微波形变雷达的桥梁健康检测系统应用研究

长沙深之瞳信息科技有限公司 江成军

传统的桥梁长期健康检测、监测技术手段主要包括位移挠度计、全站仪、差分GPS和光纤应变计等，这些传统的检测手段存在组建成本高、全天候全天时适应性差、多点连续测量能力低等应用局限性。随着日益增长的应用需求，形变检测技术也向着精细化、自动化、智能化的方向发展，而基于差分干涉雷达技术的远程桥梁形变检测雷达正是近年来出现的新型形变检测技术手段。

自2005年来，国外许多研究机构开展了远程桥梁形变检测雷达技术及应用方面的研究，包括欧盟综合研究中心、意大利佛罗伦萨大学、西班牙卡特伦亚大学、荷兰代尔夫特大学、英国的谢菲尔德大学等，但这些研究机构的主要是基础理论的研究，除了一些原理验证试验平台，并未向产品方面转化。

国外主要的形变雷达产品有意大利IDS（Ingegneria Dei Sistemi SpA）公司的IBIS-FS雷达。雷达采用步进频率信号和线性调频信号，具有较大的信号带宽，可以获得高的距离分辨率，通过相位差分测量可获得0.1mm的形变测量精度。经过多年推广，IBIS-FS（及其前身IBIS-S）已经成功应用于我国的金江县金沙江大桥、清江铁路桥、钱塘江大桥、阳逻长江公路大桥、CCTV新台址等形变检测中。通过大量的实地试验，证明该技术无论在性能上还是使用上，在与压力计、振动计、全站仪等传统设备的测量结果对比中，都表现出了显著优势。但是也应该看到，由于进口设备价格昂贵、用户使用体验还不理想，在产品的使用性、改进性方面受到极大的限制，不能很好地满足我国桥梁管理养护部门的实际应用。

在国内，微形变检测雷达关键技术已经进行了很多的探索工作，其中以国防科技大学为代表的院校开展了差分干涉测量雷达方面的研究，并取得了重大进展。在边坡、大坝等面目标检测方面已经开展应用，在桥梁、高层建筑等线目标的形变检测方面也做了相应的探索。把微波形变雷达技术用于桥梁健康检测预警，可为桥梁管养部门提供一种全新的技术手段，可有效提升桥梁的检测预警能力。

微波形变雷达桥梁健康检测系统

微波形变雷达检测系统是一种基于微波干涉技术的创新雷达，微波形变雷达不需要与观测目标区域有直接接触，受云雾阴雨等气象条件、恶劣环境的影响较小，并且在时域和空域均具有较高的采样率。相对于其他桥梁测量手段的主要优势为测量效率高，能够同时对桥上的多个观测点进行测量，实现多点测量要求雷达发射超宽带微波信号并采用脉冲压缩技术实现对桥梁多个散射点进行空间区分。

雷达常用的宽带信号波形包括：相位编码信号、线性调频信号、调频步进信号和步进频率信号等，这些信号均具有较长的持续时间，需要通过距离压缩技术将其处理成窄脉冲形式，从而实现更优的目标分辨能力。系统根据功耗、尺寸和作用距离，本系统优选线性调频连续波信号（LFMCW）作为发射波形，其脉冲压缩原理如图1所示。

图1 宽带距离压缩技术原理

雷达频率随时间线性变化的信号波形，雷达接收到信号后进行混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于雷达在频域上提取了目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换即可重构出了目标的响应，可以发现原本持续时间较长的波形已经被压缩成一个很窄的脉冲，因此能够较好地分辨相隔很近的目标。

相位干涉测量方法使用两幅或多幅合成孔径雷达图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据雷达接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在雷达视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变（位移）大小。利用干涉相位反演目标位移的原理如图2所示。

图2 干涉测量技术原理

在图2中，当雷达第一次发射和接收雷达波，可确定目标相对于雷达的距离r1，当目标位置发生变化后，雷达再次发射和接收雷达波，可确定目标变化后的距离r2，将两次雷达回波共轭相乘，可以提取与目标位移大小相关的相位差信息如式1。

