本發(fā)明涉及微波感知的位移測量的，具體地，涉及微波大量程高精度位移測量方法、系統(tǒng)、裝置及介質。

背景技術：

1、基于微波感知的位移測量技術由于其優(yōu)異的環(huán)境適應性和多目標測量的能力，在橋梁結構的形變測量和人類生命體征的呼吸心跳監(jiān)測等領域已展現(xiàn)出了巨大的潛力。此外，基于遠距離探測和大視場范圍測量的顯著優(yōu)勢，微波位移測量技術在航空航天等大型裝備的大幅振動與形變位移測量中具有廣闊的應用前景。然而，現(xiàn)有微波位移測量技術僅僅適用于小尺度的位移測量，超大型結構的大量程位移往往會超出現(xiàn)有技術的量程，導致現(xiàn)有技術測量的結果會存在顯著的誤差。為實現(xiàn)微波大量程位移的高精度測量，已有的技術方法是基于多項式運動參數(shù)模型，通過累加待測目標在不同運動階段的能量來估計多個運動模型的參數(shù)來近似得到目標的大量程位移。然而，上述技術和方法通常需要較高的計算成本，并且嚴重依賴預定義的運動參數(shù)模型，不適用于復雜運動位移的提取。另一方面，現(xiàn)有技術和方法僅適用于基于單通道的fmcw的微波位移測量技術，無法解決基于多通道的fmcw的位移測量技術在大量程位移測量中出現(xiàn)顯著誤差的問題。因此，如何實現(xiàn)基于微波感知的大量程位移的高精度測量具有迫切的工程需求，是本領域技術人員迫切需要解決的難題。

2、現(xiàn)有的基于多項式運動參數(shù)模型和能量積分的參數(shù)搜索技術通常需要較高的計算成本，并且嚴重依賴預定義的運動參數(shù)模型，不適用于復雜運動位移的提取。

3、此外，現(xiàn)有的技術和方法僅適用于基于單通道的fmcw的微波位移測量技術，無法解決基于多通道的fmcw的微波位移測量技術在測量大量程位移時存在顯著誤差的問題。

4、因此，需要提出一種新的技術方案以改善上述技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明人經(jīng)過長期的觀察和實驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術依然存在以下問題：

2、當目標存在大尺度位移的運動時，測量結果的誤差會隨著位移的增大而增大，并且會出現(xiàn)跳變誤差。本發(fā)明指出了上述大尺度位移測量下的誤差的來源：目標的大尺度位移運動會導致成像結果中出現(xiàn)跨距離單元或者跨角度單元從而引起相位跳變以及位移測量的誤差，這嚴重限制了微波位移測量方法的量程。

3、針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種微波大量程高精度位移測量方法、系統(tǒng)、裝置及介質。

