微波形變雷達的橋梁健康檢測系統應用研究

長沙深之瞳信息科技有限公司 江成軍

傳統的橋梁長期健康檢測、監測技術手段主要包括位移撓度計、全站儀、差分GPS和光纖應變計等，這些傳統的檢測手段存在組建成本高、全天候全天時適應性差、多點連續測量能力低等應用局限性。隨著日益增長的應用需求，形變檢測技術也向著精細化、自動化、智能化的方向發展，而基于差分干涉雷達技術的遠程橋梁形變檢測雷達正是近年來出現的新型形變檢測技術手段。

自2005年來，國外許多研究機構開展了遠程橋梁形變檢測雷達技術及應用方面的研究，包括歐盟綜合研究中心、意大利佛羅倫薩大學、西班牙卡特倫亞大學、荷蘭代爾夫特大學、英國的謝菲爾德大學等，但這些研究機構的主要是基礎理論的研究，除了一些原理驗證試驗平臺，并未向產品方面轉化。

國外主要的形變雷達產品有意大利IDS（Ingegneria Dei Sistemi SpA）公司的IBIS-FS雷達。雷達采用步進頻率信號和線性調頻信號，具有較大的信號帶寬，可以獲得高的距離分辨率，通過相位差分測量可獲得0.1mm的形變測量精度。經過多年推廣，IBIS-FS（及其前身IBIS-S）已經成功應用于我國的金江縣金沙江大橋、清江鐵路橋、錢塘江大橋、陽邏長江公路大橋、CCTV新臺址等形變檢測中。通過大量的實地試驗，證明該技術無論在性能上還是使用上，在與壓力計、振動計、全站儀等傳統設備的測量結果對比中，都表現出了顯著優勢。但是也應該看到，由于進口設備價格昂貴、用戶使用體驗還不理想，在產品的使用性、改進性方面受到極大的限制，不能很好地滿足我國橋梁管理養護部門的實際應用。

在國內，微形變檢測雷達關鍵技術已經進行了很多的探索工作，其中以國防科技大學為代表的院校開展了差分干涉測量雷達方面的研究，并取得了重大進展。在邊坡、大壩等面目標檢測方面已經開展應用，在橋梁、高層建筑等線目標的形變檢測方面也做了相應的探索。把微波形變雷達技術用于橋梁健康檢測預警，可為橋梁管養部門提供一種全新的技術手段，可有效提升橋梁的檢測預警能力。

微波形變雷達橋梁健康檢測系統

微波形變雷達檢測系統是一種基于微波干涉技術的創新雷達，微波形變雷達不需要與觀測目標區域有直接接觸，受云霧陰雨等氣象條件、惡劣環境的影響較小，并且在時域和空域均具有較高的采樣率。相對于其他橋梁測量手段的主要優勢為測量效率高，能夠同時對橋上的多個觀測點進行測量，實現多點測量要求雷達發射超寬帶微波信號并采用脈沖壓縮技術實現對橋梁多個散射點進行空間區分。

雷達常用的寬帶信號波形包括：相位編碼信號、線性調頻信號、調頻步進信號和步進頻率信號等，這些信號均具有較長的持續時間，需要通過距離壓縮技術將其處理成窄脈沖形式，從而實現更優的目標分辨能力。系統根據功耗、尺寸和作用距離，本系統優選線性調頻連續波信號（LFMCW）作為發射波形，其脈沖壓縮原理如圖1所示。

圖1 寬帶距離壓縮技術原理

雷達頻率隨時間線性變化的信號波形，雷達接收到信號后進行混頻、濾波和采樣處理，提取每一個頻率點上回波的振幅和相位，相當于雷達在頻域上提取了目標的幅頻響應，最后通過逆傅里葉變換即可重構出了目標的響應，可以發現原本持續時間較長的波形已經被壓縮成一個很窄的脈沖，因此能夠較好地分辨相隔很近的目標。

相位干涉測量方法使用兩幅或多幅合成孔徑雷達圖像，這些圖像對應于不同時刻對相同檢測區域的重復觀測，根據雷達接收到的回波的相位差反演生成目標形變圖，該形變圖表示了目標在雷達視線方向的位移大小，信息處理軟件可以根據目標的相對視角和先驗信息估計出目標的真實形變（位移）大小。利用干涉相位反演目標位移的原理如圖2所示。

