面向大型结构形变监测的有源异频收发式微波雷达系统

摘要

大型基础设施作为国民经济发展与人民幸福生活的基础，其结构健康与安全运行，受到全社会高度重视，而结构的位移形变是反应建筑结构健康状态的重要参数。在位移形变监测中，微波雷达技术具有全天候、远距离、高精度、低成本等方面的潜在优势，受到了各国研究者的关注。其中最具代表性的步进调频雷达系统，能在几百米测量距离的条件下、达到毫米级的形变测量精度，但其价格高昂、且技术垄断。为了打破国外技术垄断状态、突破价格瓶颈，开发出具由全天候，远距离，高精度，低成本，大量程等形变测量特性的雷达传感器系统，本文从微波测量的传输损耗、微波泄漏、多路径反射三大问题出发展开研究，以攻克多普勒雷达系统的高精度远距离形变测量难题。
　　本研究主要内容包括：①根据建筑结构三维形变的测量要求，建立一维位移形变与三维位移形变测量之间的数学关系，分析三维形变测量精度与一维形变测量精度的关系。②针对多普勒雷达系统无源反射、微波泄漏、多路径反射对测量距离的限制的问题进行分析，提出有源异频收发式微波雷达系统的解决方案，推导系统测量原理，论证系统的可行性，分析系统的测量性能。③根据系统的测量原理，分析并测试系统各个模块的参数，结合市场器件性能现状，对模块器件进行选型，搭建相应的射频硬件电路，展开户外实验，验证电路的正确性。④根据傅里叶变换求相位差的原理，构建两路同频信号相位差解调的数字采集处理硬件电路系统，并基于 FPGA平台开发相应位移形变解调软件系统，实现相位差的实时在线解调，进而实现位移形变的解调。⑤将射频电路系统与相位差解调系统联合起来，设计相应的位移形变测试方案，验证有源异频收发式微波雷达系统在在位移形变测量方面的整体性能。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 雷达位移形变测量技术的现状

1.3 多普勒雷达系统存在的问题

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 结构三维形变测量原理

2.1 结构位移监测对多普勒雷达系统的测量要求分析

2.2 结构三维形变测量原理

2.3 三维形变测量精度分析

2.4 本章小结

3 一维形变监测的有源异频收发式微波雷达总体方案

3.1 多普勒雷达位移形变测量原理

3.2 高精度远距离形变监测的多普勒雷达系统总体方案

3.3 有源异频收发式微波雷达系统原理

3.4 傅里叶变换相位差解调原理

3.5 形变测量精度影响因素分析

3.6 系统性能仿真分析

3.7 本章小结

4 有源异频收发式微波雷达系统的硬件电路设计

4.1 2.4GHz信道A(B)组设计

4.2 5.8GHz调制解调系统信道设计

4.3 本章小结

5 相位差解调系统的FPGA实现

5.1 相位差解调系统的硬件

5.2 相位解调系统的软件总体设计

5.3 软件功能模块设计

5.4 相位差解调精度实验

5.5 本章小结

6 整机实验结果

6.1 位移测量实验装置

6.2 户外实验结果

6.3 实验结果分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录