【技术实现步骤摘要】
本申请属于雷达测量，具体涉及一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法。
技术介绍
1、二维振动测量是结构健康监测和机器故障分析的重要技术之一。传统二维振动测量主要利用多轴加速度计，激光测振仪，或高分辨率相机。加速度计需要固定在被监测的机器上，并且需要额外的布线来提供电源和传输数据，部署复杂且价格高昂。基于激光和相机的测量方法虽然可以实现非接触式的振动测量，但无法在照明条件差的环境中工作。因此，近年来基于射频信号的测量方案被提出，射频信号可以在光线差的环境中提供非侵入式的振动测量，但是射频识别、超宽带的测量精度受到其信号波长的限制。另外，以上基于激光、相机、以及射频的方案通常需要多个设备来提供目标的多维振动测量，不仅增加了成本，还带来了设备同步的问题。在实际应用中，需要监测的机械、结构可能存在于光线昏暗的工厂，以及室外多雾的环境中，因此需要测量设备在各种环境中都能提供有效的二维振动测量。其次，由于结构健康监测的需求大，布置范围广，因此应考虑使用低成本、易部署的传感器。最后，由于大量设备的振动幅度微小，因此需要测量设备具有较高的测量精度。短波长的毫米波具有不依赖光、穿透性强、测量精度高的特点，低成本的毫米波雷达可以在雾天、光线差的环境提供振动测量，适合大规模部署。
技术实现思路
1、基于此，本专利技术设计了一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量装置及方法，利用低成本的毫米波雷达设备在常见环境下实现精确的二维振动测量。其技术方案为：
2、一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法
3、s1.部署设计的毫米波信号反射器；
4、s2.毫米波雷达发送调频连续波，信号传播到物体后反射回雷达，发射信号和接收信号混频得到中频信号，中频信号经傅里叶变换和波束成形计算出场景中目标的距离和角度，并实现振动信号的分离；
5、s3.从视距信号和非视距信号中提取振动；
6、s4.精确估计目标的距离和角度；
7、s5.将视距方向和非视距方向上的振动信号转换到一组正交坐标轴上，利用雷达、物体、反射面之间的几何关系构建几何模型，利用s4中计算出来的距离角度参数来精确计算二维振动；
8、s6.分别对正交坐标轴x、y上的振动信号进行傅里叶变换得到目标在x轴和y轴方向上的振动频率；分别对正交坐标轴x、y上的振动信号进行峰值检测，并计算峰峰值作为x轴、y轴上的振动位移。
9、优选的，步骤s1中：所述毫米波信号反射器包括两个角反射器，两个角反射器的夹角为θ；在被测目标附近设置反射面，将信号反射器部署在目标上，使得其中一个角反射器中线朝向雷达，另一个角反射器中线朝向环境反射面，从而同时增强视距信号和非视距信号的强度；雷达朝向反射面，用雷达中线方向上的高天线增益来进一步补偿非视距信号多次反射的严重衰减。
10、优选的，步骤s2中，从雷达的信号中能够解析出两个物体，其中一个对应视距方向，是信号直接到达物体的路径；另一个对应非视距方向，是信号经反射面反射后再到达物体的路径。
11、优选的，步骤s3中，由于振动，复信号在同相正交域中形成一段圆弧，利用taubin方法和levenberg-marquardt方法拟合一个圆，然后从复信号中减去圆心，以去除静态信号分量，得到提纯后的振动信号。
12、优选的，步骤s4中，对中频信号执行chirp-z变换和多信号分类算法，准确估计视距信号和非视距信号到雷达的距离和到达角，把距离角度参数送入几何模型计算正交坐标轴上的二维振动，并获取二维振动指标。
13、优选的，步骤s5中：除了雷达与振动目标之间的视距路径外，利用环境中的反射面构建了另一条非视距路径，这条非视距路径可以看作来自一个虚拟的雷达，用于提供第二个维度的振动观测；利用雷达、物体、反射面之间的几何关系建立了几何模型，即有：
14、t为振动目标，rp为雷达所在位置，w为反射面，c为反射点，rv为由反射面构建的虚拟雷达；由于反射原理，构建三角形rptrv、且|crp|＝|crv|；
15、振动目标的坐标记为(x(t),y(t))，因振动而随时间变化；信号从rp直接到达t再返回rp为视距信号，其长度一半记为rl(t)；信号从rp先到c再反射到达t并原路返回rp为非视距信号，其长度一半记为rn(t)，由rn1(t)和rn2(t)两部分组成；
16、真实雷达rp和虚拟雷达rv之间的距离记作rd，在三角形rptrv中，利用海伦公式可将y(t)表示为：
17、
18、其中表示三角形rptrv的面积，p表示三角形rptrv的半周长，即，根据勾股定理将x(t)表示为：
19、
20、优选的，对x(t)和y(t)在(x0,y0)处进行泰勒展开，得到二维振动位移δx(t)和δy(t)如下：
21、
22、其中rl0和rn0分别为rl(t)和rn(t)的初始值，通过对中频信号进行傅里叶变换计算得到；δrl(t)和δrn(t)分别表示目标振动引起的rl(t)和rn(t)的变化，可由视距信号和非视距信号的相位变化δφl(t)和δφn(t)计算得到：
23、
24、公式中用于计算δx(t)和δy(t)的偏导数表示如下：
25、
26、
27、其中，y0和p0分别对应y(t)和p的初始值，即，