圖2 干涉測量技術原理

在圖2中，當雷達第一次發射和接收雷達波，可確定目標相對于雷達的距離r1，當目標位置發生變化后，雷達再次發射和接收雷達波，可確定目標變化后的距離r2，將兩次雷達回波共軛相乘，可以提取與目標位移大小相關的相位差信息如式1。

在得到相位差ΔΦ后，即可推算出目標的位移量Δr，如式2所示。由于雷達的發射波長很短（厘米級），因此通過相位差，估計目標位置可以達到很高的精度，在快速形變檢測系統中，發射波長約為1.7cm，位移估計精度可達0.1mm，能夠滿足絕大多數應用的精度要求。

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

圖3 橋梁形變測雷達原理

橋梁健康檢測試驗與分析

基于微波形變雷達的檢測系統在橋梁的檢測/監測的應用，主要包括以下6個方面：健康檢測中位移實時檢測、橋梁荷載試驗靜撓度測試、橋梁荷載試驗動撓度測試、斜拉橋和懸索橋的索力測試、橋梁結構基頻測試、施工中的拉索調索實時檢測。

拉索試驗

試驗對某斜拉橋的北邊主塔的東側拉索進行了測試，在雷達回波中，可以清晰地觀察到多條拉索的強回波散射，證明了形變測量雷達可以同時對多條拉索進行測量，如圖4所示。

圖4 拉索雷達散射圖

試驗完整地記錄了拉索振動的位移數據，根據原始位移數據，進行快速傅里葉變換得到形變頻譜，如圖5所示。

圖5 拉索的時域和頻域圖

湖北仙桃漢江大橋為單塔斜拉橋，共4面拉索，單面20根拉索，共計80根，全部測量完畢耗時約2小時。

動載試驗

對海南島環島高鐵的某高架橋進行了動載試驗，對80m長跨的連續梁的跨中進行檢測。由于列車的駛過，不僅檢測到橋梁的撓度變化，而且檢測到列車對橋梁造成的振動，振動基頻為2.479Hz，如圖6所示。

圖6 動載試驗及結果分析

靜撓度試驗

對長沙磁懸浮線某大橋進行了靜撓度試驗，為了于常規手段對比，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 靜撓度試驗現場

試驗結果如圖8所示。

圖8 靜撓度時域圖

根據試驗結果，可以得出以下結論：雷達測量精度非常高，對約100m處目標實測優于0.1mm；雷達測量數據更新率很高，達到200Hz，能夠勝任高速高動態的測量；雷達靈敏度高，甚至可觀測到磁懸浮車輛“砸軌”造成的橋梁細微振動；測量效率高，多點多跨測量，非接觸式測量，部署快速，使用便利，綜合成本低；自動化程度高，直接輸出實時數據，可與橋梁檢測系統緊密對接。

與激光撓度儀進行動撓度測試的結果對比如圖9所示。

圖9 雷達采樣率遠高于激光撓度儀，可以準確測量形變峰值

與精密水準儀、位移計、形變測量雷達進行靜載對比試驗，如表1所示。

表1

基頻試驗

長沙沙河大橋基頻試驗結果，如圖10所示。

圖10 基頻試驗

結論

橋梁健康檢測/監測是健康診斷工作的重要組成部分，其中微波形變雷達是橋梁工程健康檢測工作中的一種有效檢測技術。該技術在位移實時檢測、靜撓度測試、動撓度測試、索力測試、橋梁結構基頻測試等方面進行了較多的試驗，反映出微波形變雷達在橋梁健康檢測中具有許多突出優點，如精度高、數據更新率高，因此測量靈敏度極高；通常無需在被測體上部署標靶，使用快捷方便，部署時間短，使用成本低；可一次性對橋梁多點或多跨進行測量，測量效率更高，數據相關性更好；環境適應性好，不受雨、雪、霧等天氣和白天、黑夜等光照條件影響，可全天時、全天候工作；可直接獲得實時位移數據等。