毫米波雷達干涉測量原理、雷達法橋梁變形計算方法

附錄A毫米波雷達干涉測量原理A.1雷達的基本概念雷達意為“無線電探測與測距”，因此雷達是一種無線電裝置，它通過無線電磁波來檢測目標的位置。從廣義上講，雷達就是測量物體的位置和運動參數(shù)，以及確定物體的特性。由雷達硬件裝置向天線輸出的電磁波能通過天線向目標物體發(fā)射，再通過天線將目標物體反射回來的反射能量再傳送給雷達的硬件裝置。A.2毫米波雷達毫米波雷達是一種工作在毫米波段的雷達，通常毫米波是在30~300GHz的頻率范圍內(nèi)（波長為1至10mm）的電磁波。毫米波雷達測試形變屬于非接觸式測量，同傳統(tǒng)的測量方式相比具有非接觸、高精度、全天候等的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的多目標進行同步、實時動態(tài)的測量。毫米波雷達目前在橋梁索力、靜載試驗、動載試驗以及橋梁健康監(jiān)測等領域進行了廣泛的應用。A.3毫米波雷達的信號調(diào)制毫米波雷達測量實現(xiàn)變形的高精度測量主要基于雷達信號調(diào)制技術、干涉測量技術和合成孔徑雷達技術三項關鍵技術。A.3.1信號調(diào)制技術毫米波雷達在微變形測試中主要采用頻率步進連續(xù)波（SteppedFrequencyContinuousWaveform，SFCW）和線性調(diào)頻連續(xù)波（LinearFrequencyModulationContinuousWave，LFMCW）兩種調(diào)頻技術。意大利IDS公司的IBIS系統(tǒng)是采用頻率步進連續(xù)波（調(diào)頻技術，國外和國內(nèi)一些廠家的微波雷達或毫米波雷達有的采用線性調(diào)頻連續(xù)波（LinearFrequencyModulationContinuousWave，LFMCW）的調(diào)頻技術。1、頻率步進連續(xù)波利用步進頻率連續(xù)波和微波干涉技術，可以獲得高時空分辨率、高精度的視線方向的一維形變圖。在微波測量中，為了達到更高的測距精度，同時減小了對發(fā)射設備的要求，IBIS系統(tǒng)采用了步進頻率連續(xù)波信號調(diào)頻技術。步進頻率連續(xù)波信號是一種由N個相繼的頻率序列組成的信號，它是根據(jù)Δf的步長而改變的，在圖A.3-1中可以看出，該信號具有一定的階梯式變化。圖A.3-1步進頻率連續(xù)波信號調(diào)制2、線性調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達采用LFMCW（LinearFrequencyModulatedContinuousWave，線性調(diào)頻連續(xù)波）信號體制，雷達發(fā)射信號為線性鋸齒掃頻信號，反射回波信號也為線性鋸齒信號，見圖A.3-2。從圖中可以看到,除了在各個時間點的工作頻率不同外，雷達的發(fā)射信號和雷達回波的形式基本上是一致的。類似于“多普勒-脈沖”雷達的測距基本原理，目標反射回波會有一定的延時，但線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號系統(tǒng)不再使用極易出錯的數(shù)據(jù)—時間差來測距，而是使用易于計算的頻率差來計算距離。雷達發(fā)射頻率的變化已知，即按一定速度由低到高的頻率差和單向不停地掃測，圖中“鋸齒”形頻率發(fā)生變化。圖A.3-2線性調(diào)頻連續(xù)波信號及回波信號A.4雷達的干涉測量原理毫米波雷達采用干涉技術可以準確地檢測目標的位移，這種方法主要是利用雷達的相位改變來完成。每次測量時，傳感器都包含了幅度和相位兩個方面的信息。