一种多点位移同时测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于结构健康监测领域，涉及一种多点位移同时测量方法。
【背景技术】
[0002] 电力杆塔、摩天大楼、桥梁、大坝、大型飞机等大型构件在使用中会发生变形，变 形测量是探索变形机理的基本方法，是危险预警的重要手段。专利CN1271419C和专利 CN101349753A总结分析了几种常见测量方法，指出射频技术用于变形测量具有很多优点。
[0003] 专利CN1271419C提出了一种微位移测量方法，测量系统由安放在被测点上的无 源角反射器和测点上的微波比相设备构成，其基本工作原理为：通过测量单频射频信号往 返于微波比相设备与无源角反射器之间的相位差来测量角反射器的位移量。这种方法的主 要缺点是：（1)观测点为无源角反射器，作用距离有限；（2)密集分布的无源角反射器信号 很难分离，不能实现多观测点同时测量。
[0004] 专利CN101349753A提出了一种多观测点微变形遥测方法，测量系统由安装在被 测物上的多个无线电信标机和远端的遥测接收机构成，其基本工作原理为：信标机使用不 同的伪码调制同频同相的载波信号，信标机向遥测接收机辐射射频信号，遥测接收机接收 信标机发来的混合扩频调制信号，在达到伪码同步后，分离出各信标机的载波信号，对载波 信号进行鉴相，可以监测出建筑物的变形量。该方法在使用中存在的主要问题是遥测接收 机电路复杂，伪码失锁时电路工作失效，无法测得各观测点位移量。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多点位移同时测量方法，该方法拟对专利 CN101349753A的信标机和遥测接收机进行改造，依然利用载波相位思想来监测观测点位移 量，不过在信标机中采用不同频率的正弦波取代伪随机码信号来调制公共本振信号，以便 接收机端能够区分各个信标机，在接收端使用快速傅里叶变换取代伪码同步及载波恢复电 路，来提高系统工作的健壮性。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种多点位移同时测量方法，系统由发射机部分和接收机部分构成。在固定位置 安装参考点发射天线，在被测物表面上安装多个观测点发射天线；公共射频本振产生射频 载波信号，参考点信标机通过参考点发射天线直接发射射频载波信号，观测点信标机使用 低频正弦波信号对射频载波信号进行双边带调制后，送往观测点发射天线；各观测点信标 机正弦波调制信号的频率不同；遥测接收机接收到参考点发射天线和观测点发射天线发来 的混合信号后，使用另一射频本振信号将其下变频至中频，并将其数字化，然后进行傅里叶 变换得到其幅度谱和相位谱，从而计算出各观测点信号与参考点信号的载波相位差；根据 前后两次测量的相位差变化量，计算出每个观测点的位移量。
[0008] 本发明的有益效果在于：（1)系统测量精度高，实时响应速度快；（2)电路结构简 单，工作可靠，易于实现。
【附图说明】
[0009] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0010] 图1为本发明的测量系统结构框图；
[0011] 图2为本发明的接收机信号频谱示意图。
【具体实施方式】
[0012] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0013] 图1为本发明的测量系统结构框图。系统由发射机电路和接收机电路构成，图中 左侧部分为发射机部分，右侧为接收机部分。
[0014] 发射机包括公共射频本振10、参考信标机11及参考点发射天线114、观测点信标 机12, 13, 14及观测点发射天线124, 134, 144等构成；参考信标机由射频带通放大器112和 功率放大器113构成；观测点信标机12由正弦波信号发生器120、调制器121、射频带通放 大器122以及功率放大器123构成，实现将低频正弦波信号调制在射频本振信号上，调制方 式为抑制载波双边带调制；各观测点信标机电路结构相同，正弦波信号频率不同；图中只 给出了第1个观测点信标机12、第i个观测点信标机13和第η个观测点信标机14 ;参考点 发射天线114与观测点发射天线124, 134, 144等根据需要安装在被测物表面上。
[0015] 接收机包括接收天线20、低噪声放大器21、收端射频本振22、混频器23、中频带通 放大器24、模数转换器25、傅里叶变换器26、位移量计算电路27构成。
[0016] 图2为本发明的接收机信号频谱示意图，上图为幅度谱，下图为相位谱。接收机 将接收到的混合射频信号下变频至中频；图中的31和41分别对应参考信标机的幅度与相 位，频率为f I;图中的321和421分别对应观测点信标机1的上边带信号的幅度与相位， 频率为（fffV)，图中的322和422对应观测点信标机1的下边带信号的幅度与相位，频率 为Kff 1);图中的331和431分别对应观测点信标机i的上边带信号的幅度与相位，频 率为（A+fi)，图中的332和432对应观测点信标机i的下边带信号的幅度与相位，频率为 (fffi);图中的341和441分别对应观测点信标机η的上边带信号的幅度与相位，频率为 (4+4)，图中的332和442分别对应观测点信标机η的下边带信号的幅度与相位，频率为 (ff 4)。
[0017] 系统的具体工作过程如下。
[0018] 假设射频本振信号即参考信标机的发射信号为：
[0019] s0 (t) = cos (2 π fE1t+ α 〇) (公式 1)
[0020] fK1为射频载波频率，a ^为射频载波信号的随机初始相位；
[0021] 假设第i个观测点信标机的低频调制信号为：
[0022] S11Ct) = c〇s(2Kfit + β?) (公式 2)
[0023] &为低频正弦波信号的载波频率，β 低频正弦波信号的随机初始相位；假设有 η个观测点，这η个低频正弦波信号的频率满足0〈&< f 2〈…<fn;
[0024]用此信号调制射频载波信号得到的观测点信标机i的发射信号为：
[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] 假设参考信标机的天线到接收机天线的距离为IV参考点天线位置固定不变，不 发生位移，^为常数，则接收机收到的参考信标机射频信号为：
[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&旧!·。/。)；
[0031] 假设观测点i的天线到接收机天线的距离为iv则接收机收到的第i个观测点信 标机的射频信号为：
[0032]