毫米波雷達(dá)在斜拉橋索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)傳感器存在人力成本高、高空安裝風(fēng)險(xiǎn)大、設(shè)備易損壞、監(jiān)測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，文章以某主橋跨徑為926 m的斜拉橋拉索監(jiān)測(cè)為分析對(duì)象，在斜拉橋索力監(jiān)測(cè)中引進(jìn)并采用毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)，分別采用傳統(tǒng)的加速度傳感器和毫米波雷達(dá)技術(shù)對(duì)該斜拉橋多根拉索的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比。結(jié)果表明，毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)須在拉索上安裝傳感器，可顯著提高測(cè)試效率，大幅節(jié)約人力成本，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多根拉索的同步監(jiān)測(cè)，且與傳統(tǒng)加速度傳感器監(jiān)測(cè)的拉索頻率控制在5%偏差以內(nèi)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá)；斜拉橋；非接觸式；頻率；索力

中圖分類號(hào)：U448.27

0 引言

根據(jù)官方數(shù)據(jù)公示，我國(guó)高速公路里程已達(dá)16×104 km以上，公路橋梁和鐵路橋梁累計(jì)110余萬(wàn)座［1］。橋梁工程受環(huán)境影響、荷載工況、材料性能等多因素影響，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形、損傷等問(wèn)題，這些因素會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的壽命，若未能及時(shí)監(jiān)測(cè)并妥善處理，或會(huì)造成嚴(yán)重安全事故。

基于此，對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的健康狀態(tài)，具有重要的意義。傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀和收斂計(jì)等，這些設(shè)備雖然能夠準(zhǔn)確測(cè)量出橋梁的位移等參數(shù)變化，但耗費(fèi)人力、物力。隨著科技的發(fā)展，涌現(xiàn)出加速度傳感器、光纖應(yīng)變計(jì)［2］、衛(wèi)星導(dǎo)航［3］、三維激光掃描［4］等技術(shù)，這些新科技較傳統(tǒng)設(shè)備提高了測(cè)量精度和操作的便捷性，但也存在設(shè)備易損壞、對(duì)高頻振動(dòng)不敏感或成本高等一系列問(wèn)題。近幾年，毫米波雷達(dá)技術(shù)憑借超高的測(cè)量精度、超高的監(jiān)測(cè)頻率、高分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、非接觸式和可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位移同時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車檢測(cè)、人體健康監(jiān)測(cè)、智慧公路和無(wú)人機(jī)駕駛等［5-9］多個(gè)領(lǐng)域，并取得了良好的應(yīng)用效果。目前，該技術(shù)在國(guó)外橋梁工程健康監(jiān)測(cè)中也有初步的應(yīng)用，并呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)［10-11］。綜上所述，同時(shí)具備體積小、低能耗、無(wú)距離盲區(qū)、無(wú)接觸性測(cè)量且頻率高、精度高的毫米波雷達(dá)完全滿足橋梁工程健康監(jiān)測(cè)的諸多需求，將該技術(shù)推廣應(yīng)用于國(guó)內(nèi)橋梁的健康監(jiān)測(cè)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

在橋梁工程中，拉索的索力監(jiān)測(cè)是確保橋梁結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的索力監(jiān)測(cè)方法采用加速度傳感器法和壓力傳感器法。加速度傳感器作為一種常用的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中。然而，加速度傳感器需要直接安裝在拉索上，這不僅增加了操作難度和高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，還可能對(duì)拉索造成潛在損傷。此外，對(duì)于特大索橋結(jié)構(gòu)，加速度傳感器的安裝和維護(hù)成本也相對(duì)較高。毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射和接收毫米波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)方法相比，毫米波雷達(dá)無(wú)須在拉索上安裝任何裝置，降低了操作復(fù)雜性，提高了測(cè)量精度。

基于此，本文在某斜拉橋上實(shí)施了毫米波雷達(dá)法和加速度傳感器法的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，毫米波雷達(dá)技術(shù)不僅在操作上更為簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性好，而且檢測(cè)精度高。通過(guò)本次試驗(yàn)的對(duì)比分析，研究了毫米波雷達(dá)技術(shù)在橋梁拉索索力檢測(cè)中的應(yīng)用效果，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)論對(duì)于類似工程具有一定的借鑒意義。

1 技術(shù)原理及實(shí)施路線

1.1 技術(shù)原理

作為一種以干涉測(cè)量為基礎(chǔ)的儀器，毫米波雷達(dá)通過(guò)電磁輻射技術(shù)檢測(cè)拉索索力。在測(cè)試過(guò)程中，雷達(dá)根據(jù)發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)之間的相位差異，精確測(cè)量拉索的振動(dòng)位移。

