微波干涉雷達系統(tǒng)對橋梁的變形監(jiān)測

湯振蘇　鄭七振　吳華勇　賈鵬飛

摘 要：針對傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方式復雜且效率低等問題，本文闡述了IBIS-S系統(tǒng)的基本測量原理，介紹了雷達監(jiān)測的兩種關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段相比，IBIS-S更具效率高、測量距離遠、精確度高等優(yōu)點。設(shè)計了微變形系統(tǒng)以驗證IBIS-S系統(tǒng)的精確性，試驗分析表明IBIS-S的精確度較高，誤差較小，在監(jiān)測條件良好的情況下僅為5%;通過該雷達對某地鐵橋梁的實時振動監(jiān)測，分析獲得的橋梁時序變形數(shù)據(jù)，結(jié)果表明IBIS-S系統(tǒng)對橋梁動態(tài)監(jiān)測的有效性。

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

中圖分類號：P258? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0155-03

地基干涉雷達測量是一種無接觸的具有高精度、測量距離遠、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)測推廣階段^[1]。目前，國內(nèi)外學者都對IBIS-S進行了相關(guān)研究。刁建鵬等^[2]使用了地基干涉雷達技術(shù)對中央電視臺發(fā)射塔進行了變形監(jiān)測實驗; Sofi M^[3]等使用IBIS-S對一座人行天橋進行動態(tài)監(jiān)測，并與加速度傳感器進行比較，得出了兩種測量方式高度一致性結(jié)果。

本文使用IBIS-S系統(tǒng)與設(shè)計的微變形系統(tǒng)進行變形對比，驗證該雷達系統(tǒng)的精度，在室內(nèi)監(jiān)測情況下其相對誤差僅為5%;最后通過IBIS-S系統(tǒng)對上海某一地鐵橋梁的振動測試，驗證IBIS-S系統(tǒng)對橋梁動態(tài)振動監(jiān)測的有效性。

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經(jīng)過六年合作的成果^[4]，該系統(tǒng)主要監(jiān)測分析建筑物或者橋梁上每一點的變形振動情況。

IBIS-S系統(tǒng)主要使用了兩種雷達技術(shù)來獲取建筑物的變形信息。步進頻率波技術(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雷達就可獲得一個測量點的變形數(shù)據(jù)。干涉測量技術(shù)通過獲取雷達反射波的相位差求得物體的位移變化，其精度可達0.01mm。

1.1步進頻率連續(xù)波技術(shù)

IBIS-S系統(tǒng)通過步進頻率連續(xù)波技術(shù)能夠一段時間內(nèi)發(fā)射n組步進頻率為的電磁波，這些電磁波是有規(guī)律地進行階梯變化的雷達信號，如圖2所示。雷達的距離分辨率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）可得雷達的距離分辨率為0.5m。

1.2干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)是通過獲得不同時間內(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。但是由于實際情況，這個精度在觀測條件良好的情況下，監(jiān)測精度可達0.01mm。

2 IBIS-S與微變形系統(tǒng)的精度對比試驗

為了驗證IBIS-S的靜態(tài)精度，試驗采用IBIS-S和微變形系統(tǒng)真值進行對比。試驗的目標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)測數(shù)據(jù)與微變形系統(tǒng)的真值進行對比，現(xiàn)場試驗布置如圖4所示。

實驗中將微變形系統(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。本次試驗設(shè)計了0.5mm、0.01mm兩種精度對比方案。

第一次試驗，向靠近雷達的方向調(diào)節(jié)角反射器移動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移動后，位移線在-0.5mm、-1mm和-1.5處波動，最后回到了原始位置處，雷達獲得的數(shù)據(jù)光滑平穩(wěn)。

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

綜上所述，本次試驗驗證了雷達系統(tǒng)的精確度，該雷達系統(tǒng)的精度達到了亞毫米級別，能夠準確地監(jiān)測物體的微小位移。

3 IBIS-S的橋梁動態(tài)監(jiān)測試驗

3.1試驗條件和數(shù)據(jù)采集

2020年9月27日，試驗的對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。本次試驗的設(shè)備垂直放置于橋梁1/4跨的底部（如圖8），雷達垂直照射梁底，雷達到測點的距離為18.35m。雷達設(shè)置的最大測量距離為25m，采樣頻率為98HZ，一共采集時間約11分鐘。

3.2結(jié)果分析

3.2.1變形分析

本次試驗觀測D1號墩柱和D2號墩柱之間梁1/4跨處點的動態(tài)位移（如圖8）。觀測到了兩班列車通過，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的狀態(tài)，可以很好地說明雷達的精度。從310s到335s之間車輛向東行駛，列車先進入D1柱和D2柱間，由于車重力，所以梁先下凹，當經(jīng)過D2柱時，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

使用脈動法對橋梁進行振動特性識別。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、風載）等隨機激勵而引起微幅振動響應，此時的振動變形經(jīng)過頻譜分析可得橋梁的自振頻率，如圖10所示。

當有列車通過時，橋梁在列車荷載的激勵下，便會產(chǎn)生強迫振動^[8]，該振動與橋梁的自身屬性有關(guān)。同時，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330～460s的時間余振數(shù)據(jù)進行處理，得到的頻譜與脈動法是幾乎一致的。

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

綜上，IBIS-S雷達可以對橋梁振動狀態(tài)進行有效的檢測。

4結(jié)語

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

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