微波形變雷達(dá)的橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

長(zhǎng)沙深之瞳信息科技有限公司 江成軍

傳統(tǒng)的橋梁長(zhǎng)期健康檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)手段主要包括位移撓度計(jì)、全站儀、差分GPS和光纖應(yīng)變計(jì)等，這些傳統(tǒng)的檢測(cè)手段存在組建成本高、全天候全天時(shí)適應(yīng)性差、多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量能力低等應(yīng)用局限性。隨著日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，形變檢測(cè)技術(shù)也向著精細(xì)化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，而基于差分干涉雷達(dá)技術(shù)的遠(yuǎn)程橋梁形變檢測(cè)雷達(dá)正是近年來(lái)出現(xiàn)的新型形變檢測(cè)技術(shù)手段。

自2005年來(lái)，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)開展了遠(yuǎn)程橋梁形變檢測(cè)雷達(dá)技術(shù)及應(yīng)用方面的研究，包括歐盟綜合研究中心、意大利佛羅倫薩大學(xué)、西班牙卡特倫亞大學(xué)、荷蘭代爾夫特大學(xué)、英國(guó)的謝菲爾德大學(xué)等，但這些研究機(jī)構(gòu)的主要是基礎(chǔ)理論的研究，除了一些原理驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)，并未向產(chǎn)品方面轉(zhuǎn)化。

國(guó)外主要的形變雷達(dá)產(chǎn)品有意大利IDS（Ingegneria Dei Sistemi SpA）公司的IBIS-FS雷達(dá)。雷達(dá)采用步進(jìn)頻率信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)，具有較大的信號(hào)帶寬，可以獲得高的距離分辨率，通過(guò)相位差分測(cè)量可獲得0.1mm的形變測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)多年推廣，IBIS-FS（及其前身IBIS-S）已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)的金江縣金沙江大橋、清江鐵路橋、錢塘江大橋、陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋、CCTV新臺(tái)址等形變檢測(cè)中。通過(guò)大量的實(shí)地試驗(yàn)，證明該技術(shù)無(wú)論在性能上還是使用上，在與壓力計(jì)、振動(dòng)計(jì)、全站儀等傳統(tǒng)設(shè)備的測(cè)量結(jié)果對(duì)比中，都表現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)。但是也應(yīng)該看到，由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴、用戶使用體驗(yàn)還不理想，在產(chǎn)品的使用性、改進(jìn)性方面受到極大的限制，不能很好地滿足我國(guó)橋梁管理養(yǎng)護(hù)部門的實(shí)際應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，微形變檢測(cè)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了很多的探索工作，其中以國(guó)防科技大學(xué)為代表的院校開展了差分干涉測(cè)量雷達(dá)方面的研究，并取得了重大進(jìn)展。在邊坡、大壩等面目標(biāo)檢測(cè)方面已經(jīng)開展應(yīng)用，在橋梁、高層建筑等線目標(biāo)的形變檢測(cè)方面也做了相應(yīng)的探索。把微波形變雷達(dá)技術(shù)用于橋梁健康檢測(cè)預(yù)警，可為橋梁管養(yǎng)部門提供一種全新的技術(shù)手段，可有效提升橋梁的檢測(cè)預(yù)警能力。

微波形變雷達(dá)橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)

微波形變雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)是一種基于微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達(dá)，微波形變雷達(dá)不需要與觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域有直接接觸，受云霧陰雨等氣象條件、惡劣環(huán)境的影響較小，并且在時(shí)域和空域均具有較高的采樣率。相對(duì)于其他橋梁測(cè)量手段的主要優(yōu)勢(shì)為測(cè)量效率高，能夠同時(shí)對(duì)橋上的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量要求雷達(dá)發(fā)射超寬帶微波信號(hào)并采用脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁多個(gè)散射點(diǎn)進(jìn)行空間區(qū)分。

