基于步进频率雷达的振动位移测量系统关键技术研究与实现

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1、隶劫大·璺硕士学位论文基于步进频率雷达的振动位移测量系统关键技术研究与实现㈣剃RESEARCHANDIMPLEMENlATIONOFKEYTECHNOLOGY0FⅥBRATl0NDISPLACEMENTMEASUREMENTSYSTEMBASEDONSTEPPEDFREQUENCYRADARAThesissubmittedtoSoumeaStUniVers时Fort11eAcademicDegreeofM如terofEngiIlee血gBYLeiLiSupervisedbyProfessorPingpiIlgXuSch001ofIllf-

2、omationSciencea11dEngillee血gSou廿1eastUniVers时Febm吼2014东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：嬗日东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本

3、人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：夺宙导师签名：篮堑日期：护叶，’、牛摘要近几十年来，中国取得的成就有目共睹，社会和经济都得到了空前的发展。我国大跨度公路铁路桥梁建设也进入了蓬勃的发展期，全国各地建造了各种规模的高难度桥梁。随着桥梁的规模和难度越来越大，监测桥梁的动态特性对其安全运营和日常维护变得越来越重要

4、。桥梁的振动位移测量是桥梁动态特性的重要数据，因此对其进行实时监控是一项必不可少的工作。步进频率信号具有距离分辨率高，接收端瞬时带宽小等优点，当其与已经成熟的干涉测量技术相结合时便可以实现对桥梁微小振动位移的测量。运用这种方法能够对桥梁进行高精度、大范围、远距离的微小振动位移的测量，并且其受天气影响很小可进行24小时全程监控。由于步进频率雷达测微小振动位移方法有着上述优点，所以此方法受到越来越多的重视。本文的工作重点就是对微小振动位移测量系统的信号处理关键技术进行研究和实现。首先，研究当步进频率脉冲雷达回波信号的I^3正交通道存在幅度和相

5、位不一致时，对信号处理结果的影响。由于雷达回波信号的I／Q正交通道存在幅度和相位不平衡会使在一维距离成像时出现假目标，因此需要对产生的不平衡现象进行消除。由于传统模拟的相位补偿方法对器件要求很高，因此本文运用数字处理方法进行信号校正。但一般系统中只通过进行数字解调来减少幅相不平横的产生，却不能消除已经存在的不平衡现象。本文利用正交信号的性质，运用数字信号处理方法对l／Q正交信号的幅相不平衡进行消除，并且设计了FPGA硬件结构。该方法首先将每组信号先进行QR分解，然后将所得矩阵的逆矩阵与原来的I，Q信号相乘，便可以得到校正后的I，Q正交信号

6、，校正后的I／Q正交信号将消除一维距离成像时的假目标。本文根据提出的方法设计了能够在FPGA上实现流水线操作的硬件结构；该结构主要由QR分解模块和矩阵相乘模块组成，能够校正幅度和相位不平衡的I／Q正交信号。然后，研究步进频率雷达回波信号的一维距离像，并设计其核心模块IFFT模块。步进频率脉冲信号具有很高的距离分辨率，因此其主要应用于目标的成像和识别。将采样后的数字信号进行IFFrr变换，这样便可得到真实完整的目标点一维距离像。本文设计的IFFT模块采用基22多路延迟前馈结构，并且根据本文设计的特点对传统的结构进行了改进，改进后的结构消除了

7、传统结构中延迟单元较多的缺点，同时使其发挥处理周期短的优势，减少了该模块对时序的要求。该结构是流水线结构，结构简单，硬件实现容易并且节省硬件资源。同时，由于选取的IFFT结构存在乘法器使用较多的缺点，本文设计了过旋转法CORDIC乘法器替换了传统乘法器，该结构只需存储传统CORDIC乘法器一半的角度，并且能够减少cORDIC一级迭代周期。最后，本文构建了整个步迸频率信号数字信号处理的硬件结构。该硬件结构在上述两个核心模块的基础上添加了多目标选取模块、距离计算模块、去除位移模糊模块和相位计算模块等，能够计算出多个目标点的距离和微小位移。整个

8、硬件结构采用流水线结构，能够处理采样后的步进频率雷达回波信号。关键词：位移测量，步迸频率信号，一维距离像，相位计算，距离模糊AbstractInrlecemdecades，ChiIIaacqu