CN112764025A - 一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种雷达监测技术，具体为一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统及监测方法，利用毫米波雷达高带宽及高检测精度的特点，不仅能够测试桥梁静挠度和动挠度，还能实现多点同时采集，桥下无需搭设支架，不影响正常交通，受环境影响小，能实现长期监测的效果；包括桥梁状态检测模块、通讯模块、报警模块、角反射器和数据存储终端；所述的角反射器安装在桥梁下方；桥梁状态检测模块分别与通讯模块、报警模块和数据存储终端连接；所述的桥梁状态检测模块通过毫米波与角反射器信号连接；所述桥梁状态检测模块包括n个发射天线和m个接收天线构成的收发阵列、单芯片RF；DSP模块和处理器。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达监测技术，具体为一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统及监测方法。
背景技术
桥梁结构变形监测具体是指利用专用的仪器设备和方法对结构物的变形情况进行持续观测、对结构物变形形态进行分析、变形的发展态势进行预测等各项工作。通过变形观测，一方面可以监视桥梁结构物的变形情况，一旦发现异常变形可及时进行分析、研究，并采取措施加以处理，确保桥梁结构物在施工和运营过程中的安全，防止事故的发生。另一方面，通过对桥梁结构物的变形进行分析研究，可以检验设计和施工是否合理、反馈施工的质量，并为今后的修改和制订设计方法、规范以及施工方案等提供依据，从而减少工程灾害、提高抗灾能力。
目前有很多地方发生桥梁偏塌事件，实际是对桥梁的监控不足导致的。桥梁建起时间开始，应该对桥梁进行实时监测，并将数据反馈给相关监测部门。
综上所述，可以看出现有技术的缺陷和不足主要体现在以下几方面：
1.无法对桥梁进行实时的监测，其数据也没能及时反馈给相关部门；
2.没有对桥梁的数据建立数据库，对桥梁的修复仍处在依靠群众反馈和每年的监测结果，无法及时对桥梁进行修复；
3.针对有问题的桥梁，无法给行人即使提示或者警示绕路行驶。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统及监测方法，利用毫米波雷达高带宽及高检测精度的特点，不仅能够测试桥梁静挠度和动挠度，还能实现多点同时采集，桥下无需搭设支架，不影响正常交通，受环境影响小，能实现长期监测的效果。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，包括桥梁状态检测模块、通讯模块、报警模块、角反射器和数据存储终端；
所述的角反射器安装在桥梁下方；桥梁状态检测模块分别与通讯模块、报警模块和数据存储终端连接；所述的桥梁状态检测模块通过毫米波与角反射器信号连接；
所述桥梁状态检测模块包括n个发射天线和m个接收天线构成的收发阵列、单芯片RF；DSP模块和处理器，或一体式SOC。
作为优选，所述n个发射天线和m个接收天线构成的收发阵列、单芯片RF；单芯片RF、DSP模块和处理器；或一体式SOC。
作为优选，所述的毫米波可以为24G、60G或77G频段。
作为优选，所述的报警模块可以为远程报警模块和远程警示灯。
作为优选，还包括云服务器，所述通讯模块可与云服务器通信连接。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，包括如下步骤：步骤一、通过桥梁状态检测模块发射毫米波，发射信号经辐射至被检测的空间，桥梁状态检测模块接收被角反射器反射的回波信号；所述的回波信号经过桥梁状态检测模块分析获得被检测空间内的桥梁的震动频率和振幅相关信息；
步骤二、
桥梁状态检测模块辐射的探测信号经桥梁端角反射器反射，部分反射信号能量由雷达接收天线捕获。接收信号变化的相位经算法处理得到表征由振动导致的桥梁位移特征；所述算法包括但不限于傅里叶变换，经验模态分解，小波变换等；
步骤三、对于桥梁拉索索力测量，通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量，对测试时程曲线进行傅里叶变换得出拉索振动频率，进而计算拉索的索力；
步骤四、设定模数转换器ADC的采样频率，对雷达发射一帧的每个chirp序列进行采样，每个chirp采集Q个点，对xout(t)信号进行离散采样得到I/Q两路信号，并存于DSP模块中的相应内存中，对采集的数据信号在距离维方向上进行FFT并剔除静止杂波成分，得到目标的在频率域上的信息Xout_r(w)。对Xout_r(w)进行虚拟天线阵列，并对Xout_r(w)进行速度维FFT得到距离速度谱Xout_rd(w)，对Xout_rd(w)求幅值。
作为优选，通讯模块会通过通信协议自动将桥梁状态检测模块测得的桥梁桥墩状态信息、报警信号、灯控制信号发送给远程报警模块、远程灯具、服务器和云服务器。