雷達(dá)常用的寬帶信號(hào)波形包括：相位編碼信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)和步進(jìn)頻率信號(hào)等，這些信號(hào)均具有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，需要通過(guò)距離壓縮技術(shù)將其處理成窄脈沖形式，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的目標(biāo)分辨能力。系統(tǒng)根據(jù)功耗、尺寸和作用距離，本系統(tǒng)優(yōu)選線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)（LFMCW）作為發(fā)射波形，其脈沖壓縮原理如圖1所示。

圖1 寬帶距離壓縮技術(shù)原理

雷達(dá)頻率隨時(shí)間線性變化的信號(hào)波形，雷達(dá)接收到信號(hào)后進(jìn)行混頻、濾波和采樣處理，提取每一個(gè)頻率點(diǎn)上回波的振幅和相位，相當(dāng)于雷達(dá)在頻域上提取了目標(biāo)的幅頻響應(yīng)，最后通過(guò)逆傅里葉變換即可重構(gòu)出了目標(biāo)的響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)原本持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的波形已經(jīng)被壓縮成一個(gè)很窄的脈沖，因此能夠較好地分辨相隔很近的目標(biāo)。

相位干涉測(cè)量方法使用兩幅或多幅合成孔徑雷達(dá)圖像，這些圖像對(duì)應(yīng)于不同時(shí)刻對(duì)相同檢測(cè)區(qū)域的重復(fù)觀測(cè)，根據(jù)雷達(dá)接收到的回波的相位差反演生成目標(biāo)形變圖，該形變圖表示了目標(biāo)在雷達(dá)視線方向的位移大小，信息處理軟件可以根據(jù)目標(biāo)的相對(duì)視角和先驗(yàn)信息估計(jì)出目標(biāo)的真實(shí)形變（位移）大小。利用干涉相位反演目標(biāo)位移的原理如圖2所示。

圖2 干涉測(cè)量技術(shù)原理

在圖2中，當(dāng)雷達(dá)第一次發(fā)射和接收雷達(dá)波，可確定目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離r1，當(dāng)目標(biāo)位置發(fā)生變化后，雷達(dá)再次發(fā)射和接收雷達(dá)波，可確定目標(biāo)變化后的距離r2，將兩次雷達(dá)回波共軛相乘，可以提取與目標(biāo)位移大小相關(guān)的相位差信息如式1。

在得到相位差ΔΦ后，即可推算出目標(biāo)的位移量Δr，如式2所示。由于雷達(dá)的發(fā)射波長(zhǎng)很短（厘米級(jí)），因此通過(guò)相位差，估計(jì)目標(biāo)位置可以達(dá)到很高的精度，在快速形變檢測(cè)系統(tǒng)中，發(fā)射波長(zhǎng)約為1.7cm，位移估計(jì)精度可達(dá)0.1mm，能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的精度要求。

直接測(cè)量得到的位移變化量是在距離向(雷達(dá)向)的變化量dr以及仰角α，通過(guò)處理軟件可以將目標(biāo)物的變化情況投影到其他方向上。對(duì)于橋梁目標(biāo)，其形變的主體分量為垂直方向，因此位移投影技術(shù)其原理為：根據(jù)雷達(dá)測(cè)距直接獲得距離向(雷達(dá)向)的變化量dr及雷達(dá)仰角α，則豎直投影方向的形變量為式3。

圖3 橋梁形變測(cè)雷達(dá)原理

橋梁健康檢測(cè)試驗(yàn)與分析

基于微波形變雷達(dá)的檢測(cè)系統(tǒng)在橋梁的檢測(cè)/監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，主要包括以下6個(gè)方面：健康檢測(cè)中位移實(shí)時(shí)檢測(cè)、橋梁荷載試驗(yàn)靜撓度測(cè)試、橋梁荷載試驗(yàn)動(dòng)撓度測(cè)試、斜拉橋和懸索橋的索力測(cè)試、橋梁結(jié)構(gòu)基頻測(cè)試、施工中的拉索調(diào)索實(shí)時(shí)檢測(cè)。

