[发明专利]一种基于毫米波的振动测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，包括用于发射和接收微波波束的天线阵列单元(1)，所述天线阵列单元(1)依次通过毫米波收发单元(2)和基带信号处理单元(3)连接至数据采集及处理单元(4)；

所述毫米波收发单元(2)用于生成毫米波信号并对信号进行处理且传输至所述天线阵列单元(1)，还用于对所述天线阵列单元(1)接收的毫米波信号进行处理生成接收毫米波信号的正交分量Q和同相分量I，且将所述正交分量Q和同相分量I传输至所述基带信号处理单元(3)；

所述基带信号处理单元(3)用于对所述正交分量Q和同相分量I依次进行放大和滤波后发送至所述数据采集及处理单元(4)，所述数据采集及处理单元(4)用于根据所述接收信号的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。

2.如权利要求1所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述毫米波收发单元(2)由信号发射单元和信号接收单元组成；

所述信号发射单元包括本机振荡器(28)，所述本机振荡器(28)的信号输出端通过功率放大器(27)连接至第二功分器(26)的信号输入端，所述第二功分器(26)的第一信号输出端连接至所述信号接收单元，第二信号输出端连接至环形器(21)的第二端口；所述环形器(21)的第一端口通过单刀双掷开关(29)连接至所述天线阵列单元(1)，第三端口连接至所述信号接收单元；

所述信号接收单元包括与所述环形器(21)第三端口连接的低噪声放大器(22)，所述低噪声放大器(22)的信号输出端连接至第一功分器(23)的信号输入端，所述第一功分器(23)的第一信号输出端通过移项器(24)连接至第一混频器(25)的第一信号输入端，所述第一功分器(23)的第二信号输出端连接至第二混频器(20)的第一信号输入端；

所述第一混频器(25)的第二信号输入端和第二混频器(20)的第二信号输入端均连接至所述第二功分器(26)的第一信号输出端；所述第一混频器(25)和第二混频器(20)的信号输出端均连接至所述基带信号处理单元(3)；

所述第一混频器(25)用于将接收信号的正交分量Q发送至所述基带信号处理单元(3)，所述第二混频器(20)用于将接收信号的同相分量I发送至所述基带信号处理单元(3)；

所述环形器(21)的信号传输路径为第二端口传输至第一端口、第一端口传输至第三端口。

3.如权利要求2所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述基带信号处理单元(3)包括与所述第一混频器(25)的信号输出端连接的第一基带信号放大器(31)和与所述第二混频器(20)的信号输出端连接的第二基带信号放大器(35)，所述第一基带信号放大器(31)和第二基带信号放大器(35)的信号输出端均连接至所述数据采集及处理单元(4)；

所述基带信号处理单元(3)还包括三角波发生器(32)，所述三角波发生器(32)信号输出端连接至所述本机振荡器(28)的信号输入端，所述三角波发生器(32)的信号输入端连接至所述数据采集及处理单元(4)的信号输出端。

4.如权利要求2或3所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述天线阵列单元(1)包括发射天线阵列(11)和接收天线阵列(12)。

5.一种数据处理算法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述的一种基于毫米波的振动测量装置，具体方法为：

将三角波生成参数信息发送至三角波产生装置(32)，所述三角波产生装置(32)根据所述三角波生成参数信息生成三角波并发送至信号发射单元，所述信号发射单元根据所述三角波生成毫米波信号并通过发射天线阵列(11)发出；

通过接收天线阵列(12)接收待测风机反射回来的毫米波信号，并通过信号发射单元提取出反射回来的毫米波信号的正交分量Q和同相分量I；

对所述正交分量Q和同相分量I进行放大和滤波处理，并根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。

6.如权利要求5所述的一种数据处理算法，其特征在于，根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态的具体方法为：

定义参考信号的信号幅度为s_R(n)，其中，n＝1,2,3,...,N，N接收的毫米波信号的时间采集节点；

将所述参考信号的信号幅度s_R(n)与预设阈值T进行比较，得出使得s_R(n)＞T的每个时间采集节点i，i＝1,2,...,N，所述时间采集节点i为反射回来的毫米波信号中的每个波束的起始时间节点；

根据每个所述起始时间节点i得出反射回来的毫米波信号中每个周期的起始点集合N_S＝{i₁,i₂,...i_M}，其中，i_M为反射回来的毫米波信号中第M个波束的起始时间节点，M为反射回来的毫米波信号中波束的总数；

将反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的同相分量I和正交分量Q均进行差值运算并结合，得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的相位变化值d(r)＝[s_I(i_r+1)-s_I(i_r)]+j[s_Q(i_r+1)-s_Q(i_r)]，所述相位变化值即为待测风机的相对振动值，其中，r＝1,2,...,M-1；

根据d(r)计算得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的连续变化相位值d(r+p)＝[s_I(i_r+1+p)-s_I(i_r+p)]+j[s_Q(i_r+1+p)-s_Q(i_r+p)]，所述连续变化相位值即为待测风机的连续振动值，其中，p为反射回来的毫米波信号中每个波束中包含的时间节点的个数。