操作過(guò)程中，微波信號(hào)首先由發(fā)射天線發(fā)出，當(dāng)這些信號(hào)遇到拉索索體后，會(huì)被反射回接收天線。對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析后，第n次測(cè)量會(huì)得到一個(gè)采樣復(fù)信號(hào)，該信號(hào)包含了信號(hào)的強(qiáng)度以及觀測(cè)到的相位值φn。雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)不斷地對(duì)輻射場(chǎng)內(nèi)的拉索索體進(jìn)行采樣，如果在第n+1次采樣時(shí)拉索發(fā)生了形變?chǔ)，那么第n+1個(gè)采樣復(fù)信號(hào)就會(huì)反映出相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度和相位變化。毫米波雷達(dá)干涉測(cè)量的基本原理見(jiàn)圖1。

形變相位指2個(gè)觀測(cè)相位的差值：

Δφ=φ1-φ2=-4πλΔr（1）

φ1、φ2和Δφ均屬于區(qū)間［-π，π］中，通常利用復(fù)數(shù)的共軛相乘來(lái)提取干涉相位，其公式為［12］：

S1=A1×ejφ1參考文獻(xiàn)：S2=A2×ejφ1參考文獻(xiàn)：SIF=S1×S2=A1A2×ejΔφ（2）

式中：S——采樣復(fù)信號(hào)；

A——觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度；

φ——觀測(cè)相位值。

毫米波雷達(dá)憑借干涉測(cè)量技術(shù)，能夠精準(zhǔn)地捕捉到目標(biāo)在雷達(dá)與目標(biāo)連線方向上的微小形變量。這種距離的細(xì)微變動(dòng)，雷達(dá)系統(tǒng)能夠以極高的精確度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其視線方向上的測(cè)量精度可達(dá)到0.01～0.1 mm的級(jí)別。由于雷達(dá)系統(tǒng)具備高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的特點(diǎn)，因此能夠連續(xù)不斷地獲取大量分辨單元的形變時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

利用雷達(dá)設(shè)備和采樣物體之間連續(xù)的發(fā)射、反射得出一系列變化相位，計(jì)算出拉索的振動(dòng)位移，再結(jié)合數(shù)值方法對(duì)拉索振動(dòng)頻率時(shí)程曲線進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）［13］：

xa（jf）=FTxa（t）=

xa（t）e-j2πftdt（3）

測(cè)試的時(shí)域信號(hào)通過(guò)DFT，將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，可以得到頻域的特征值，進(jìn)一步提取拉索振動(dòng)的基頻或倍頻特征，之后用頻率法中計(jì)算拉索索力的公式結(jié)合拉索本身的幾何特征來(lái)計(jì)算拉索的索力。

毫米波雷達(dá)在斜拉橋索力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用/

寧寶俊

1.2 實(shí)施步驟

（1）信號(hào)發(fā)射與接收：毫米波雷達(dá)連續(xù)發(fā)射毫米波信號(hào)，并接收來(lái)自拉索的反射信號(hào)。由于拉索的振動(dòng)，反射信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生連續(xù)變化。

（2）相位數(shù)據(jù)處理：通過(guò)對(duì)接收到的反射信號(hào)進(jìn)行相位提取和處理，可以得到一系列相位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)反映了拉索在不同時(shí)間點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。

（3）振動(dòng)位移計(jì)算：利用相位數(shù)據(jù)，結(jié)合干涉測(cè)量原理，可以精確計(jì)算出拉索的振動(dòng)位移。這一步驟是毫米波雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)拉索索力的關(guān)鍵。

（4）頻譜分析：對(duì)計(jì)算出的振動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT），將其從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到拉索的振動(dòng)頻率或頻差特征值。

（5）索力推導(dǎo)：根據(jù)得到的振動(dòng)頻率或頻差，結(jié)合拉索的具體參數(shù)（如長(zhǎng)度、直徑、材料特性等），利用頻率法公式推導(dǎo)出拉索的索力值。

圖2所示為毫米波雷達(dá)測(cè)試索力的分析流程。

2 適用范圍及成本分析

毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)特別適用于特大索橋結(jié)構(gòu)、跨越大江大河或高山峽谷等復(fù)雜環(huán)境下的橋梁工程。在這些環(huán)境中，傳統(tǒng)的加速度傳感器法往往面臨安裝困難、維護(hù)成本高、安裝作業(yè)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。而毫米波雷達(dá)則能夠克服這些困難，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 工程實(shí)例運(yùn)用

3.1 工程概況

某斜拉橋橫跨長(zhǎng)江江面，其主橋?yàn)椴捎妙A(yù)應(yīng)力混凝土-鋼箱混合式主梁的斜拉橋。該斜拉橋跨徑分布為（3×67.5+72.5＋926＋72.5+3×67.5） m，鋼-混結(jié)合段設(shè)置在主跨，距索塔12.5 m，邊跨設(shè)置3個(gè)輔助墩和一個(gè)過(guò)渡墩，主橋長(zhǎng)1 476 m。

如圖3所示，拉索均為平行鋼絲，采用扇形布置，每扇包含30對(duì)拉索，中跨和邊跨標(biāo)準(zhǔn)索距分別為15 m和7.5 m。

3.2 測(cè)試方法

毫米波雷達(dá)測(cè)試?yán)鞣墙佑|測(cè)量主要得益于雷達(dá)發(fā)出的微波在波束角范圍內(nèi)呈扇形分布的特性。當(dāng)這些微波在一定距離內(nèi)傳播時(shí)，若扇形區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)測(cè)點(diǎn)，雷達(dá)便能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些測(cè)點(diǎn)動(dòng)位移的測(cè)試。

