基于反向散射信号对机械振动周期测量的研究

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1、基于反向散射信号对机械振动周期测量的研究（申请清华大学工程硕士专业学位论文）培养单位：软件学院工程领域：软件工程申请人：李瑶指导教师：刘云浩教授二〇一七年五月ResearchonMechanicalVibrationPeriodInspectionBasedonBackscatterSignalsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringbyYaoLi(SoftwareEngineerin

2、g)ThesisSupervisor:ProfessorLiuYunhaoMay,2017摘要摘要对振动的感知已经成为众多领域中的一个研究重点。传统的振动测量系统大多数配备了单独的感知和通讯模块，这使得整个检测系统变得昂贵，甚至高达上百美元。同样在某些特定的工作环境中，系统由于受到遮挡以及视野区域狭隘的影响而无法对振动进行测量。本文提出了“通讯即为感知”这一概念，旨在单纯通过通讯载体而非特殊的感知器来对世界进行进一步的探究。本文提出了一个基于RFID的方式，通过商用化的RFID标签和阅读器来对机械振动进行测量。作为典型的反射节点，RFID标签具有便宜、无需电源和在无视线传输

3、场景下工作的特点，这使得它们能够打破在传统方法下进行振动测量的局限性。如何利用标签随机读取和低频读取的特性，来对微弱且高频的振动进行研究，一直以来都是一项令人怯步的工作，更不必提及需要达到亚微秒级别的精确度。本文设计的系统原型Tagbeat完成了这项工作。主要是通过将RFID标签贴在振动物体表面，其随物体振动产生了小范围的移动，进一步导致从标签返回的反向散射信号发生变化，通过对该信号的周期性变化进行解析从而得到振动的相关信息。本文的创新点主要有：•设计了一个全新的数字化放大方法对微弱振动导致的微小信号进行放大，其振动幅度小于一定阈值；•设计了基于压缩感知的信号恢复方法，来对

4、通过相对较低采样率得到的高频振动进行测量；•展示了如何利用商用化的RFID系统来测量机械振动，并通过少量带噪音的采样结果，准确地发现其振动周期。本文通过利用商用化的RFID设备实现了Tagbeat系统，并同时通过一款商用离心设备对其检测结果进行评估。最终根据实验结果，本系统对振动周期检测的平均精确度为0:36ms，并且相对误差率为0:03%。与此同时，本文研究了三个生活中的常见实例来将文中的检测方法与实际生活中的需求联系起来。关键词：射频识别；反向散射；振动；压缩感知IAbstractAbstractMakingsensesofvibrationisanimportantt

5、askinmanyareas.Separatedsensingandcommunicationmodulesarealwaysnecessaryfortraditionalvibrationinspectionsystems.Thehighcostofthesesystemsprohibitsthewidespreaduseoftheinspection.Meanwhile,insomecertainenvironment,thesystemsareoccludedorsufferfromthenarrowfieldofview(e.g.,laser).Theseinfluenc

6、eshaveacripplingeffectonmanyvibrationinspection.Thispaperproposesaninnovativewaytomakesenseoftheworld,whichisbasedonbackscattersignalsinsteadofsensors.Inthiswork,wepresentanRFID-basedsolutionfortheinspectionofmechanicalvi-bration.ThissolutionexploitsCOTSRFIDtagsandreaders.Astypicalbackscatt

7、ernodes,RFIDtagsarelow-cost,battery-free,andworkinnon-line-of-sightscenarios,allowingthemtoaddressthelimitationsoftraditionalsolutions.Readingsoftagsproviderandomandlow-frequencyfeatureswhichmaketheinspectionofmicroandhigh-frequencyvibra-tionmorechallenging.To