变形遥测系统中的关键技术实现

论文摘要

超高压过江铁塔、摩天大楼、桥梁、大坝等大型建筑物或构件在使用中，特别是在灾害环境中会发生变形。变形测量,尤其是变形曲线动态的测量则成为危险信号警报的重要测量手段。如何更精确、更实时的监测这些大型构件的变形尺度变的非常重要。针对这种情况，本文在重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究重点项目的资助下，研究了一种基于扩频技术和无线电遥测技术相结合的变形监测技术。主要研究工作如下：一、阐述了变形测量系统的工作原理、系统结构。在大型建筑物上安装射频信标机，各信标机的载波是相同的，但分别调制有不同彼此正交的伪随机码(PN码)。遥测接收机接收多个射频信标机的混合信号,采用载波分离电路分离出各个信标机的载波,然后使用鉴相器测出这些信标机载波之间的相位差,这些相位差反映了信标机的相对位移变化量,从而可测出被测物体的变形曲线。二、设计和实现了微变形扩频信标机。将FPGA芯片上的系统时钟分频后作为伪码的时钟产生彼此正交的伪随机码，并与余弦信号相乘得到中频的扩频调制信号，然后将中频信号上变频到射频信号，最后经天线发射出去。三、设计和实现了微变形扩频接收机。具体设计和实现的模块有：数字下变频模块、伪码同步模块、数字鉴相模块等。其中，伪码同步模块是由捕获和跟踪两个部分组成。伪码捕获采用滑动相关捕获法实现、伪码跟踪部分采用延迟锁定环的方法实现。论文使用ISE、Modelsim、ChipScope等软件工具完成变形遥测算法的设计实现、综合和功能仿真，并在FPGA芯片上进行了验证。该变形测量系统具有结构简单、便于安装、操作简便、精度高等特点，可用于在复杂环境条件下全天候精确测量大型构件的变形状况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景及研究意义
• 1.1.1 论文研究的背景
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 变形监测技术的研究现状
• 1.2.2 无线电遥测技术的研究概况
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 无线电微变形测量系统分析
• 2.1 微波比相测距的基本原理
• 2.2 系统分析
• 2.2.1 基于反射的微变形测量系统基本原理
• 2.2.2 基于光载无线（ROF）的微变形测量基本原理
• 2.2.3 基于 GPS 载波相位测量系统基本原理
• 2.2.4 基于扩频微变形测量系统基本原理
• 2.3 本章小结
• 3 扩频技术基本原理及伪随机码的选择
• 3.1 扩频通信系统基本原理
• 3.2 PN 码的选择
• 3.2.1 m 序列
• 3.2.2 Gold 码序列
• 3.2.3 Walsh 序列
• 3.2.4 m 序列和 Gold 码的性能比较
• 3.3 本章小结
• 4 扩频信标机的设计与 FPGA 实现
• 4.1 信标机发射端原理
• 4.2 系统实现硬件平台
• 4.2.1 Xilinx 公司研制开发的 FPGA 芯片主要特征
• 4.2.2 FPGA 软件设计
• 4.2.3 采用 VHDL 设计综合过程
• 4.2.4 信标机硬件实现系统
• 4.3 信标机基带部分 FPGA 设计与实现
• 4.3.1 时钟分频模块
• 4.3.2 GOLD 码的产生
• 4.3.3 扩频调制模块
• 4.4 基带发射机实物
• 4.5 信道基本功能及性能要求
• 4.6 发射天线实物
• 4.7 本章小结
• 5 扩频接收机的设计与 FPGA 实现
• 5.1 扩频接收机原理
• 5.2 同步模块的 FPGA 设计与实现
• 5.2.1 数字下变频模块
• 5.2.2 伪码捕获的 FPGA 实现
• 5.2.3 伪码跟踪的 FPGA 实现
• 5.3 发射和接收联合系统
• 5.4 数字鉴相模块
• 5.5 变形角度的提取
• 5.6 接收机信道及天线
• 5.7 接收机基带开发板
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果