[发明专利]基于多天线毫米波感知的微米级振动检测方法及系统

说明书

本发明公开一种基于多天线毫米波感知的微米级振动检测方法及系统，本发明方法具体如下：步骤一：机械振动的毫米波感知；步骤二：星座DC偏移纠正；步骤三：基于AD算法的相位提取和噪声去除；步骤四：最大比合并算法处理；步骤五：多天线选择。本发明通过对毫米波感知的微多普勒回波信号进行建模和智能分析，解决了DC偏移、噪声、杂波干扰等对感知回波信号影响的问题，实现了高精度机械振动的检测估计的目标。本发明提出的基于多天线选择优化的毫米波微米级振动检测方法及系统，有效提升系统检测的精确度。本发明基于低成本、便携式、低能耗的硬件毫米波感知技术实现了非接触式的连续振动检测。

技术领域

本发明属于振动检测和无线感知技术领域，具体涉及一种基于多天线毫米波(millimeter wave，mmWave)感知的微米级振动检测方法及系统。

背景技术

毫米波是指30～300GHz的频域(波长为1～10mm)，其具有短波长、频带宽、分辨率高、天线波束窄、穿透能力和抗干扰能力强等特点，毫米波传感器可实现高分辨率、高灵敏度、高准确率的目标感知和检测，因此广泛应用于信息安全、医疗健康、自动驾驶、安全搜救等领域，具有非常重要的实用价值。

机械振动是工业中最常见的现象，设备损坏或故障通常会导致设备出现异常振动特性的变化。通过振动测量即测量振动的振幅和频率，可以检查各种工业场景下机器的任务运行状况、识别异常和诊断故障。现有的振动测量技术往往依赖于直接安装在振动物体上的专业传感器，如压电传感器，或光学设备比如激光振动计等，然而，此类设计的部署和维护都较为复杂，且成本高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出一种基于多天线毫米波感知的微米级振动检测方法及系统，本发明通过对毫米波感知的微多普勒回波信号进行建模和智能分析，旨在解决在DC偏移、噪声、杂波干扰对感知回波信号的影响下，实现高精度机械振动的检测估计，有效地提升了系统检测的精确度。本发明基于低成本、便携式、低能耗的硬件毫米波感知技术实现了非接触式的连续振动检测。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于多天线毫米波感知的微米级振动检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一：机械振动的毫米波感知。具体的，采用一个多天线的毫米波感知器探测机械设备的震动，这种探测是无线非接触式的，对机械设备发射调频连续波(Frequency-Modulated Continuous Wave,FMCW)，然后接收机械设备反射的带有机械震动信息的调频连续波；毫米波探针将接收的调频连续波的周期性线性调频信号转化为中频信号(Intermediate Frequency,IF)，通过采样和计算得到多个线性调频周期的中频信号快速傅里叶变换后的结果，计算震动的位移信息。

步骤二：星座DC(Direct Current)偏移纠正。直流偏移会产生更多的相位噪声，使包含振动信息的目标距离像中提取的相位失真。因此，需要正确估计直流偏置以降低相位谐波水平。为了将偏移的星座移到原点，本发明优选通过非线性最小二乘算法对星座的中心进行估计。

步骤三：基于AD(Arctangent Demodulation)的相位提取和噪声去除。通过AD算法提取由于目标振荡运动而产生的雷达信号相位，并对提取相位进行相位展开以获得目标真实的相位变化，同时为减少相移所带来的噪声影响，通过噪声消除方法进行去除。

步骤四：最大比合并(Maximal-Ratio Combining，MRC)处理，为了提高振动检测信号的信噪比，对噪声进行抑制，本发明提出基于多天线采用MRC方法优化组合不同信道获取的目标振动回波信号。

步骤五：多天线选择，由于MRC的权值向量依赖于输入信号之间的互相关矩阵，要达到最佳的MRC性能取决于输入信号的选择，本发明优选通过权重计算选择算法进行多天线选择，识别和消除不良信道，以提高MRC性能。

作为优选，步骤一中的回波信号转化为中频信号并计算震动位移的具体过程为：