面向结构健康监测的小型多普勒雷达系统设计
2022年电子技术应用第10期
马 伟1，2，崔海涛1，朱晓曼1，胡长征1，胡伟波1，2
1.南开大学 电子信息与光学工程学院，天津 300350； 2.南开大学深圳研究院，广东 深圳 518063
摘要： 直流电压的校准是直接下变频多普勒雷达准确探测振动的难点之一。介绍了一种用于结构健康监测的直流耦合多普勒雷达传感系统，具有自适应DC校准和实时分析预警功能。通过对基带输出信号进行监测，自适应调整反馈电压，有效放大有用信号，避免输出饱和；基于LabVIEW软件，通过搭建拓展的DACM算法架构和预警模块，实现了信号的实时解调和分析处理。实验结果表明，该传感器系统的功耗小于10 W，能够进行毫米级振动的探测，探测范围可达200 m。为了检验系统的分析预警功能，人为引入损伤异常数据，仿真结果显示假阳性发生概率低于1%，未发现假阴性情况的发生。
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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