基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理和检测技术领域，特别是一种基于多普勒雷达的高层建筑结 构振动频率测量装置及方法。 技术背景
[0002] 当今社会，城市中出现了大量的高层及超高层建筑。在建筑越来越高的同时，轻质 高强的新型建筑材料也不断出现，使得高层结构的刚度与阻尼不断下降。高层建筑及超高 层建筑的特点是长细比大，在动力荷载（主要是风荷载）的作用下，就很容易产生振动和变 形。主要有如下几个方面：①由于与风向一致的风力作用引起的结构物的顺风向振动；② 结构物背后的縱满引起结构物的横风向振动，对烟画、高层建筑等一些自立式细长柱体结 构物尤不可忽视；③由别的建筑物尾流中的气流引起的振动；④由空气负阻尼引起横向失 稳式振动。在运种情况下，高层建筑物在强风状态下的安全状态颇令人担忧。为了避免引 起不必要的恐慌W及确保大楼安全，我们需要对运种大楼振动频率进行实时监控测量。
[0003] 目前针对高层建筑结构振动运样的低频振动的监测方法一般为传感器测量，分为 相对式和绝对式两种测量方式。相对式测量包括光学测量，如干设仪、光学多普勒测振仪、 光电摄影技术等，都属于相对式测量。其缺点是相对式测量需要有静止不动的基础，运对 于工程中振动测量是非常困难的；同时要求比较严格的环境条件，仪器价格也高，不适合 广泛使用。绝对式振动测量都是基于惯性质量一弹黃振动系统。根据其测量原理，是测量 敏感质量块与弹黃间的作用力，还是惯性质量块与壳体间的相对运动，分为低通型的加速 度计与高通型的速度传感器。而运种机械测量的方法也有其不可避免的缺陷，如灵敏度不 高；无法进行非接触式测量；所测频率范围有很大限制；机械设备易磨损；W及计算复杂， 两次积分后显然导致最后精确度下降等。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量装置 及方法，利用连续波多普勒雷达，实时准确地测量高层建筑结构振动频率，达到监测的目 的。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多普勒雷达的高层建筑结构振动 频率测量装置，包括交流电源、禪合器、功率放大器、驱动放大器、发射天线、接收天线、低噪 声放大器和混频器，交流电源的输出端通过禪合器分别接入功率放大器、驱动放大器，功率 放大器的输出端接入发射天线，接收天线的输出端通过低噪声放大器接入混频器的一个端 口，驱动放大器的输出端接入混频器的另一个端口；
[0006] 所述交流电源产生射频信号，经禪合器分成两路信号，一路射频信号通过驱动放 大器输入混频器提供本振信号，另一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射出 去形成发射信号，该发射信号至振动的目标建筑结构后产生反射信号，所述反射信号由接 收天线接收后经低噪声放大器放大后送入混频器；混频器接收的两种信号混频后取下变频 信号，即得到多普勒频率。
[0007] 优选地，所述交流电源、禪合器、功率放大器和发射天线组成发射支路，接收天线、 低噪声放大器和混频器组成接收支路。
[0008] 优选地，所述交流电源输出的射频信号频率为24. 125GHz。
[0009] 优选地，所述功率放大器、驱动放大器相同，型号均为HMC863LP4E，增益为20地， 插入损耗为11地，回波损耗为15地，P1地为24. 5地m。
[0010] 优选地，所述低噪声放大器的型号为HMC517LC4,增益为20地，噪声系数为2. 6地， 插入损耗为15地，回波损耗为17地，P1地为13地m。
[0011] 优选地，所述混频器的型号为HMC29化C3B，变频损耗为8地，1地压缩点为13地m， IIP3 为 18地m。
[0012] 一种基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量方法，包括W下步骤：
[0013] 步骤1，交流电源产生射频信号，经禪合器分成两路信号，一路射频信号通过驱动 放大器输入混频器提供本振信号，另一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射 出去形成发射信号；
[0014] 步骤2,发射信号至振动的目标建筑结构后产生反射信号，所述反射信号由接收天 线接收后经过低噪声放大器放大后送入混频器；
[0015] 步骤3,混频器将步骤1和步骤2中接收的两种信号混频后取下变频信号，即得到 多普勒频率；
[0016] 步骤4,根据多普勒频率进行处理，得到目标建筑结构的振动频率。
