[发明专利]基于FMCW雷达的结构健康监测系统与方法

说明书

本发明提供了一种基于FMCW雷达的结构健康监测系统，包含雷达收发器与控制器；雷达收发器：产生并发射雷达电磁波，处理获得基带差拍信号；所述控制器包含以下模块：信号采集与处理模块：对基带差拍信号进行数据采集与信号处理，获得结构变形位移时域信息；特征提取与后处理模块：对结构变形位移时域信息进行特征提取，获得特征信息，执行结构健康状态评估操作。本发明还提供了一种使用上述基于FMCW雷达的结构健康监测系统的监测方法。本发明能够以非接触式的方式对大型结构多个部位同时进行结构微变形和静动态挠度等指标的实时监测，能够满足极端环境以及中短距离范围内的大型结构健康监测需求，可以在各种气候、天气条件下全天候稳定工作。

技术领域

本发明涉及结构监测技术领域，具体地，涉及基于FMCW雷达的结构健康监测系统与方法。

背景技术

大型结构，如大型桥梁、建筑物等在服役的过程中将承受各种载荷，并在长期使用的过程中自然老化，一旦出现损伤与破坏将会造成严重的财产损失与人员伤亡，因此有效的结构健康监测显得尤为重要，而结构的微变形及其静动态挠度是其中一个非常重要的指标。现有的结构监测方法一般为布置传感器网络，主要使用加速度传感器、全球定位系统(GPS)等。由于大型结构往往具有较低的固有频率，以加速度传感器为代表的接触式传感器的低频响应较差，且需要布置很多测点，整体监测系统繁杂且成本较高。基于GPS技术的大型结构的微变形监测精度一般在厘米量级，且由于需要布置大量传感器，成本亦居高不下。另外，户外大型结构的工作环境常常比较恶劣、复杂，亦对传感器的长期稳定工作提出了严峻的挑战。

对于大型结构的健康监测，基于视觉的非接触式测量技术近年来受到较多关注与研究，但该技术往往对监测环境条件(如光线)要求较高，且难以达到较高的测量精度。另一方面，基于微波的微动感知技术提供了一种低成本、高可靠性的无线传感测量手段。常规地，使用单频连续波雷达进行大型结构监测亦需要布置多个测点，以获取整个结构多个部位的结构变形信息，由于涉及到杂波干扰抑制等问题，整个监测系统亦相对复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于FMCW雷达的结构健康监测系统与方法。

根据本发明提供的基于FMCW雷达的结构健康监测系统，包含雷达收发器与控制器；

雷达收发器：产生并发射雷达电磁波，接收散射回来的电磁回波，对雷达电磁波与电磁回波进行处理获得基带差拍信号；

所述控制器包含以下模块：

信号采集与处理模块：对基带差拍信号进行数据采集与信号处理，获得结构变形位移时域信息；

特征提取与后处理模块：对结构变形位移时域信息进行特征提取，获得特征信息，执行结构健康状态评估操作。

优选地，雷达收发器的工作模式为线性调频连续波模式；

雷达收发器对雷达电磁波与电磁回波进行以下任一种或任多种方式处理后获得基带差拍信号：放大；混频；滤波。

优选地，所述雷达收发器包含调制波信号发生器、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、发射天线以及接收天线；

调制波信号发生器、压控振荡器、功率分配器的一端依次连接；功率分配器的另一端分别连接至功率放大器的一端、正交混频器的一端；功率放大器的另一端与发射天线相连；

接收天线、低噪声放大器、正交混频器的一端依次连接；正交混频器的另一端与低通滤波器相连。

优选地，基带差拍信号包含I通道基带差拍信号与Q通道基带差拍信号；调制波信号发生器产生调制波信号；

所述信号采集与处理模块包含以下单元：

信号采集单元：对I通道基带差拍信号、Q通道基带差拍信号以及调制波信号进行同步采样；或者，