雷達首次發(fā)射、接收后，得到了目標的位置及相位信息。在此基礎上，對目標進行了第二發(fā)射與接收，得到了目標第二次測量時的位置和相位信息，并利用它的相位差來確定目標準確的位移變化量，見圖A.4-1。圖A.4-1雷達干涉測量原理毫米波雷達對監(jiān)測目標區(qū)域進行連續(xù)動態(tài)的采集，通過相鄰采樣信號間的干涉測量來提取形變相位，進而計算形變量。雷達視線向（lightofsight，LOS）的形變量dlos與形變相位Δφ滿足以下關系： dlos=-(式中：dlos—λ—電磁波的波長；Δφ—兩次測量形變的相位差。A.5索力的測量原理毫米波雷達測試索力也是基于頻率法的基本原理來實現(xiàn)索力測量的，屬于非接觸式測量，測試時不需要在拉索上安裝角反射器。測試時，毫米波雷達發(fā)射微波信號，遇到拉索后反射回來，得到位置與相位；通過不斷發(fā)射、反射得到一系列變化相位，從而計算出拉索的振動位移，經(jīng)過快速傅立葉變換(FFT)，可以得到頻域特征值。振動位移時程曲線經(jīng)過時頻變換計算出振動頻率或倍頻特征，根據(jù)拉索的參數(shù)來計算其索力，見圖A.5-1。圖A.5-1毫米波雷達測試索力示意圖毫米波雷達測試是利用電磁波的原理，電磁波對于拉索索體反射的信號能量較強，而對于拉索索體護套HDPE等材料的信號反射較弱，因此電磁波可以穿透索體護套而直接反射索體的信號。附錄B雷達法橋梁變形計算方法B.1概述根據(jù)毫米波雷達變形干涉測量原理可知，其測試的變形是在雷達波束角范圍內(nèi)目標體相對于雷達視線方向的變形量dlos。而橋梁變形測試通常是測試橋梁在豎向方向的變形。采用毫米波雷達測試時得到的雷達視線方向的形變量需要通過數(shù)據(jù)的處理計算才能得到橋梁的變形。測試時變形換算應根據(jù)形變量的大小，采用合理的計算方法才能得到橋梁準確的橋梁變形測試值。對于中小跨徑橋梁，橋梁在荷載作用下的橋梁豎向變形值相對較小，可以采用直接投影法進行直接計算；對于大跨徑橋梁如斜拉橋B.2直接投影法采用毫米波雷達測試橋梁變形時，通常將雷達測試設備安放在橋梁正下方的位置，為得到橋梁測試位置處的較強的電磁波反射信號需要在測試位置安裝角反射器。當橋梁變形值較小時，可以將視線向的形變量dlos直接作為垂向形變d在雷達視線向的分量進行計算，由于垂直方向的變形量相對較小能保證換算的精度，見圖B.2-1圖B.2-1型變量換算示意圖采用直接投影法計算橋梁在豎直方向的變形值，見公式（B.1）: d=λ4π?Rh上式中：λ為雷達電磁波的波長；?為兩次干涉測量的相位差；R為觀測點和雷達在雷達視線方向上的距離；h為觀測點距雷達在垂直方向的距離。B.3幾何關系法當采用毫米波雷達測試橋梁豎向變形相對較大時，采用直接投影法計算的精度可能相對較低，則需要利用兩次測量的幾何關系進行計算才能保證變形測試結(jié)果的精度。當橋梁變形測點P（見圖B.3-1）位于某距離分辨單元內(nèi)，且為該單元內(nèi)最強的反射點。橋梁發(fā)生豎向形變發(fā)生后，Ｐ點變動至P1位置，由于橋身水平向形變微小，P1點仍處于原分辨單元內(nèi)，而雷達視線距離由Ｒ變?yōu)镽1由于橋梁測點水平方向的水平位移可以忽略不計，設雷達觀測點到橋身下邊緣的高度為ｈ，那么P1點處的雷達視線向形變dlos和垂向形變dv滿足下式REF_Ref121647878\r\h： R-dlos2采用雷達對大跨徑橋梁變形較大時計算橋梁變形時，按上式進行計算才能確保變形值計算的精度。圖B.3-1雷達法測試橋梁變形幾何關系圖B.4直達波法利用角反射器對橋梁變形進行測試時，橋梁變形值需要按照直接投影法將視線方向的變形量轉(zhuǎn)換成橋梁變形值（見圖B.4-1