一種多點位移同時測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種多點位移同時測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力桿塔、摩天大樓、橋梁、大壩、大型飛機等大型構(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。
[0003] 專利CN1271419C提出了一種微位移測量方法，測量系統(tǒng)由安放在被測點上的無 源角反射器和測點上的微波比相設(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 要缺點是：（1)觀測點為無源角反射器，作用距離有限；（2)密集分布的無源角反射器信號 很難分離，不能實現(xiàn)多觀測點同時測量。
[0004] 專利CN101349753A提出了一種多觀測點微變形遙測方法，測量系統(tǒng)由安裝在被 測物上的多個無線電信標機和遠端的遙測接收機構(gòu)成，其基本工作原理為：信標機使用不 同的偽碼調(diào)制同頻同相的載波信號，信標機向遙測接收機輻射射頻信號，遙測接收機接收 信標機發(fā)來的混合擴頻調(diào)制信號，在達到偽碼同步后，分離出各信標機的載波信號，對載波 信號進行鑒相，可以監(jiān)測出建筑物的變形量。該方法在使用中存在的主要問題是遙測接收 機電路復(fù)雜，偽碼失鎖時電路工作失效，無法測得各觀測點位移量。

【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點位移同時測量方法，該方法擬對專利 CN101349753A的信標機和遙測接收機進行改造，依然利用載波相位思想來監(jiān)測觀測點位移 量，不過在信標機中采用不同頻率的正弦波取代偽隨機碼信號來調(diào)制公共本振信號，以便 接收機端能夠區(qū)分各個信標機，在接收端使用快速傅里葉變換取代偽碼同步及載波恢復(fù)電 路，來提高系統(tǒng)工作的健壯性。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種多點位移同時測量方法，系統(tǒng)由發(fā)射機部分和接收機部分構(gòu)成。在固定位置 安裝參考點發(fā)射天線，在被測物表面上安裝多個觀測點發(fā)射天線；公共射頻本振產(chǎn)生射頻 載波信號，參考點信標機通過參考點發(fā)射天線直接發(fā)射射頻載波信號，觀測點信標機使用 低頻正弦波信號對射頻載波信號進行雙邊帶調(diào)制后，送往觀測點發(fā)射天線；各觀測點信標 機正弦波調(diào)制信號的頻率不同；遙測接收機接收到參考點發(fā)射天線和觀測點發(fā)射天線發(fā)來 的混合信號后，使用另一射頻本振信號將其下變頻至中頻，并將其數(shù)字化，然后進行傅里葉 變換得到其幅度譜和相位譜，從而計算出各觀測點信號與參考點信號的載波相位差；根據(jù) 前后兩次測量的相位差變化量，計算出每個觀測點的位移量。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于：（1)系統(tǒng)測量精度高，實時響應(yīng)速度快；（2)電路結(jié)構(gòu)簡 單，工作可靠，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0009] 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)明提供如下附圖進行 說明：
[0010] 圖1為本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明的接收機信號頻譜示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0013] 圖1為本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由發(fā)射機電路和接收機電路構(gòu)成，圖中 左側(cè)部分為發(fā)射機部分，右側(cè)為接收機部分。
[0014] 發(fā)射機包括公共射頻本振10、參考信標機11及參考點發(fā)射天線114、觀測點信標 機12, 13, 14及觀測點發(fā)射天線124, 134, 144等構(gòu)成；參考信標機由射頻帶通放大器112和 功率放大器113構(gòu)成；觀測點信標機12由正弦波信號發(fā)生器120、調(diào)制器121、射頻帶通放 大器122以及功率放大器123構(gòu)成，實現(xiàn)將低頻正弦波信號調(diào)制在射頻本振信號上，調(diào)制方 式為抑制載波雙邊帶調(diào)制；各觀測點信標機電路結(jié)構(gòu)相同，正弦波信號頻率不同；圖中只 給出了第1個觀測點信標機12、第i個觀測點信標機13和第η個觀測點信標機14 ;參考點 發(fā)射天線114與觀測點發(fā)射天線124, 134, 144等根據(jù)需要安裝在被測物表面上。
[0015] 接收機包括接收天線20、低噪聲放大器21、收端射頻本振22、混頻器23、中頻帶通 放大器24、模數(shù)轉(zhuǎn)換器25、傅里葉變換器26、位移量計算電路27構(gòu)成。
[0016] 圖2為本發(fā)明的接收機信號頻譜示意圖，上圖為幅度譜，下圖為相位譜。接收機 將接收到的混合射頻信號下變頻至中頻；圖中的31和41分別對應(yīng)參考信標機的幅度與相 位，頻率為f I;圖中的321和421分別對應(yīng)觀測點信標機1的上邊帶信號的幅度與相位， 頻率為（fffV)，圖中的322和422對應(yīng)觀測點信標機1的下邊帶信號的幅度與相位，頻率 為Kff 1);圖中的331和431分別對應(yīng)觀測點信標機i的上邊帶信號的幅度與相位，頻 率為（A+fi)，圖中的332和432對應(yīng)觀測點信標機i的下邊帶信號的幅度與相位，頻率為 (fffi);圖中的341和441分別對應(yīng)觀測點信標機η的上邊帶信號的幅度與相位，頻率為 (4+4)，圖中的332和442分別對應(yīng)觀測點信標機η的下邊帶信號的幅度與相位，頻率為 (ff 4)。
[0017] 系統(tǒng)的具體工作過程如下。
[0018] 假設(shè)射頻本振信號即參考信標機的發(fā)射信號為：
[0019] s0 (t) = cos (2 π fE1t+ α 〇) (公式 1)
[0020] fK1為射頻載波頻率，a ^為射頻載波信號的隨機初始相位；
[0021] 假設(shè)第i個觀測點信標機的低頻調(diào)制信號為：
[0022] S11Ct) = c〇s(2Kfit + β?) (公式 2)
[0023] &為低頻正弦波信號的載波頻率，β 低頻正弦波信號的隨機初始相位；假設(shè)有 η個觀測點，這η個低頻正弦波信號的頻率滿足0〈&< f 2〈…<fn;
[0024]用此信號調(diào)制射頻載波信號得到的觀測點信標機i的發(fā)射信號為：
[0025] s)>(t) = cosC2Kfjt+ Pj)cos(2KfRlt + a0) (公式 3)
[0026] s；；〔t〕=〔l/2〕cos(2'[i〔fR1 + fi〕t +〔a() + β|)) + (l/2)cos(2n(fR1 - fi)t + [ct0 - β?〕）（公式 4)
[0027]
[0028] 假設(shè)參考信標機的天線到接收機天線的距離為IV參考點天線位置固定不變，不 發(fā)生位移，^為常數(shù)，則接收機收到的參考信標機射頻信號為：
[0029] S3 (t) = cos (2 π fE1t+ ( a 〇-2 Ji fE1r〇/c)) = cos (2 π fE1t+ a 〇) (公式 5)
[0030] 上式中 a。= (a。-之叮&舊!·。/。)；
[0031] 假設(shè)觀測點i的天線到接收機天線的距離為iv則接收機收到的第i個觀測點信 標機的射頻信號為：
[0032]