微波干涉雷達系統對橋梁的變形監測

湯振蘇　鄭七振　吳華勇　賈鵬飛

摘 要：針對傳統的橋梁監測方式復雜且效率低等問題，本文闡述了IBIS-S系統的基本測量原理，介紹了雷達監測的兩種關鍵技術，與傳統的變形監測手段相比，IBIS-S更具效率高、測量距離遠、精確度高等優點。設計了微變形系統以驗證IBIS-S系統的精確性，試驗分析表明IBIS-S的精確度較高，誤差較小，在監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測，分析獲得的橋梁時序變形數據，結果表明IBIS-S系統對橋梁動態監測的有效性。

關鍵詞：IBIS-S系統;微變形監測;精確度;橋梁監測

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，目前正處于核心技術優化，工程的變形監測推廣階段^[1]。目前，國內外學者都對IBIS-S進行了相關研究。刁建鵬等^[2]使用了地基干涉雷達技術對中央電視臺發射塔進行了變形監測實驗; Sofi M^[3]等使用IBIS-S對一座人行天橋進行動態監測，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果。

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

1 IBIS-S系統與基本原理介紹

IBIS-S系統（圖1所示）是由意大利IDS公司和佛倫倫薩大學經過六年合作的成果^[4]，該系統主要監測分析建筑物或者橋梁上每一點的變形振動情況。

IBIS-S系統主要使用了兩種雷達技術來獲取建筑物的變形信息。步進頻率波技術為IBIS-S系統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據。干涉測量技術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步進頻率連續波技術

IBIS-S系統通過步進頻率連續波技術能夠一段時間內發射n組步進頻率為的電磁波，這些電磁波是有規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的關系如下式^[6]：

由式（1）可得，距離分辨率僅僅與帶寬B有關，其中C為光速。IBIS-S系統采用的系統帶寬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

干涉測量技術是通過獲得不同時間內的反射波的相位差異來獲取物體的位移，如圖3。雷達發射電磁波，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，監測精度可達0.01mm。

2 IBIS-S與微變形系統的精度對比試驗

為了驗證IBIS-S的靜態精度，試驗采用IBIS-S和微變形系統真值進行對比。試驗的目標為安裝有角反射器的微分頭微變形系統，調節微分頭將IBIS-S監測數據與微變形系統的真值進行對比，現場試驗布置如圖4所示。

實驗中將微變形系統作為變形體，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節角反射器移動0.5mm共三次，最后退回調節前的位置。如圖5所示，角反射器經過三次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，雷達獲得的數據光滑平穩。

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與雷達的監測變形量對比。由圖6可以看出，雷達測得的位移數據在-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的精確度，該雷達系統的精度達到了亞毫米級別，能夠準確地監測物體的微小位移。

3 IBIS-S的橋梁動態監測試驗

3.1試驗條件和數據采集

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的三跨連續梁。本次試驗的設備垂直放置于橋梁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，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，當經過D2柱時，由于連續梁D1和D2間梁體上凸，列車經過D3柱，梁體再次下凹并恢復原有狀態，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，便會產生強迫振動^[8]，該振動與橋梁的自身屬性有關。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的時間余振數據進行處理，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經歷了較大的振動，歷時約16s。列車的時速約80km/h，在16s內列車前進了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過車廂長度（23.54m）所需的時間的倒數^[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的試驗結果（0.76Hz）相似。

綜上，IBIS-S雷達可以對橋梁振動狀態進行有效的檢測。

4結語

本文研究了IBIS-S雷達系統的基本原理，該系統的步進頻率連續波技術、干涉測量的關鍵技術，可以實現點的微變形監測。采用IBIS-S系統對微變形系統進行監測對比表明該雷達系統具有精確度高、穩定性好、效率高等巨大優點。IBIS-S系統不僅能對橋的位移影響線進行監測，也能獲得橋梁的模態參數，更有利于對橋梁健康狀態進行評價。

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