28、
29、以上公式表明，四个偏导数是由和rd计算出的；和通过雷达测距得到，在三角形rptrv中应用余弦定理，得到rd表示如下：
30、
31、其中∠rptrv未知，因此，在三角形∠rptc中应用余弦定理表示∠rptrv如下：
32、
33、其中和仍未知，但是它们共同构成了因此可以求解以下方程组计算出和
34、
35、以上方程组中的∠trpc可以通过雷达测角计算得到。
36、优选的，所述毫米波信号反射器包括两个角反射器，两个角反射器的组合角θ为45°；每个角反射器由三个相互垂直相交的面组合而成，能使入射信号在经过多次反射后沿其反向反射回其源，角反射器在其中心线附近±30°的范围内实现较高的信号增强。
37、与现有技术相比，本申请有益效果如下：
38、1.本专利技术能对目标机器和结构实现全天候的二维振动监测，能提供比一维振动监测更全面的信息，更好表征机器和结构的健康状况。
39、2.我们利用环境中的反射面构造了一个虚拟雷达提供第二维的振动观测，节省了部署额外雷达的开销并避免了雷达间同步的问题。
40、3.毫米波穿透性强、无需光照、非侵入性的特点，使得本专利技术在室外雾天、光线弱的工厂均可应用。最后，由于毫米波雷达价格低廉，设计的信号反射器制作简单、无源、且成本低，使得本专利技术适合大规模的部署使用。
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1.一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤S1中：所述毫米波信号反射器包括两个角反射器，两个角反射器的夹角为θ；在被测目标附近设置反射面，将信号反射器部署在目标上，使得其中一个角反射器中线朝向雷达，另一个角反射器中线朝向环境反射面，从而同时增强视距信号和非视距信号的强度；雷达朝向反射面，用雷达中线方向上的高天线增益来进一步补偿非视距信号多次反射的严重衰减。
3.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤S2中，从雷达的信号中能够解析出两个物体，其中一个对应视距方向，是信号直接到达物体的路径；另一个对应非视距方向，是信号经反射面反射后再到达物体的路径。
4.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤S3中，由于振动，复信号在同相正交域中形成一段圆弧，利用Taubin方法和Levenberg-Marquardt方法拟合一个圆，然后从复信号中减去圆心，以去除静态信号分
5.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤S4中，对中频信号执行Chirp-Z变换和多信号分类算法，准确估计视距信号和非视距信号到雷达的距离和到达角，把距离角度参数送入几何模型计算正交坐标轴上的二维振动，并获取二维振动指标。
6.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤S5中：除了雷达与振动目标之间的视距路径外，利用环境中的反射面构建了另一条非视距路径，这条非视距路径可以看作来自一个虚拟的雷达，用于提供第二个维度的振动观测；利用雷达、物体、反射面之间的几何关系建立了几何模型，即有：
7.根据权利要求6所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，对x(t)和y(t)在(x0,y0)处进行泰勒展开，得到二维振动位移Δx(t)和Δy(t)如下：
8.根据权利要求6所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，所述毫米波信号反射器包括两个角反射器，两个角反射器的组合角θ为45°；每个角反射器由三个相互垂直相交的面组合而成，能使入射信号在经过多次反射后沿其反向反射回其源，角反射器在其中心线附近±30°的范围内实现较高的信号增强。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤s1中：所述毫米波信号反射器包括两个角反射器，两个角反射器的夹角为θ；在被测目标附近设置反射面，将信号反射器部署在目标上，使得其中一个角反射器中线朝向雷达，另一个角反射器中线朝向环境反射面，从而同时增强视距信号和非视距信号的强度；雷达朝向反射面，用雷达中线方向上的高天线增益来进一步补偿非视距信号多次反射的严重衰减。
3.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤s2中，从雷达的信号中能够解析出两个物体，其中一个对应视距方向，是信号直接到达物体的路径；另一个对应非视距方向，是信号经反射面反射后再到达物体的路径。
4.根据权利要求1所述的一种基于单个毫米波雷达的二维振动测量方法，其特征在于，步骤s3中，由于振动，复信号在同相正交域中形成一段圆弧，利用taubin方法和levenberg-marquardt方法拟合一个圆，然后从复信号中减去圆心，以去除静态信号分量，得到提纯后的振动信号。
5.根据权利要求1所述...
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