毫米波雷達(dá)在斜拉橋索力監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：針對傳統(tǒng)傳感器存在人力成本高、高空安裝風(fēng)險大、設(shè)備易損壞、監(jiān)測耗時長等問題，文章以某主橋跨徑為926 m的斜拉橋拉索監(jiān)測為分析對象，在斜拉橋索力監(jiān)測中引進(jìn)并采用毫米波雷達(dá)監(jiān)測技術(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)對該斜拉橋多根拉索的振動情況進(jìn)行監(jiān)測對比。結(jié)果表明，毫米波雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)無須在拉索上安裝傳感器，可顯著提高測試效率，大幅節(jié)約人力成本，可實現(xiàn)同時對多根拉索的同步監(jiān)測，且與傳統(tǒng)加速度傳感器監(jiān)測的拉索頻率控制在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：U448.27

0 引言

根據(jù)官方數(shù)據(jù)公示，我國高速公路里程已達(dá)16×104 km以上，公路橋梁和鐵路橋梁累計110余萬座［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)會產(chǎn)生不同程度的變形、損傷等問題，這些因素會影響橋梁結(jié)構(gòu)的壽命，若未能及時監(jiān)測并妥善處理，或會造成嚴(yán)重安全事故。

基于此，對橋梁進(jìn)行監(jiān)測，及時獲取相關(guān)測量數(shù)據(jù)并準(zhǔn)確評估橋梁的健康狀態(tài)，具有重要的意義。傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀和收斂計等，這些設(shè)備雖然能夠準(zhǔn)確測量出橋梁的位移等參數(shù)變化，但耗費人力、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［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)備提高了測量精度和操作的便捷性，但也存在設(shè)備易損壞、對高頻振動不敏感或成本高等一系列問題。近幾年，毫米波雷達(dá)技術(shù)憑借超高的測量精度、超高的監(jiān)測頻率、高分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、非接觸式和可實現(xiàn)多點位移同時測量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車檢測、人體健康監(jiān)測、智慧公路和無人機(jī)駕駛等［5-9］多個領(lǐng)域，并取得了良好的應(yīng)用效果。目前，該技術(shù)在國外橋梁工程健康監(jiān)測中也有初步的應(yīng)用，并呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢［10-11］。綜上所述，同時具備體積小、低能耗、無距離盲區(qū)、無接觸性測量且頻率高、精度高的毫米波雷達(dá)完全滿足橋梁工程健康監(jiān)測的諸多需求，將該技術(shù)推廣應(yīng)用于國內(nèi)橋梁的健康監(jiān)測具有很好的應(yīng)用價值。

在橋梁工程中，拉索的索力監(jiān)測是確保橋梁結(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監(jiān)測設(shè)備，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。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，還可能對拉索造成潛在損傷。此外，對于特大索橋結(jié)構(gòu)，加速度傳感器的安裝和維護(hù)成本也相對較高。毫米波雷達(dá)通過發(fā)射和接收毫米波信號，實現(xiàn)對拉索振動情況的實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)方法相比，毫米波雷達(dá)無須在拉索上安裝任何裝置，降低了操作復(fù)雜性，提高了測量精度。

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

1 技術(shù)原理及實施路線

1.1 技術(shù)原理

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

操作過程中，微波信號首先由發(fā)射天線發(fā)出，當(dāng)這些信號遇到拉索索體后，會被反射回接收天線。對收集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析后，第n次測量會得到一個采樣復(fù)信號，該信號包含了信號的強(qiáng)度以及觀測到的相位值φn。雷達(dá)系統(tǒng)會不斷地對輻射場內(nèi)的拉索索體進(jìn)行采樣，如果在第n+1次采樣時拉索發(fā)生了形變Δr，那么第n+1個采樣復(fù)信號就會反映出相應(yīng)的信號強(qiáng)度和相位變化。毫米波雷達(dá)干涉測量的基本原理見圖1。

形變相位指2個觀測相位的差值：

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；

A——觀測信號的強(qiáng)度；

φ——觀測相位值。

毫米波雷達(dá)憑借干涉測量技術(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，雷達(dá)系統(tǒng)能夠以極高的精確度進(jìn)行監(jiān)測，其視線方向上的測量精度可達(dá)到0.01～0.1 mm的級別。由于雷達(dá)系統(tǒng)具備高時間分辨率和高空間分辨率的特點，因此能夠連續(xù)不斷地獲取大量分辨單元的形變時間序列數(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，計算出拉索的振動位移，再結(jié)合數(shù)值方法對拉索振動頻率時程曲線進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）［13］：

xa（jf）=FTxa（t）=

xa（t）e-j2πftdt（3）

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

毫米波雷達(dá)在斜拉橋索力監(jiān)測中的應(yīng)用/

寧寶俊

1.2 實施步驟

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

（2）相位數(shù)據(jù)處理：通過對接收到的反射信號進(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間點的振動狀態(tài)。

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

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

（5）索力推導(dǎo)：根據(jù)得到的振動頻率或頻差，結(jié)合拉索的具體參數(shù)（如長度、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)險大等問題。而毫米波雷達(dá)則能夠克服這些困難，實現(xiàn)對拉索索力的實時監(jiān)測。

3 工程實例運用

3.1 工程概況

某斜拉橋橫跨長江江面，其主橋為采用預(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個輔助墩和一個過渡墩，主橋長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 測試方法

毫米波雷達(dá)測試?yán)鞣墙佑|測量主要得益于雷達(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，若扇形區(qū)域內(nèi)存在多個測點，雷達(dá)便能同時實現(xiàn)對這些測點動位移的測試。

在斜拉橋索力測試中，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)，并且這些測點滿足距離最小分辨率的要求，雷達(dá)便能實現(xiàn)對多根拉索索力的同步測試。這一特性使得毫米波雷達(dá)在測試?yán)魉髁r具有顯著優(yōu)勢，因其能同時測量多根拉索，而傳統(tǒng)的振動法則需要在每根拉索上分別安裝加速度傳感器才能實現(xiàn)。

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

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

3.2.1 毫米波雷達(dá)測試

（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信號。

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

（4）開始測量，并記錄各組斜拉索的振動數(shù)據(jù)。

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

3.2.2 加速度傳感器測試

（1）在每組斜拉索的每一根拉索上按照試驗次序，依次安裝加速度傳感器。

（2）確保傳感器與拉索緊密接觸，以減少測量誤差。

（3）同步采集傳感器數(shù)據(jù)，與毫米波雷達(dá)的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。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量結(jié)果，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整。

3.3 測試結(jié)果分析

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

兩種方法測試?yán)黝l率測試結(jié)果統(tǒng)計如表1所示，由表1可知，使用雷達(dá)法與加速度傳感器測量拉索的頻率試驗中，兩種方法測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)測量拉索的振動頻率是可行的。

下頁圖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#塔斜拉索兩種測試方法測得的頻率偏差在總數(shù)中的占比組成。

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

4 結(jié)語

通過對比雷達(dá)法與加速度傳感器法在測試同一座橋梁拉索振動頻率的結(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量拉索頻率時表現(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)相對于傳統(tǒng)的頻率法（如使用加速度傳感器的方法）在測量拉索索力方面具有更強(qiáng)的推廣價值。毫米波雷達(dá)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多根拉索索力的同步測量，顯著提高測試效率，而且無須在拉索上布置傳感器，避免了可能對拉索造成的損傷或干擾，使測試過程更為簡便快捷。

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

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