在斜拉橋索力測(cè)試中，毫米波雷達(dá)被架設(shè)在橋面上合適的位置。只要有多根拉索位于雷達(dá)的扇形波束范圍內(nèi)，并且這些測(cè)點(diǎn)滿足距離最小分辨率的要求，雷達(dá)便能實(shí)現(xiàn)對(duì)多根拉索索力的同步測(cè)試。這一特性使得毫米波雷達(dá)在測(cè)試?yán)魉髁r(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，因其能同時(shí)測(cè)量多根拉索，而傳統(tǒng)的振動(dòng)法則需要在每根拉索上分別安裝加速度傳感器才能實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于斜拉橋的拉索索力測(cè)試，可以根據(jù)雷達(dá)扇形波速的覆蓋范圍來(lái)選擇合適的位置安裝雷達(dá)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多根拉索索力的同時(shí)測(cè)量（如圖4所示），這種方法大大提高了拉索索力測(cè)試的速度和效率。

針對(duì)5#塔的斜拉索測(cè)試，分別采用毫米波雷達(dá)和加速度傳感器兩種方法進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集。參考文獻(xiàn)：

3.2.1 毫米波雷達(dá)測(cè)試

（1）在橋面上選擇合適的位置架設(shè)毫米波雷達(dá)，確保雷達(dá)的扇形波束能夠覆蓋到5#索塔的T5AX、T5JX、T5AS、T5JS四組斜拉索。

（2）調(diào)整雷達(dá)參數(shù)，確保能夠捕捉到拉索的振動(dòng)信號(hào)。

（3）對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，以保證測(cè)量精度。

（4）開(kāi)始測(cè)量，并記錄各組斜拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

需要注意的是，當(dāng)?shù)鯒U長(zhǎng)度＜3 m時(shí)，由于其剛度較大，振動(dòng)相對(duì)微弱。在這種情況下，采用毫米波雷達(dá)測(cè)量吊桿索力時(shí)，需要通過(guò)橡皮錘敲擊進(jìn)行激振，以增強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)，從而確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2.2 加速度傳感器測(cè)試

（1）在每組斜拉索的每一根拉索上按照試驗(yàn)次序，依次安裝加速度傳感器。

（2）確保傳感器與拉索緊密接觸，以減少測(cè)量誤差。

（3）同步采集傳感器數(shù)據(jù)，與毫米波雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。參考文獻(xiàn)：

3.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)布置

（1）設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保能夠同步采集毫米波雷達(dá)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)能夠快速分析并輸出測(cè)量結(jié)果，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

5#塔的斜拉索通過(guò)雷達(dá)法與加速度傳感器測(cè)量拉索振動(dòng)頻率結(jié)果對(duì)比如圖5～8所示。

兩種方法測(cè)試?yán)黝l率測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示，由表1可知，使用雷達(dá)法與加速度傳感器測(cè)量拉索的頻率試驗(yàn)中，兩種方法測(cè)得的頻率偏差均控制在5%范圍內(nèi)，且大多數(shù)在2%，表征采用毫米波雷達(dá)測(cè)量拉索的振動(dòng)頻率是可行的。

下頁(yè)圖9為表1數(shù)據(jù)整理而成的柱狀圖，可以更加直觀地展示5#塔斜拉索兩種測(cè)試方法測(cè)得的頻率偏差在總數(shù)中的占比組成。

下頁(yè)表2對(duì)比了不同測(cè)試方法得到測(cè)試結(jié)果所使用的時(shí)間和投入人員的數(shù)量。由表可知，使用毫米波雷達(dá)法測(cè)量拉索的頻率相比于使用加速度傳感器的方法，極大地縮短了測(cè)試所用的時(shí)間，并減少了人員投入，提升了橋梁索力監(jiān)測(cè)的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比雷達(dá)法與加速度傳感器法在測(cè)試同一座橋梁拉索振動(dòng)頻率的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）毫米波雷達(dá)和加速度傳感器在測(cè)量拉索頻率時(shí)表現(xiàn)出高度的一致性，這表明毫米波雷達(dá)方法在技術(shù)上都是可靠的。

（2）毫米波雷達(dá)相對(duì)于傳統(tǒng)的頻率法（如使用加速度傳感器的方法）在測(cè)量拉索索力方面具有更強(qiáng)的推廣價(jià)值。毫米波雷達(dá)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多根拉索索力的同步測(cè)量，顯著提高測(cè)試效率，而且無(wú)須在拉索上布置傳感器，避免了可能對(duì)拉索造成的損傷或干擾，使測(cè)試過(guò)程更為簡(jiǎn)便快捷。

綜上所述，毫米波雷達(dá)在橋梁拉索索力測(cè)量中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，其非接觸式、高效率和高精度的特點(diǎn)使其在未來(lái)的橋梁檢測(cè)和維護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：

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