微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)橋梁的變形監(jiān)測(cè)

湯振蘇　鄭七振　吳華勇　賈鵬飛

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)方式復(fù)雜且效率低等問題，本文闡述了IBIS-S系統(tǒng)的基本測(cè)量原理，介紹了雷達(dá)監(jiān)測(cè)的兩種關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段相比，IBIS-S更具效率高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)了微變形系統(tǒng)以驗(yàn)證IBIS-S系統(tǒng)的精確性，試驗(yàn)分析表明IBIS-S的精確度較高，誤差較小，在監(jiān)測(cè)條件良好的情況下僅為5%;通過該雷達(dá)對(duì)某地鐵橋梁的實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析獲得的橋梁時(shí)序變形數(shù)據(jù)，結(jié)果表明IBIS-S系統(tǒng)對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效性。

關(guān)鍵詞：IBIS-S系統(tǒng);微變形監(jiān)測(cè);精確度;橋梁監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P258? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0155-03

地基干涉雷達(dá)測(cè)量是一種無接觸的具有高精度、測(cè)量距離遠(yuǎn)、效率高的一種新興的無損遙感技術(shù)，目前正處于核心技術(shù)優(yōu)化，工程的變形監(jiān)測(cè)推廣階段^[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)IBIS-S進(jìn)行了相關(guān)研究。刁建鵬等^[2]使用了地基干涉雷達(dá)技術(shù)對(duì)中央電視臺(tái)發(fā)射塔進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn); Sofi M^[3]等使用IBIS-S對(duì)一座人行天橋進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并與加速度傳感器進(jìn)行比較，得出了兩種測(cè)量方式高度一致性結(jié)果。

本文使用IBIS-S系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的微變形系統(tǒng)進(jìn)行變形對(duì)比，驗(yàn)證該雷達(dá)系統(tǒng)的精度，在室內(nèi)監(jiān)測(cè)情況下其相對(duì)誤差僅為5%;最后通過IBIS-S系統(tǒng)對(duì)上海某一地鐵橋梁的振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證IBIS-S系統(tǒng)對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的有效性。

1 IBIS-S系統(tǒng)與基本原理介紹

IBIS-S系統(tǒng)（圖1所示）是由意大利IDS公司和佛倫倫薩大學(xué)經(jīng)過六年合作的成果^[4]，該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)分析建筑物或者橋梁上每一點(diǎn)的變形振動(dòng)情況。

IBIS-S系統(tǒng)主要使用了兩種雷達(dá)技術(shù)來獲取建筑物的變形信息。步進(jìn)頻率波技術(shù)為IBIS-S系統(tǒng)提供了很高的距離分辨率，其距離向分辨率為0.5m^[5]，即每隔0.5m雷達(dá)就可獲得一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。干涉測(cè)量技術(shù)通過獲取雷達(dá)反射波的相位差求得物體的位移變化，其精度可達(dá)0.01mm。

1.1步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)

IBIS-S系統(tǒng)通過步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)能夠一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射n組步進(jìn)頻率為的電磁波，這些電磁波是有規(guī)律地進(jìn)行階梯變化的雷達(dá)信號(hào)，如圖2所示。雷達(dá)的距離分辨率R和帶寬B的關(guān)系如下式^[6]：

由式（1）可得，距離分辨率僅僅與帶寬B有關(guān)，其中C為光速。IBIS-S系統(tǒng)采用的系統(tǒng)帶寬0.3GHZ，由式（1）可得雷達(dá)的距離分辨率為0.5m。

1.2干涉測(cè)量技術(shù)

干涉測(cè)量技術(shù)是通過獲得不同時(shí)間內(nèi)的反射波的相位差異來獲取物體的位移，如圖3。雷達(dá)發(fā)射電磁波，在電磁波的傳播方向上由電磁波相位差獲取的物體位移為d。

將式子（3）和式子（4）帶入式子（2）可得d=0.000068mm，理論上精度為萬分之一毫米。但是由于實(shí)際情況，這個(gè)精度在觀測(cè)條件良好的情況下，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)0.01mm。

2 IBIS-S與微變形系統(tǒng)的精度對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證IBIS-S的靜態(tài)精度，試驗(yàn)采用IBIS-S和微變形系統(tǒng)真值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)的目標(biāo)為安裝有角反射器的微分頭微變形系統(tǒng)，調(diào)節(jié)微分頭將IBIS-S監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與微變形系統(tǒng)的真值進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)中將微變形系統(tǒng)作為變形體，微變形表座的刻度為一圈50格，每格為0.01mm，即精度為0.01mm。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0.5mm、0.01mm兩種精度對(duì)比方案。