在得到相位差ΔΦ后，即可推算出目标的位移量Δr，如式2所示。由于雷达的发射波长很短（厘米级），因此通过相位差，估计目标位置可以达到很高的精度，在快速形变检测系统中，发射波长约为1.7cm，位移估计精度可达0.1mm，能够满足绝大多数应用的精度要求。

直接测量得到的位移变化量是在距离向(雷达向)的变化量dr以及仰角α，通过处理软件可以将目标物的变化情况投影到其他方向上。对于桥梁目标，其形变的主体分量为垂直方向，因此位移投影技术其原理为：根据雷达测距直接获得距离向(雷达向)的变化量dr及雷达仰角α，则竖直投影方向的形变量为式3。

图3 桥梁形变测雷达原理

桥梁健康检测试验与分析

基于微波形变雷达的检测系统在桥梁的检测/监测的应用，主要包括以下6个方面：健康检测中位移实时检测、桥梁荷载试验静挠度测试、桥梁荷载试验动挠度测试、斜拉桥和悬索桥的索力测试、桥梁结构基频测试、施工中的拉索调索实时检测。

拉索试验

试验对某斜拉桥的北边主塔的东侧拉索进行了测试，在雷达回波中，可以清晰地观察到多条拉索的强回波散射，证明了形变测量雷达可以同时对多条拉索进行测量，如图4所示。

图4 拉索雷达散射图

试验完整地记录了拉索振动的位移数据，根据原始位移数据，进行快速傅里叶变换得到形变频谱，如图5所示。

图5 拉索的时域和频域图

湖北仙桃汉江大桥为单塔斜拉桥，共4面拉索，单面20根拉索，共计80根，全部测量完毕耗时约2小时。

动载试验

对海南岛环岛高铁的某高架桥进行了动载试验，对80m长跨的连续梁的跨中进行检测。由于列车的驶过，不仅检测到桥梁的挠度变化，而且检测到列车对桥梁造成的振动，振动基频为2.479Hz，如图6所示。

图6 动载试验及结果分析

静挠度试验

对长沙磁悬浮线某大桥进行了静挠度试验，为了于常规手段对比，在桥墩、跨中和1/4跨处安装了三面角反射器，如图7所示。

图7 静挠度试验现场

试验结果如图8所示。

图8 静挠度时域图

根据试验结果，可以得出以下结论：雷达测量精度非常高，对约100m处目标实测优于0.1mm；雷达测量数据更新率很高，达到200Hz，能够胜任高速高动态的测量；雷达灵敏度高，甚至可观测到磁悬浮车辆“砸轨”造成的桥梁细微振动；测量效率高，多点多跨测量，非接触式测量，部署快速，使用便利，综合成本低；自动化程度高，直接输出实时数据，可与桥梁检测系统紧密对接。

与激光挠度仪进行动挠度测试的结果对比如图9所示。

图9 雷达采样率远高于激光挠度仪，可以准确测量形变峰值

与精密水准仪、位移计、形变测量雷达进行静载对比试验，如表1所示。

表1

基频试验

长沙沙河大桥基频试验结果，如图10所示。

图10 基频试验

结论

桥梁健康检测/监测是健康诊断工作的重要组成部分，其中微波形变雷达是桥梁工程健康检测工作中的一种有效检测技术。该技术在位移实时检测、静挠度测试、动挠度测试、索力测试、桥梁结构基频测试等方面进行了较多的试验，反映出微波形变雷达在桥梁健康检测中具有许多突出优点，如精度高、数据更新率高，因此测量灵敏度极高；通常无需在被测体上部署标靶，使用快捷方便，部署时间短，使用成本低；可一次性对桥梁多点或多跨进行测量，测量效率更高，数据相关性更好；环境适应性好，不受雨、雪、雾等天气和白天、黑夜等光照条件影响，可全天时、全天候工作；可直接获得实时位移数据等。