4、根據(jù)本發(fā)明提供的一種微波大量程高精度位移測量方法，所述方法包括如下步驟：

5、步驟s1：利用成像方法對微波收發(fā)器基帶信號進行處理，得到距離-時間像和角度-時間像，并提取待測目標運動的距離-時間脊線和角度-時間脊線；

6、步驟s2：利用提取的待測目標運動的距離-時間脊線和角度-時間脊線對微波收發(fā)器基帶信號進行解調；

7、步驟s3：對解調后的基帶信號進行成像或者直接計算第0個距離單元和第0個角度單元的相位演變追蹤，提取待測目標的位移。

8、優(yōu)選地，所述步驟s1包括如下步驟：

9、步驟s1.1：利用包括傅里葉變換在內的成像方法對微波收發(fā)器基帶信號快時間維度進行處理，從距離-時間像中提取待測目標的距離-時間脊線：

10、

11、其中，p是快時間未細化的成像結果的索引，δr是距離分辨率；

12、步驟s1.2：利用包括傅里葉變換在內的成像方法對微波收發(fā)器基帶信號天線通道維度進行處理，從角度-時間像中提取待測目標的角度-時間脊線；

13、

14、其中，q是天線通道維未細化的成像結果的索引，δα是角度分辨率。

15、優(yōu)選地，所述步驟s2中：

16、原始微波收發(fā)器基帶信號的成像結果表示為：

17、

18、其中，t,n分別為掃頻周期和天線通道的總數(shù)目，a是信號的幅值系數(shù)，rf為距離維對應的頻率軸換算成的距離軸，αf為角度維對應的頻率軸換算成的角度軸，k是掃頻的斜率，c是光速，d是天線陣列的間距，λc是中心載波頻率對應的波長，τ是慢時間，r(τ),α(τ)為目標真實的距離和角度；

19、上述成像的結果存在零點為：

20、

21、其中，p,q為非零整數(shù)，re,αe為估計的目標的距離和角度，在上述零點的兩側，成像結果的相位會發(fā)生跳變誤差，即：

22、

23、-1＝exp(jπ)

24、其中，sign[·]為符號函數(shù)，當發(fā)生上述跳變時，目標的距離和角度將會滿足如下關系：

25、r(τ)-re＝q·δr

26、α(τ)-αe＝q·δα

27、因此，上述跳變誤差的產生是由于目標在大量程運動過程中跨越了距離單元和角度單元，通過對基帶信號進行解調能夠消除上述跳變誤差；

28、定義距離角度聯(lián)合維的解調算子使得目標的距離角度位置經(jīng)過解調后不再跨距離單元和角度單元，其中一種解調算子定義為：

29、

30、其中，t是快時間，n維天線通道；

31、解調后的微波收發(fā)器基帶信號：

32、

33、對解調后的基帶信號進行成像，得到結果為：

34、

35、優(yōu)選地，所述步驟s3中：

36、對解調后的基帶信號進行成像或者直接計算第0個距離單元和第0個角度單元的相位演變追蹤，提取待測目標的位移：

37、

38、式中，unwrap[·]表示相位解卷繞操作，arg[·]表示取相位操作，εr,εα為經(jīng)過解調后待測目標所在的距離和角度。

39、本發(fā)明還提供一種微波大量程高精度位移測量裝置，所述裝置應用于上述中的微波大量程高精度位移測量方法，包括：

40、微波信號采集單元：由多通道的fmcw微波收發(fā)器，數(shù)據(jù)采集子單元和控制器組成；多通道的fmcw微波收發(fā)器，采用時分復用的工作方式向視場范圍內發(fā)射多通道的線性調頻連續(xù)波信號，并接收來自目標反射的回波信號，經(jīng)過下變頻后得到多通道基帶信號；數(shù)據(jù)采集子單元將多通道的fmcw微波收發(fā)器輸出的基帶信號采集并傳輸給后續(xù)的脊線提取單元和信號解調單元；控制器用于控制多通道的fmcw微波收發(fā)器的信號發(fā)射和接收、數(shù)據(jù)采集子單元對基帶信號的采集和傳輸；

41、脊線提取單元：包括距離-時間脊線子單元和角度-時間脊線子單元；距離-時間脊線子單元利用包括傅里葉變換在內的成像方法獲得距離-時間像，并從中提取距離-時間脊線；角度-時間脊線子單元利用包括傅里葉變換在內的成像方法獲得角度-時間像，并從中提取角度-時間脊線；

42、信號解調單元：包括信號解調子單元；信號解調子單元利用提取的距離-時間脊線和角度-時間脊線構造距離角度聯(lián)合維的解調算子，并對基帶信號進行解調，并將解調后的基帶信號傳輸給后續(xù)的目標位移提取單元；

43、目標位移提取單元：包括位移提取子單元；位移提取子單元對解調后的基帶信號進行成像，并從成像結果的第0個距離單元和第0個角度單元處提取相位演變，計算待測目標的位移。

44、本發(fā)明還提供一種微波大量程高精度位移測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括如下模塊：

45、模塊m1：利用成像系統(tǒng)對微波收發(fā)器基帶信號進行處理，得到距離-時間像和角度-時間像，并提取待測目標運動的距離-時間脊線和角度-時間脊線；

