基于雷达的目标振动测量技术文献综述

 2022-11-27 16:36:02

文 献 综 述

近年来,在医疗卫生和机械器件检测方面有了越来越高的要求,人们迫切需要通过一种非接触式的以及更加有效的方式获得所需要目标的振动参数,例如实时心跳检测,血液流速监测,呼吸频率,以及机械元器件振动频率检测(以此来判断元器件有无问题)。而如何设计一种仪器,使它能获得短距离目标振动参数就成了众多学者及研究人员需要解决的问题。

这一问题的解决首先让人想到的就是使用雷达和雷达原理来解决。雷达是由于二战时英国急需一种能探测空中金属物体的技术能在反空袭战中用来搜寻德国飞机,而出现的。雷达的基本原理就是雷达向空间某物体发射电磁波,并接受物体反射的电磁波,经过处理后提取有关物体的某些信息(距离、距离变化率或空间位置等)。使用雷达进行振动目标检测主要就是利用雷达与目标之间的相对运动产生的多普勒频移来检测目标运动参数,或通过测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差来测量距离。

自20世纪30年代第一批雷达问世以来,雷达的工作都是基于电磁后向散射原理,主流的雷达硬件和计算方法都是针对大型雷达的检测和跟踪而发展起来的[3]。振动监测是工业、航空等旋转机械状态监测和故障诊断的重要手段。传统上,实现振动信号测量的方法是使用触点传感器,如加速度计[4]。然而,接触的传感在某些情况下并不能有效地工作。随着低成本、高集成度CMOS雷达的发展,另一类振动传感器应运而生,它允许对振动信号进行非接触式测量。非接触方法更灵活,避免了传感器和振动物体之间的任何耦合问题[4]。在20世纪70年代,非接触检测雷达技术首次被引入到医疗保健应用中。近几十年来,通过监测微小的机械运动和位移,研究了用于人体和动物生命体征检测的近程微波雷达,微波雷达波长小,精度高,具有热辐射性质和透射能力,但技术复杂,成本也较高,难以得到普遍使用。

需要解决的问题有使用何种传感器,传感器要达到何种精度;在使用雷达进行测距时,要采用何种频率电磁波;获得测量参数后,使用何种算法处理。

短距离非接触传感器能够远程检测被测对象的精确运动,或无线估计传感器到被测对象之间的距离。在我们的日常生活中他们有着广泛的应用,如心脏搏动和呼吸的非接

触生命体征检测、睡眠监测、占位感知和手势感知等。近几年来,短距离非接触传感器由于其广泛的应用,吸引了越来越多的学术界和工业界的努力[3]。非接触式距离传感器主要有光式、激光和超声传感器,光式主要使用红外线,其成本低廉,但精度差,距离短;激光优势是精度更高,但是它的成本较高,要求在使用时保持干净,并且对于人体可能会有一定的伤害,此研究不太采用;超声波传感器传感器耐污但成本高。有关于采取何种传感器还要与实验时主要检测目标、使用雷达种类以及后续算法等实际情况具体考虑采用。

有关于非接触振动目标的检测现在主要应用于非接触式生理信号和机械振动的非线性相位调制效应。由于频率越高波长越短,在振动检测中,载波频率越高,性能越好,因此现在着重设计雷达传感器工作在高微波波段。对于厘米级运动,2.4GHz雷达具有较高的调制灵敏度,而24 GHz雷达在毫米尺度上具有最佳的调制灵敏度。此次研究主要是对呼吸心跳的运动检测,应该会主要采用24GHz雷达进行检测,已达到最佳的调制灵敏度。

有关于利用FMCW雷达进行的振动目标检测实验,比较主要的还是有关于信号处理的算法问题。在获得运动参数之后,现已有了参数估计问题的DS(CRLB)算法,并已获得一种在仿真中达到边界的估计算法。这些分析表明,FMCW雷达的振动传感是一种很容易实现的振动传感方法而且还能达到亚赫兹频率精度和微米级振幅精度,有利于实验结果的精准度[4]。在基于雷达的振动传感器的不同架构中,调频连续波(FMCW)架构是最灵活的架构之一。在FMCW系统中,由频率合成器产生周期性线性调频信号并发送到目标。反射信号和发射信号的混合产生低频差拍信号,其频率直接对应于目标的范围。可以通过跟踪多个线性调频的拍频信号相位来提供振动或多普勒信号目标的信息。由于传输信号的峰值平均功率比较低,该架构也非常适合低成本CMOS实现,从而实现更高效的功率放大器操作。用FMCW雷达测量的振动参数可以达到很好的精度,具有很大的潜力,可以用作精密非接触式振动传感器。

现今关于振动目标的检测主要还是应用于机械器件检测和生物医疗方面,这些振动目标的运动幅度不大,大多数都是要求有较高的测量精度以及非接触式的测量,现今对于使用测量的仪器要求它既有高精度,也要便于携带,集成度高,不过这些问题随着半导体技术以及集成技术的发展都会得到。

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