面向結構健康監測的小型多普勒雷達系統設計
2022年電子技術應用第10期
馬 偉1，2，崔海濤1，朱曉曼1，胡長征1，胡偉波1，2
1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津 300350； 2.南開大學深圳研究院，廣東 深圳 518063
摘要： 直流電壓的校準是直接下變頻多普勒雷達準確探測振動的難點之一。介紹了一種用于結構健康監測的直流耦合多普勒雷達傳感系統，具有自適應DC校準和實時分析預警功能。通過對基帶輸出信號進行監測，自適應調整反饋電壓，有效放大有用信號，避免輸出飽和；基于LabVIEW軟件，通過搭建拓展的DACM算法架構和預警模塊，實現了信號的實時解調和分析處理。實驗結果表明，該傳感器系統的功耗小于10 W，能夠進行毫米級振動的探測，探測范圍可達200 m。為了檢驗系統的分析預警功能，人為引入損傷異常數據，仿真結果顯示假陽性發生概率低于1%，未發現假陰性情況的發生。
中圖分類號： TN958
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222756
中文引用格式： 馬偉，崔海濤，朱曉曼，等.面向結構健康監測的小型多普勒雷達系統設計[J].電子技術應用，2022，48(10)：150-155.
英文引用格式： Ma Wei, Cui Haitao, Zhu Xiaoman,et al. A miniature Doppler radar system design for structural health monitoring[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：150-155.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222756
中文引用格式： 馬偉，崔海濤，朱曉曼，等.面向結構健康監測的小型多普勒雷達系統設計[J].電子技術應用，2022，48(10)：150-155.
英文引用格式： Ma Wei, Cui Haitao, Zhu Xiaoman,et al. A miniature Doppler radar system design for structural health monitoring[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：150-155.
A miniature Doppler radar system design for structural health monitoring
Ma Wei1,2, Cui Haitao1, Zhu Xiaoman1, Hu Changzheng1, Hu Weibo1,2
1.College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2.Nankai University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518063, China
Abstract： One challenge of direct-conversion Doppler radar for accuracy vibration motion detection is the DC voltage presented in the receiving channel. This paper introduces a DC coupled Doppler radar system for structural health monitoring with adaptive DC calibration and real-time analysis and warning functions. By monitoring the baseband output signals, the feedback voltage can be adjusted adaptively to effectively amplify the useful signal and avoid saturation. Based on the LabVIEW, an extended DACM algorithm and an early warning module are built for real-time signal demodulation, analysis and early warning functions. Experimental results show that the total power consumption of the sensor system is less than 10 W. It realizes an excellent resolution of millimeter-scale vibration and the detection range is up to 200 m. Furthermore, the analysis and warning functions are also verified by introducing artificial abnormal damage data. The results show that the probability of false positive was less than 1%, and no false negative was found.
Key words : Doppler radar; DC coupling; vibration detection; structure health monitoring; extended DACM algorithm
0 引言
作為建筑物和機械結構健康監測系統的重要組成部分，振動監測是獲取目標健康狀態的一種有效方法，被廣泛應用于故障診斷和事故預警[1-3]。然而，由于振動本身的復雜性和測量環境的多樣性，精確的振動采集并不容易。最常見的監測方法有GPS測量、光纖傳感器測量和振動計測量等[4-6]。盡管振動測量技術已經取得了很大的進步，但一些具體應用在成本、精度、探測精度等方面提出了更高的要求[7]。近年來，由于半導體技術和先進處理算法的發展，非接觸式雷達傳感器受到了學術界和工業界的極大關注[8-9]。該方法具有精度高、魯棒性強等優點，是各種振動測量環境中最具吸引力的方法之一。大量新架構和信號提取方法被發表，其中許多已經成功集成到單片集成電路中，實現了低成本、高性能的便攜式監測系統[10-11]。
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作者信息：
馬 偉1，2，崔海濤1，朱曉曼1，胡長征1，胡偉波1，2
（1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津 300350；
2.南開大學深圳研究院，廣東 深圳 518063）
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