(huán)形器與第一混頻器之間。

進(jìn)一步，還包括第三功率放大器23，第三功率放大器連接于第二環(huán)形器與第二功分器之間。

進(jìn)一步，還包括第四功率放大器25，第四功率放大器連接于第二環(huán)形器與第二混頻器之間。

進(jìn)一步，還包括第一低通濾波器17，所述第一低通濾波器連接于第一混頻器與鑒相單元之間。

進(jìn)一步，還包括第二低通濾波器27，所述第二低通濾波器連接于第二混頻器與第二調(diào)節(jié)器之間。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1、發(fā)射接收異頻消除天線間的微波泄漏：只要解調(diào)器和解調(diào)器的載波頻率與兩個(gè)射頻源的頻率不在一個(gè)頻段上，那么A組天線和B組天線即使靠的很近也不會(huì)互相干擾。

2、消除多路徑反射：由于發(fā)射端與接收端的兩個(gè)信號(hào)源的頻率不相同，而被測點(diǎn)附近其他物體無源反射的電磁波與發(fā)射電磁波同頻，因此同頻信號(hào)進(jìn)入混頻器經(jīng)過低通濾波后很容易被剔出。

3、有源反射接收端設(shè)計(jì)提高測量距離：相比較多普勒雷達(dá)系統(tǒng)角反射器無源反射的方式，接收端采用有源主動(dòng)發(fā)射電磁波可以提高空間電磁波的能量，因此測量距離大幅提高。

4、可多目標(biāo)測量：不同的接收端的的射頻源S，頻率設(shè)置不同，因此最終進(jìn)入鑒相單元的信號(hào)頻率九一不同，因此很容易區(qū)別各個(gè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多點(diǎn)的測量。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為本發(fā)明的有源異頻收發(fā)式微波雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖；

圖2為19米距離下毫米級(jí)形變監(jiān)測結(jié)果圖；

圖3為200米距離下毫米級(jí)形變監(jiān)測結(jié)果圖；

圖4為400米距離下毫米級(jí)形變結(jié)果圖；

圖5為600米距離下毫米級(jí)形變結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種面向大型結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測的有源異頻收發(fā)式微波雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于：包括射頻信號(hào)源S₀11、第一功分器12、第一功率放大器13、第一環(huán)形器14、第二功率放大器15、第一混頻器16、第一低通濾波器17、第一解調(diào)器18、相位比較器19、射頻信號(hào)源S₁21、第二功分器22、第三功率放大器23、第二環(huán)形器24、第四功率放大器25、第二混頻器26、第二低通濾波器27、第二解調(diào)器28；

射頻信號(hào)源S₀發(fā)出的微波信號(hào)經(jīng)第一功分器12分成信號(hào)S_0t和信號(hào)S_0ref，信號(hào)S_0t被第一功率放大器13放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過第一環(huán)形器14由A組天線的第一天線單元發(fā)射，A組天線的第二天線單元接收A組天線的第一天線單元發(fā)射的信號(hào)，依次經(jīng)第二環(huán)形器24和第四功率放大器25生成信號(hào)S_0re；

射頻信號(hào)源S₁發(fā)出的向波信號(hào)經(jīng)第二功分器22分成信號(hào)S_1t和信號(hào)S_1ref，信號(hào)S_1t被第三功率放大器23放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器由A組天線的第二天線單元發(fā)射，A組天線的第一天線單元接收A組天線的第二天線單元發(fā)射的信號(hào)，依次經(jīng)第一環(huán)形器14和第二功率放大器15生成信號(hào)S_1re；

信號(hào)S_0ref和信號(hào)S_1re在第一混頻器16中混頻，混頻后的信號(hào)經(jīng)第一低通濾波器17后生成參考信號(hào)S_ref；

信號(hào)S_1ref和信號(hào)S_0re在第二混頻器26中混頻，混頻后的信號(hào)經(jīng)第二低通濾波器27后生成信號(hào)S_M，信號(hào)S_M被第二解調(diào)器28調(diào)頻至微波頻段，再經(jīng)B組天線的第一天線單元發(fā)射，B組天線的第二天線單元接收第一天線單元發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)第一解調(diào)器18生成測量信號(hào)S_mea；

參考信號(hào)S_ref與測量信號(hào)S_mea經(jīng)相位比較器19后得到相位差，即可得到形變位移量。

假設(shè)兩個(gè)射頻信號(hào)源信號(hào)S₀和S₁表達(dá)式為(相應(yīng)的S_0t、S_0ref和S_1t、S_1ref與各自信號(hào)源表達(dá)式相同，僅僅是幅值不一樣)

S₀＝A₀ cos(2πf₀t+φ₀) (16)

S₁＝A₁ cos(2πf₁t+φ₁) (17)

S_0t和S_1t。經(jīng)過相距R的A組天線發(fā)送和接收后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位延時(shí)，則兩邊天線接收到的信號(hào)S_0re和S_1re的表達(dá)式為：

其中，R為空間距離，c為電磁波傳播速度。

S_1ref和S_1re混頻低通濾波后的信號(hào)S_M、S_0ref和S_1re混頻低通濾波后的信號(hào)S_ref表達(dá)式如下：

S_M信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后，再經(jīng)過B組天線發(fā)射和接收，然后解調(diào)出來的信號(hào)S_mea將再次相對(duì)于S_M產(chǎn)生一個(gè)空間距離R的時(shí)延，因此S_mea信號(hào)表達(dá)式如下：

比較S_ref和S_mea的表達(dá)式可以知道，他們之間的相位差為：

對(duì)式(23)進(jìn)行微分，則將位移表達(dá)式為:

因此，鑒相單元只需要采集解調(diào)出S_ref和S_mea的相位差，位移量便可監(jiān)測。

從S_ref和S_mea的表達(dá)式中可以看出，只要微波射頻源S₀和S₁的頻率f₀和f₁選擇適當(dāng)，最后采集處理的信號(hào)頻率f₁-f₀可以變的很低。

圖2～5為利用上述系統(tǒng)在戶外分別做了不同距離下對(duì)毫米級(jí)形變測量的結(jié)果，結(jié)果表明

1、有源反射系統(tǒng)的采用使得接收能量增加，因此測量距離具有上千米的潛力。

2、測量距離增加不會(huì)使得測量精度惡化，測量精度式中保持在亞毫米級(jí)以上。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。