一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法與系統(tǒng)，系統(tǒng)由安裝在固定位置的微變形遙測射頻標(biāo)簽閱讀器和安裝在被測物上的多個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽構(gòu)成。標(biāo)簽閱讀器輻射射頻載波信號，標(biāo)簽收到該信號后，使用不同頻率的正弦波信號對其進(jìn)行調(diào)制，然后再轉(zhuǎn)發(fā)回標(biāo)簽閱讀器，標(biāo)簽閱讀器收到多個標(biāo)簽的混合回波信號，使用正交下變頻電路將其下變頻至基帶，然后使用標(biāo)簽分離電路即多個極窄帶帶通濾波器分離識別標(biāo)簽，使用相位檢測電路獲取射頻信號往返于標(biāo)簽閱讀器和各個標(biāo)簽之間的相位差，從而測量出每個標(biāo)簽的位移量。該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)測量精度高，實(shí)時響應(yīng)速度快；(2)安裝使用方便，觀測點(diǎn)之間，觀測點(diǎn)與遙測終端之間無需線纜連接。
【專利說明】一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測量儀器領(lǐng)域，涉及一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法與系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]電力桿塔、摩天大樓、橋梁、大壩、大型飛機(jī)等大型構(gòu)件在使用中會發(fā)生變形，變形測量是探索變形機(jī)理的基本方法，是危險預(yù)警的重要手段。專利CN1271419C和專利CN101349753A總結(jié)分析了幾種常見測量方法，指出射頻技術(shù)用于變形測量具有很多優(yōu)點(diǎn)。
[0003]專利CN1271419C提出了一種微位移測量方法，測量系統(tǒng)由安放在被測點(diǎn)上的無源角反射器和測點(diǎn)上的微波比相設(shè)備構(gòu)成，其基本工作原理為:通過測量單頻射頻信號往返于微波比相設(shè)備與無源角反射器之間的相位差來測量角反射器的位移量。這種方法的主要缺點(diǎn)是:(I)觀測點(diǎn)為無源角反射器，作用距離有限；(2)密集分布的無源角反射器信號很難分離，不能實(shí)現(xiàn)多觀測點(diǎn)同時測量。
[0004]專利CN101349753A提出了一種多觀測點(diǎn)微變形遙測方法，測量系統(tǒng)由安裝在被測物上的多個無線電信標(biāo)機(jī)和遠(yuǎn)端的遙測接收機(jī)構(gòu)成，其基本工作原理為:信標(biāo)機(jī)使用不同的偽碼調(diào)制同頻同相的載波信號，信標(biāo)機(jī)向遙測接收機(jī)輻射射頻信號，遙測接收機(jī)接收信標(biāo)機(jī)發(fā)來的混合擴(kuò)頻調(diào)制信號，在達(dá)到偽碼同步后，分離出各信標(biāo)機(jī)的載波信號，對載波信號進(jìn)行鑒相，可以監(jiān)測出建筑物的變形量。這種方法的缺點(diǎn)是:(I)產(chǎn)生大量正交偽碼十分困難，多址干擾大，從而系統(tǒng)測量精度低；(2)由于各信標(biāo)機(jī)之間要使用公共本振信號，各信標(biāo)機(jī)之間需要使用線纜相互連接，這樣安裝使用不方便；(3)遙測接收機(jī)電路復(fù)雜，偽碼失鎖時電路工作失效，無法測得各觀測點(diǎn)位移量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法，該方法通過使用射頻標(biāo)簽閱讀器測量安裝在被測物上的每個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽的位移量來實(shí)現(xiàn)整個被測物表面微變形的測量。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種多目標(biāo)微變形分時遙測方法，系統(tǒng)由安裝在固定位置的微變形遙測射頻標(biāo)簽閱讀器和安裝在被測物上的多個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽構(gòu)成。標(biāo)簽閱讀器輻射射頻載波信號，每個射頻標(biāo)簽收到該信號后，使用不同頻率的低頻正弦波調(diào)制信號對其進(jìn)行調(diào)制，然后再轉(zhuǎn)發(fā)回標(biāo)簽閱讀器，標(biāo)簽閱讀器收到多個標(biāo)簽的混合回波信號，使用正交下變頻電路將下變頻至基帶(收發(fā)共射頻本振)，然后使用標(biāo)簽分離電路(極窄帶帶通濾波器)分離識別標(biāo)簽，使用相位檢測電路獲取射頻載波信號往返于標(biāo)簽閱讀器和各個射頻標(biāo)簽之間的相位差，從而測量出每個標(biāo)簽的位移量。