第一次試驗(yàn)，向靠近雷達(dá)的方向調(diào)節(jié)角反射器移動(dòng)0.5mm共三次，最后退回調(diào)節(jié)前的位置。如圖5所示，角反射器經(jīng)過三次0.5mm移動(dòng)后，位移線在-0.5mm、-1mm和-1.5處波動(dòng)，最后回到了原始位置處，雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)光滑平穩(wěn)。

第二次精度對(duì)比試驗(yàn)中角反射器先向雷達(dá)靠近0.01mm。使用真值變形量0.01mm與雷達(dá)的監(jiān)測(cè)變形量對(duì)比。由圖6可以看出，雷達(dá)測(cè)得的位移數(shù)據(jù)在-0.01mm處波動(dòng)，其平均值為-0.0095mm，與真值的絕對(duì)誤差為0.0005mm，相對(duì)誤差僅為5%。

綜上所述，本次試驗(yàn)驗(yàn)證了雷達(dá)系統(tǒng)的精確度，該雷達(dá)系統(tǒng)的精度達(dá)到了亞毫米級(jí)別，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)物體的微小位移。

3 IBIS-S的橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)采集

2020年9月27日，試驗(yàn)的對(duì)象為上海市某一地鐵橋梁，橋梁的跨度約75m，高度約19m的三跨連續(xù)梁。本次試驗(yàn)的設(shè)備垂直放置于橋梁1/4跨的底部（如圖8），雷達(dá)垂直照射梁底，雷達(dá)到測(cè)點(diǎn)的距離為18.35m。雷達(dá)設(shè)置的最大測(cè)量距離為25m，采樣頻率為98HZ，一共采集時(shí)間約11分鐘。

3.2結(jié)果分析

3.2.1變形分析

本次試驗(yàn)觀測(cè)D1號(hào)墩柱和D2號(hào)墩柱之間梁1/4跨處點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移（如圖8）。觀測(cè)到了兩班列車通過，第一列車由西向東行駛，第二輛列車由東向西行駛，從圖9可以看出，310s之前，D1和D2之間梁處于自由微振動(dòng)的狀態(tài)，可以很好地說明雷達(dá)的精度。從310s到335s之間車輛向東行駛，列車先進(jìn)入D1柱和D2柱間，由于車重力，所以梁先下凹，當(dāng)經(jīng)過D2柱時(shí)，由于連續(xù)梁D1和D2間梁體上凸，列車經(jīng)過D3柱，梁體再次下凹并恢復(fù)原有狀態(tài)，四十秒后，另一列車由西向東行駛，變形的模式與前述模式相反，二者的變形模式與連續(xù)梁的位移影響線^[7]相吻合。

3.2.2頻率分析

使用脈動(dòng)法對(duì)橋梁進(jìn)行振動(dòng)特性識(shí)別。由圖9可知，在310s之前，沒有車輛荷載的影響，橋梁由于周邊環(huán)境（大地脈動(dòng)、風(fēng)載）等隨機(jī)激勵(lì)而引起微幅振動(dòng)響應(yīng)，此時(shí)的振動(dòng)變形經(jīng)過頻譜分析可得橋梁的自振頻率，如圖10所示。

當(dāng)有列車通過時(shí)，橋梁在列車荷載的激勵(lì)下，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)^[8]，該振動(dòng)與橋梁的自身屬性有關(guān)。同時(shí)，也可以用車輛余振法^[9]獲得橋梁的自振頻率。如圖11所示，對(duì)330～460s的時(shí)間余振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的頻譜與脈動(dòng)法是幾乎一致的。

在圖9中可以看出，橋梁在314～330s經(jīng)歷了較大的振動(dòng)，歷時(shí)約16s。列車的時(shí)速約80km/h，在16s內(nèi)列車前進(jìn)了355m，而該距離正好約等于該列車的長(zhǎng)度和三跨連續(xù)梁的和。因此，該段時(shí)間為列車車頭進(jìn)入第一跨到車尾離開第三跨的時(shí)間。橋梁的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率為列車經(jīng)過車廂長(zhǎng)度（23.54m）所需的時(shí)間的倒數(shù)^[10]，頻率為f=v/l 。列車速度為80km/h時(shí)，從而可得強(qiáng)迫振動(dòng)頻率0.94Hz，這與圖12的試驗(yàn)結(jié)果（0.76Hz）相似。

綜上，IBIS-S雷達(dá)可以對(duì)橋梁振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效的檢測(cè)。

4結(jié)語

本文研究了IBIS-S雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理，該系統(tǒng)的步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、干涉測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的微變形監(jiān)測(cè)。采用IBIS-S系統(tǒng)對(duì)微變形系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比表明該雷達(dá)系統(tǒng)具有精確度高、穩(wěn)定性好、效率高等巨大優(yōu)點(diǎn)。IBIS-S系統(tǒng)不僅能對(duì)橋的位移影響線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也能獲得橋梁的模態(tài)參數(shù)，更有利于對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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