46、模塊m2：利用提取的待測目標運動的距離-時間脊線和角度-時間脊線對微波收發(fā)器基帶信號進行解調，得到成像結果；

47、模塊m3：對解調后的基帶信號進行成像或者直接計算第0個距離單元和第0個角度單元的相位演變追蹤，提取待測目標的位移。

48、優(yōu)選地，所述模塊m1包括如下模塊：

49、模塊m1.1：利用包括傅里葉變換在內的成像系統(tǒng)對微波收發(fā)器基帶信號快時間維度進行處理，從距離-時間像中提取待測目標的距離-時間脊線：

50、

51、其中，p是快時間未細化的成像結果的索引，δr是距離分辨率；

52、模塊m1.2：利用包括傅里葉變換在內的成像系統(tǒng)對微波收發(fā)器基帶信號天線通道維度進行處理，從角度-時間像中提取待測目標的角度-時間脊線；

53、

54、其中，q是天線通道維未細化的成像結果的索引，δα是角度分辨率。

55、優(yōu)選地，所述模塊m2中：

56、原始微波收發(fā)器基帶信號的成像結果表示為：

57、

58、其中，t,n分別為掃頻周期和天線通道的總數(shù)目，a是信號的幅值系數(shù)，rf為距離維對應的頻率軸換算成的距離軸，αf為角度維對應的頻率軸換算成的角度軸，k是掃頻的斜率，c是光速，d是天線陣列的間距，λc是中心載波頻率對應的波長，τ是慢時間，r(τ),α(τ)為目標真實的距離和角度；

59、上述成像的結果存在零點為：

60、

61、其中，p,q為非零整數(shù)，re,αe為估計的目標的距離和角度，在上述零點的兩側，成像結果的相位會發(fā)生跳變誤差，即：

62、

63、-1＝exp(jπ)

64、其中，sign[·]為符號函數(shù)，當發(fā)生上述跳變時，目標的距離和角度將會滿足如下關系：

65、r(τ)-re＝q·δr

66、α(τ)-αe＝q·δα

67、因此，上述跳變誤差的產生是由于目標在大量程運動過程中跨越了距離單元和角度單元，通過對基帶信號進行解調能夠消除上述跳變誤差；

68、定義距離角度聯(lián)合維的解調算子使得目標的距離角度位置經(jīng)過解調后不再跨距離單元和角度單元，其中一種解調算子定義為：

69、

70、其中，t是快時間，n維天線通道；

71、解調后的微波收發(fā)器基帶信號：

72、

73、對解調后的基帶信號進行成像，得到結果為：

74、

75、優(yōu)選地，所述模塊m3中：

76、對解調后的基帶信號進行成像或者直接計算第0個距離單元和第0個角度單元的相位演變追蹤，提取待測目標的位移：

77、

78、式中，unwrap[·]表示相位解卷繞操作，arg[·]表示取相位操作，εr,εα為經(jīng)過解調后待測目標所在的距離和角度。

79、本發(fā)明還提供一種存儲有計算機程序的計算機可讀存儲介質，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述中的微波大量程高精度位移測量方法的步驟。

80、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

81、1、本發(fā)明實現(xiàn)了基于多通道的fmcw的大量程位移的高精度測量；避免了對目標運動模型的依賴性；

82、2、本發(fā)明克服了現(xiàn)有的微波位移測量技術無法實現(xiàn)目標大量程位移的高精度測量的難題；避免了現(xiàn)有技術在大量程位移估計時需要預知目標運動模型的依賴性；拓寬了微波位移測量技術的適用范圍和應用空間。

83、3、本發(fā)明既可以解決單通道fmcw大尺度位移測量中跨距離單元引起的跳變問題，也可以解決多通道fmcw大尺度位移測量中目標跨距離單元和跨角度單元引起的跳變問題；在單通道的fmcw大尺度位移測量中只需要獲得目標的距離-時間像和距離-時間脊線。