[0008]一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，由安裝在被測物上多個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽和安裝在固定位置的微變形遙測射頻標(biāo)簽閱讀器構(gòu)成，通過測量射頻載波信號往返于閱讀器和各個射頻標(biāo)簽之間的相位差的變化量來測量每個標(biāo)簽的位移量。射頻標(biāo)簽由接收天線，標(biāo)簽信號發(fā)生器，調(diào)制器以及發(fā)射天線構(gòu)成；標(biāo)簽閱讀器由射頻本振信號發(fā)生器，發(fā)射天線，接收天線，正交下變頻器，標(biāo)簽分離電路，相位檢測電路，以及位移量計算/變形曲線擬合模塊構(gòu)成。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:(1)系統(tǒng)測量精度高，實(shí)時響應(yīng)速度快；(2)安裝使用方便，觀測點(diǎn)之間，觀測點(diǎn)與遙測終端之間無需線纜連接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0011]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖；
[0012]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0014]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖。系統(tǒng)由安裝在被測物表面的若干個射頻標(biāo)簽(圖中只畫出了任意兩個射頻標(biāo)簽，第i個射頻標(biāo)簽20和第j個射頻標(biāo)簽21)作為觀測點(diǎn)和位于遠(yuǎn)端固定位置的標(biāo)簽閱讀器I作為變形遙測終端構(gòu)成。
[0015]第i個射頻標(biāo)簽20由接收天線201，標(biāo)簽信號發(fā)生器202，調(diào)制器203以及發(fā)射天線204構(gòu)成。接收天線201用于接收標(biāo)簽閱讀器發(fā)來的射頻載波；標(biāo)簽信號發(fā)生器202用于產(chǎn)生低頻正弦波調(diào)制信號；調(diào)制器203用于將標(biāo)識標(biāo)簽的正弦波調(diào)制信號對接收到的來自于標(biāo)簽閱讀的射頻載波信號進(jìn)行調(diào)制；發(fā)射天線204用于將已調(diào)信號向標(biāo)簽閱讀器輻射。第j個射頻標(biāo)簽21與第i個射頻標(biāo)簽結(jié)構(gòu)相同，也由接收天線211，標(biāo)簽信號發(fā)生器212，調(diào)制器213以及發(fā)射天線214構(gòu)成，不同之處在于標(biāo)簽信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波調(diào)制信號頻率不同。
[0016]標(biāo)簽閱讀器I由射頻本振信號發(fā)生器10，發(fā)射天線11，接收天線12，正交下變頻器13，標(biāo)簽分離電路14，相位檢測處理15，以及位移量計算/變形曲線擬合模塊16構(gòu)成。射頻本振信號發(fā)生器產(chǎn)生正交的射頻載波信號，其中同相載波信號通過標(biāo)簽發(fā)射天線11向各射頻標(biāo)簽輻射；接收天線12接收到各射頻標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)回來的混合回波信號，然后使用正交的射頻本振信號對此回波信號進(jìn)行正交下變頻13，將其變換到基帶信號，使用標(biāo)簽分離電路14分離各標(biāo)簽回波信號，再使用相位檢測電路15計算射頻載波信號往返于射頻標(biāo)簽閱讀器I和各射頻標(biāo)簽如20和21的相位差，使用位移量計算/變形曲線擬合模塊16，將檢測到的相位差變化量轉(zhuǎn)換為各射頻標(biāo)簽的位移量，進(jìn)而擬合出整個被測物的整體形變情況。
[0017]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)工程流程圖。本發(fā)明包括以下8個步驟:
[0018]步驟30:被測物表面上安裝射頻標(biāo)簽，遠(yuǎn)端固定位置安裝標(biāo)簽閱讀器。
[0019]步驟31:標(biāo)簽閱讀器輻射射頻載波信號。
[0020]射頻標(biāo)簽閱讀器發(fā)射的射頻載波信號為:
[0021]S1 (t) = cos (ω0?)(公式 I)