[0017] 进一步地，步骤4中所述根据多普勒频率进行处理，得到目标建筑结构的振动频 率，具体如下：
[0018] 所述多普勒频率fd即反射信号频率与发射信号频率之差，根据多普勒频率的大 小，由fd二2Vy人可得，目柄建筑结构与多普勒雷达的径向相对担动速度Vf为： W19]Vr=入fd/2
[0020] 式中，A为信号波长，A=c/f。，C为光速，f。为雷达工作的中屯、频率，fd为多普 勒频率；
[0021] 目标建筑结构在强风作用下的振动为简谐运动，设目标建筑结构的位移方程为：
[0022] D二 /!cos(/,诚十科） 阳023] 式中，A为振幅，《为振动频率，^为初相位；
[0024]简谐运动的速度V为：
[00%] 所测多普勒频率fd在时间上也成正弦变化，从而得到目标建筑结构的振动频率 Q〇
[0027] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)测量精度高：本装置信号处射频波 段，高达24. 125GHz，波长短，方向性好，因而具有测量误差很小，精度高的优点；（2)非接 触式测量：本装置与被测建筑结构无需直接接触即可检测到建筑结构的振动信息，可实现 远程监测，方便有效，灵活性高；(3)抗干扰力强：不受各种恶劣天气（如风、雨、雾、沙尘暴 等）的影响，能很好地穿透空气及大气中的烟尘颗粒到达被测目标，亦不受光线条件干扰， 满足在各种外部条件下测量的需要；(4)实时度好：本装置信号W光速传播，从发射信号到 接收反射回来的信号仅需几十万分之一秒，因而可监测出任何时间的建筑结构振动频率并 实时地传递出来，保证了信息的有效性和可靠性。
【附图说明】
[0028]图1为本发明基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量装置的模型图。
[0029] 图2为本发明基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量装置的结构原理框 图。
[0030] 图3为本发明基于多普勒雷达的高层建筑结构振动频率测量装置系统仿真图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032] 结合图1~2,本发明基于多普勒雷达的高层建筑结构（高楼、大桥等）结构振动 频率测量装置，包括交流电源、禪合器、功率放大器、驱动放大器、发射天线、接收天线、低噪 声放大器和混频器，交流电源的输出端通过禪合器分别接入功率放大器、驱动放大器，功率 放大器的输出端接入发射天线，接收天线的输出端通过低噪声放大器接入混频器的一个端 口，驱动放大器的输出端接入混频器的另一个端口；
[0033] 所述交流电源产生射频信号，经禪合器分成两路信号，一路射频信号通过驱动放 大器输入混频器提供本振信号，另一路射频信号经功率放大器放大后送入发射天线发射出 去形成发射信号，该发射信号至振动的目标建筑结构后产生反射信号，所述反射信号由接 收天线接收后经低噪声放大器放大后送入混频器；混频器接收的两种信号混频后取下变频 信号，即得到多普勒频率。
[0034]上述多普勒雷达系统中关键模块的作用及功能如下：
[0035] (1)禪合器主要解决功率分配问题。本装置中，需要提供两路信号，一路为混频器 提供本振信号，一路经目标反射后与本振信号混频；两路信号共同作用后才能得到最终的 多普勒频率。
[0036] (2)功率放大器主要解决微弱信号放大的问题。因输入信号为小信号，所W必须在 传播过程中必须将其放大，提高增益，所W在发射天线前增加该功率放大器。
[0037] (3)低噪声放大器主要为提高输出信噪比W及扩大信号。低噪声放大器即噪声系 数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，W及高灵敏度电 子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很 严重，因此希望减小运种噪声，W提高输出的信噪比。
[0038] (4)混频器主要为得到下变频信号即我们所需要的多普勒频率。变频（或混 频），是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程，具有运种功能的电路称为变 频器或混频器。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，cosacosP= [(303(0+0)+(303(0-0)]/2，其中〇为信号频率量，0为本振频率量，产生和差频。再通 过高频滤波，即可得到下变频信