拉索試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)某斜拉橋的北邊主塔的東側(cè)拉索進(jìn)行了測(cè)試，在雷達(dá)回波中，可以清晰地觀察到多條拉索的強(qiáng)回波散射，證明了形變測(cè)量雷達(dá)可以同時(shí)對(duì)多條拉索進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 拉索雷達(dá)散射圖

試驗(yàn)完整地記錄了拉索振動(dòng)的位移數(shù)據(jù)，根據(jù)原始位移數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速傅里葉變換得到形變頻譜，如圖5所示。

圖5 拉索的時(shí)域和頻域圖

湖北仙桃漢江大橋?yàn)閱嗡崩瓨?，?面拉索，單面20根拉索，共計(jì)80根，全部測(cè)量完畢耗時(shí)約2小時(shí)。

動(dòng)載試驗(yàn)

對(duì)海南島環(huán)島高鐵的某高架橋進(jìn)行了動(dòng)載試驗(yàn)，對(duì)80m長(zhǎng)跨的連續(xù)梁的跨中進(jìn)行檢測(cè)。由于列車的駛過(guò)，不僅檢測(cè)到橋梁的撓度變化，而且檢測(cè)到列車對(duì)橋梁造成的振動(dòng)，振動(dòng)基頻為2.479Hz，如圖6所示。

圖6 動(dòng)載試驗(yàn)及結(jié)果分析

靜撓度試驗(yàn)

對(duì)長(zhǎng)沙磁懸浮線某大橋進(jìn)行了靜撓度試驗(yàn)，為了于常規(guī)手段對(duì)比，在橋墩、跨中和1/4跨處安裝了三面角反射器，如圖7所示。

圖7 靜撓度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 靜撓度時(shí)域圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：雷達(dá)測(cè)量精度非常高，對(duì)約100m處目標(biāo)實(shí)測(cè)優(yōu)于0.1mm；雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)更新率很高，達(dá)到200Hz，能夠勝任高速高動(dòng)態(tài)的測(cè)量；雷達(dá)靈敏度高，甚至可觀測(cè)到磁懸浮車輛“砸軌”造成的橋梁細(xì)微振動(dòng)；測(cè)量效率高，多點(diǎn)多跨測(cè)量，非接觸式測(cè)量，部署快速，使用便利，綜合成本低；自動(dòng)化程度高，直接輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可與橋梁檢測(cè)系統(tǒng)緊密對(duì)接。

與激光撓度儀進(jìn)行動(dòng)撓度測(cè)試的結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖9 雷達(dá)采樣率遠(yuǎn)高于激光撓度儀，可以準(zhǔn)確測(cè)量形變峰值

與精密水準(zhǔn)儀、位移計(jì)、形變測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行靜載對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。

表1

基頻試驗(yàn)

長(zhǎng)沙沙河大橋基頻試驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示。

圖10 基頻試驗(yàn)

結(jié)論

橋梁健康檢測(cè)/監(jiān)測(cè)是健康診斷工作的重要組成部分，其中微波形變雷達(dá)是橋梁工程健康檢測(cè)工作中的一種有效檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)在位移實(shí)時(shí)檢測(cè)、靜撓度測(cè)試、動(dòng)撓度測(cè)試、索力測(cè)試、橋梁結(jié)構(gòu)基頻測(cè)試等方面進(jìn)行了較多的試驗(yàn)，反映出微波形變雷達(dá)在橋梁健康檢測(cè)中具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，如精度高、數(shù)據(jù)更新率高，因此測(cè)量靈敏度極高；通常無(wú)需在被測(cè)體上部署標(biāo)靶，使用快捷方便，部署時(shí)間短，使用成本低；可一次性對(duì)橋梁多點(diǎn)或多跨進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量效率更高，數(shù)據(jù)相關(guān)性更好；環(huán)境適應(yīng)性好，不受雨、雪、霧等天氣和白天、黑夜等光照條件影響，可全天時(shí)、全天候工作；可直接獲得實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)等。