[0022]這里的ω。表示閱讀器射頻載波角頻率，= 2.η.f0, c = λ 0.f0, c為電磁波傳播速度，λ ^為射頻載波波長。
[0023]步驟32:每個射頻標(biāo)簽接收信號，使用正弦波信號調(diào)制接收載波信號，然后向標(biāo)簽閱讀器輻已調(diào)信號。
[0024]第i個射頻標(biāo)簽收到的信號為:
[0025]s2i (t) = cos(w0(t — φ/。))= 008(ω(ι?+Φ?)(公式 2)
[0026]這里的Φ? = — 2.η.fο.dj/c = — 2.η.(Ii/ λ。，(Ii 為標(biāo)簽 i 與閱讀器之間的距離。
[0027]假設(shè)第i個標(biāo)簽的調(diào)制信號為正弦波信號:
[0028]S3i (t) = cos (ω^+ Θ ^(公式 3)
[0029]這里的CJi表示低頻調(diào)制信號的角頻率，Coi = 2.π.f., c = λ j.fi7 Ai為波長，fi << f0, Θ i為調(diào)制信號初始相位。
[0030]使用該低頻調(diào)制信號對收到的射頻載波信號S3i (t)進(jìn)行調(diào)制，得到的已調(diào)信號為
[0031]s4i (t) = 2.S3i (t).s2i (t) = CO s ( ω Lit+Φ Li)+CO s ( ω Φ Ui)(公式4)
[0032]這里的wLi= Q0-Qi, ωΜ= ω0+ω j, = (J)1-Qi, φΜ = φ ^ θ 廠
[0033]步驟33:標(biāo)簽閱讀器接收混合回波信號。
[0034]閱讀器接收到的第i個標(biāo)簽回波信號為:
[0035]S5i (t) = cos ( ω Li (?—φ/c) + Φ Li) +cos ( ω m (?—φ/c) + Φ m)
[0036]= 008(ω1--+Φ1?)+008(ωυ--+Φυ?)(公式 5)
[0037]這里的C>Li = Φγ θ ι~2 * π.(Ii/ λ Li,這里的 I/ λ Li = I/ λ 0_1/ λ i ; Oui =Φ?+ θ ?~2.η.,這里的 1/λΜ = I/λ 0+1/λ ^ ;
[0038]如果所有η個標(biāo)簽同時工作，閱讀器接收的信號為混合信號:
[0039]s5(t) = Zf=i sSi (t)(公式 6)
[0040]步驟34:標(biāo)簽閱讀器對混合回波信號進(jìn)行正交下變頻處理。
[0041]閱讀器同相射頻本振信號(閱讀器發(fā)射信號)為:
[0042]S6 (t) = cos (ω0?)(公式 7)
[0043]閱讀器正交射頻本振信號為:
[0044]s7 (t) = -sin (ω 0t) = -cos (ω 0t- π /2)(公式 8)
[0045]S5(t)與同相本振s6(t)混頻，下變頻后的基帶信號為:
[0046]S8(t) = ΣΓ=ι S8i (t)(公式 9)
[0047]S5 (t)與同相本振S7⑴混頻，下變頻后的基帶信號為:
[0048]S9(t) = If?, S9i(t)(公式 10)
[0049]其中S8i (t)和 s9i (t)分別為:
[0050]s8j(t) = (cosCwjt - Φυ) + cosfojjt + Φ^))/2 = cos t + Φμι~Φ1,1) cos(公式 11)
[0051]
Sqi(t) = — (C0S(CA)jt —π/2 - Φυ) + cos(?it + w/2 + Φιπ))/2 = cos
[0052](公式 12)
[0053]步驟35:使用標(biāo)簽分離電路分離標(biāo)簽信號。
[0054]采用標(biāo)簽分離電路即使用多個極窄帶帶通濾波器可以分別從混合基帶信號S8(t)和S9 (t)提取出第i個標(biāo)簽的基帶信號S8i⑴和S9i (t)，從而實(shí)現(xiàn)多個射頻標(biāo)簽的分辨與識別。
[0055]步驟36:使用相位檢測電路計算信號往返于標(biāo)簽閱讀器和各個標(biāo)簽之間的相位差。
[0056]對第i個標(biāo)簽的基帶信號S8i⑴和S9i⑴做如下處理:
[0057](公式11)的平方與公式(12)的平方相減，得到:
[0058]SlllCt) = COS^ (^t +(cos^ (^) - Sfn^ (^))(公式 13)
=((l + cos(2t*>jt + — 4>u))/2)cos(<l>f[i + 4>u)
[0059]經(jīng)過低通濾波器之后，得到:
[0060]s12i(t) = οο8(Φυ?+Φ1?)/2(公式 14)
[0061](公式11)與公式(12)相乘，得到:
_2]= — +cos(i^)(公式 i5)
=((l + cos(2a>jt + Φμ? — Φι,?))/4) sin(#yj + Φ^)
[0063]經(jīng)過低通濾波后得到:
[0064]s14i (t) = 8?η(Φυ?+Φ1?)/4(公式 16)
