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。
中图分类号： TN958
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222756
中文引用格式： 马伟，崔海涛，朱晓曼，等.面向结构健康监测的小型多普勒雷达系统设计[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.222756
中文引用格式： 马伟，崔海涛，朱晓曼，等.面向结构健康监测的小型多普勒雷达系统设计[J].电子技术应用，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
作为建筑物和机械结构健康监测系统的重要组成部分，振动监测是获取目标健康状态的一种有效方法，被广泛应用于故障诊断和事故预警[1-3]。然而，由于振动本身的复杂性和测量环境的多样性，精确的振动采集并不容易。最常见的监测方法有GPS测量、光纤传感器测量和振动计测量等[4-6]。尽管振动测量技术已经取得了很大的进步，但一些具体应用在成本、精度、探测精度等方面提出了更高的要求[7]。近年来，由于半导体技术和先进处理算法的发展，非接触式雷达传感器受到了学术界和工业界的极大关注[8-9]。该方法具有精度高、鲁棒性强等优点，是各种振动测量环境中最具吸引力的方法之一。大量新架构和信号提取方法被发表，其中许多已经成功集成到单片集成电路中，实现了低成本、高性能的便携式监测系统[10-11]。
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作者信息：
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）
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