基于微波感知的大型挠性结构全场振动测量方法与实验研究

Large flexible structures, represented by expandable solar panels and long-span bridges, are widely used in military and civilian fields, and they are easy to generate low frequency and large amplitude vibration when disturbed or excited. The easy-to-implement, accurate and reliable full-field vibration measurement is the primary prerequisite and important basis for modal analysis and health monitoring of such structures. Aiming at the research of the full-field vibration response measurement of large flexible structures, a novel theory and method based on microwave sensing will be proposed. Firstly, the microwave radar sensing system with single-transmitting multi-receiving array antennas will be employed and the method to achieving sparse resolution of multiple points in the structure plane based on distance-angle image information will be investigated. Secondly, the research on the method of multi-point synchronous vibration information extraction based on microwave sensing will be carried out. The interference suppression and compensation algorithms for coupling between components and adjacent component interference will be developed, and an effective accuracy evaluation method for measurement in complex test environment will be studied. Lastly, the prototype of the measurement system will be set up and the experimental study on the vibration measurement of large flexible structures will be implemented, which can verify and perfect the proposed theory and related algorithms. The project will make contribution in enriching and developing the basic theory of vibration measurement based on microwave sensing. Meanwhile, it provides a novel method of full-field vibration measurement of large flexible structures.

以可展开太阳能帆板和大跨度桥梁为代表的大型挠性结构在军民领域广泛使用，在受到扰动或激励时易产生低频大幅振动，而易于实施、精确、可靠的结构全场振动响应测量是实现大型挠性结构模态分析与健康监测等的首要前提和重要基础。本项目拟围绕大型挠性结构全场振动响应测量问题开展研究，提出基于微波感知的大型挠性结构全场振动测量新理论与新方法：研究采用单发多收阵列天线体制微波雷达感知系统，基于距离-角度像信息实现结构面内多测点的稀疏分辨；开展基于微波感知的结构全场多点同步振动信息提取方法的研究，发展分量间耦合、邻近多分量相互干扰等的干扰抑制与补偿算法，并研究复杂测试环境下的测量准确度自评估方法；搭建原理样机，开展大型挠性结构的振动响应测量实验研究，验证并完善微波全场振动测量理论与相关算法。本研究丰富和发展了基于微波感知的振动测量基础理论，为大型挠性结构全场振动测量提供了一种新的非接触式全场振动测量技术与方法。

大型挠性结构是航空航天等国防装备和桥梁建筑等大型工程的重要组成部分，对其的全场振动响应测量是实现大型挠性结构模态分析、健康监测及重大装备力学设计与评估的首要前提和重要基础。本项目针对大型挠性结构全场振动测量需求和测试挑战，围绕基于微波感知的大型挠性结构全场振动测量新思路和新途径，研究建立了大型挠性结构微波全场振动感测理论与方法：1）提出并建立了基于距离-角度联合维非线性解调与振动信息反演的微波全场同步振动测量基础理论与方法，揭示了相干波束合成机制下的振动感测机理，发展了基于相位编码控制的快速合成波束扫描式微波全场振动测量方法；2）发展了微波高分辨多尺度振动测量与测量准确度自评估方法，实现了大型挠性结构全场测点的高分辨、多尺度、高精度振动测量；3）提出了多收发器协同的微波三维振动位移测量与误差分析方法，解决了微波测振沿视线方向一维测量的局限性；4）研制了大型挠性结构微波全场振动测量原理样机，开展了航天大型空间结构、大型桥梁结构的应用测试，以及微波全场测振驱动的数字健康、声学传感等的扩展应用研究。通过本项目的研究，推动建立了大型挠性结构微波全场振动感测的基础理论、方法和革新技术，拓展了微波测振和大型结构力学测试的科学前沿。.基于本项目相关研究成果，发表第一标注基金资助的学术论文12篇，其中《中国科学：技术科学》和《振动与冲击》各1篇，EI收录会议论文3篇；申请发明专利21项，其中含PCT专利2项。基于本项目的资助与相关研究，项目负责人于2021年9月由博士后晋升副教授，获批国家自然科学基金面上项目1项，并作为核心骨干参与国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目的研究，获得第一届全国博士后创新创业大赛-创新赛金奖，培养在读博士研究生3名、在读硕士生2名。