[0065]根據(jù)(公式14)和(公式16)，使用鑒相器電路計算射頻載波往返于標(biāo)簽閱讀器和第i個標(biāo)簽之間的相位差ΔΦ, = ΦΜ+ΦΜΟ
[0066]Δ Φ j = Φυ?+Φ^ = ( Φ j+ Θ 廠2.Ji.dj/ λ m) + ( φ 廠 Θ j-2.η.dj/ λ Li)
[0067]Δ Φ i = 2.Φ 廠2.Ji.dj/ λ m_2.Ji.dj λ Li
[0068]Δ Φ j = -2.2.τι.dj/ λ 0~2.τι.dj (I/ λ 0+1/ λ ^ -2.τι.dj (I/ λ 0-1/ λ )
[0069]Δ Cii = -8.π.φ/ λ。(公式 18)
[0070]步驟37:計算各標(biāo)簽位移量，擬合變形曲線。
[0071]從(公式18)可以看出，只要測出射頻信號由閱讀器到標(biāo)簽再返回閱讀器的相位差Λ CDi的變化量，就能得到觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽i距閱讀器的距離Cli的變化量，即為標(biāo)簽i的位移量Adit5
[0072]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測方法，由安裝在被測物上多個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽和安裝在固定位置的微變形遙測射頻標(biāo)簽閱讀器構(gòu)成，通過測量射頻載波信號往返于閱讀器和各個射頻標(biāo)簽之間的相位差的變化量來測量每個標(biāo)簽的位移量，其特征在于:標(biāo)簽閱讀器輻射射頻載波信號，每個射頻標(biāo)簽在收到該信號后，使用不同頻率的低頻正弦波信號對其進(jìn)行調(diào)制，然后再轉(zhuǎn)發(fā)回標(biāo)簽閱讀器，標(biāo)簽閱讀器收到多個標(biāo)簽的混合回波信號，使用正交下變頻電路將其下變頻至基帶，然后使用標(biāo)簽分離電路分離識別標(biāo)簽，使用相位檢測電路獲取射頻信號往返于標(biāo)簽閱讀器和各個射頻標(biāo)簽之間的相位差，從而測量出每個標(biāo)簽的位移量，擬合出被測物表面的微變形量。
2.一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，由安裝在被測物上多個觀測點(diǎn)射頻標(biāo)簽和安裝在固定位置的微變形遙測射頻標(biāo)簽閱讀器構(gòu)成，通過測量射頻載波信號往返于閱讀器和各個射頻標(biāo)簽之間的相位差的變化量來測量每個標(biāo)簽的位移量，其特征在于:射頻標(biāo)簽由接收天線，標(biāo)簽信號發(fā)生器，調(diào)制器以及發(fā)射天線構(gòu)成；標(biāo)簽閱讀器由射頻本振信號發(fā)生器，發(fā)射天線，接收天線，正交下變頻器，標(biāo)簽分離電路，相位檢測電路，以及位移量計算/變形曲線擬合模塊構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，其特征在于:所述標(biāo)簽信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號為單頻正弦波信號，不同標(biāo)簽所用的正弦波信號頻率不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，其特征在于:所述標(biāo)簽閱讀器的正交下變頻電路與射頻載波信號發(fā)射電路使用公共的射頻本振。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，其特征在于:所述標(biāo)簽閱讀器的標(biāo)簽分離電路為多個極窄帶帶通濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多目標(biāo)微變形實(shí)時遙測系統(tǒng)，其特征在于:所述標(biāo)簽閱讀器的相位檢測處理過程為，將同相支路基帶信號與正交支路基帶信號做平方差運(yùn)算后，再經(jīng)過低通濾波器，得到載波信號往返于往返于閱讀器與各標(biāo)簽之間的相位差的余弦函數(shù)值；將同相支路基帶信號與正交支路基帶信號做相乘運(yùn)算后，再經(jīng)過低通濾波器，得到載波信號往返于往返于閱讀器與標(biāo)簽之間的相位差的相位差的正弦函數(shù)值；使用鑒相器計算出載波信號往返于閱讀器與標(biāo)簽之間的相位差。
【文檔編號】G01B15/06GK104251675SQ201410477613
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】王韜, 張洪, 王坤, 謝曉姣, 謝芝茂, 張潘, 楊力生, 廖勇, 張新征, 蔡瑩卓, 宗京京 申請人:重慶大學(xué)