作为优选，所述步骤三中雷达发出的微波呈扇形分布，在一定距离范围，有多个测点在扇形区域内同时测得多根拉索的索力。
作为优选，所述的通信协议为WiFi、以太网、can、串口、4G和5G网络协议。
作为优选，所述角反射器的RCS为2.53spm,RCS分贝平方米为4.04。角反射器的尺寸为a＝55mm，c＝77.78mm。
本发明有益效果：本发明的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统及监测方法一方面实现了雷达测量精度非常高，对约100米处目标实测优于0.1mm；
另一方面雷达测量数据更新频率更高，达到250Hz，能够胜任高速高动态的测量；
其次，雷达灵敏度高，可以观测到车辆对桥梁细微的振动；
再者，测量效率高，支持多点多跨测量，非接触式测量，部署快速，使用便利，综合成本低。
同时，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。
附图说明
图1为本发明的系统安装示意图；
图2为本发明的桥梁监测系统示意图；
图3为本发明的雷达系统应用原理示意图；
图4为本发明的天线收发阵列与射频RF、DSP、处理器分离式雷达系统的SOC示意图；
图5为本发明的天线收发阵列与射频RF、DSP、处理器集成式雷达系统的SOC示意图；
图6为本发明的雷达系统监测桥墩安装示意图；
图7为实施例中测得不同试验工况测点水平位移结果；
图8为本发明的通信接口协议示意图；
图9为本发明的报警模块外置示意图；
图10为本发明的灯控制模块外置示意图；
图11为本发明的角反射器的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实列所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，如图1所示，可安装在桥梁的正下方或桥墩的前下方位置，如图2所示，桥梁状态信息检测模块100、通讯模块101、报警模块102和灯光控制模块103。
桥梁状态信息检测模块100发射77GHz毫米波，雷达采用多发多收天线采用MIMO方式，获取监控区域内的多路目标回波信号，并对各路回波进行滤波xout(t)。设定模数转换器ADC的采样频率，对雷达发射一帧的每个chirp序列进行采样，每个chirp采集Q个点，对xout(t)信号进行离散采样得到I/Q两路信号，并存于DSP中的相应内存中。对采集的数据信号在距离维方向上进行FFT并剔除静止杂波成分，得到目标的在频率域上的信息Xout_r(w)。对Xout_r(w)进行虚拟天线阵列，即可以利用少数天线阵元形成具有多个虚阵元的虚拟阵列，从而扩展了天线阵列的孔径，提高了角分辨力。并对Xout_r(w)进行速度维FFT得到距离速度谱Xout_rd(w)，对Xout_rd(w)求幅值。
对桥梁状态信息监测，主要分为两种桥梁结构物多点同时测量和多点动扰度同时测量。
结构物多点同时测量是雷达发出的微波呈扇形分布，在一定距离范围内，若有多个测点在扇形区域内即可同时测得各个测点的微变形。基于雷达干涉测量技术的上述特点，可以建立多点同时测量系统，便于结构物检测和监测过程中的多测点数据采集。通过对毫米波雷达检测系统对某一区域内的所有重要结构物关键位置安装角反射器，实时将结构物的变形监测数据传输至云端数据库，实现技术人员对该区域内有重要结构物的变形进行集群化管理。一旦发生自然灾害或重大事故时，通过对重要结构物的变形及基频监测，可以及时为应急预案实施提供辅助，优化资源配置。
多点动挠度同时测量主要表现为动挠度能综合反映结构的动态响应和动态刚度，通过实时监测关键截面的动挠度变化来评定桥梁承载能力状况，为桥梁管理养护工作提供便利。由于毫米波雷达测试的是竖向位移时程曲线，通过即时数据处理软件即可得到结构的振动基频，在监测变形的同时也能监测结构的刚度状况。在桥梁或者其他结构物的适当位置布置微波雷达传感器，在结构关键位置布置测点，测点处布置永久固定的角反射器，建立该桥的动挠度实时监测系统，并设置动挠度预警阈值，当桥梁在某一时间段内通过超载车辆时，可以及时发现并反馈给交通运输管理部门及时采取措施，也为桥梁长期安全运营提供有力保障。
如图3所示，桥梁状态信息检测模块中雷达系统采用差分干涉测量技术主要通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量。雷达第一次发射和接收雷达波，确定了目标物所在的位置和波形相位信息；第二次发射和接收雷达波确定了第二个位置和相位信息，通过相位差确定精确的位移变化。理论上最小辨识的位移变化可达1mm，这个精度完全满足桥梁桥墩检测的需求。通过该原理能够得到目标物在径向上的位移d，然后再依几何投影关系计算整个区域的位移。
式中,dp为径向位移；r是从雷达发射接收器到测点的径向直线距离；h为被测点至雷达发射接收器单元的垂直高度，
分别为雷达传感器连续两次接收到的回波信号的相位。
毫米波雷达在连续箱桥梁静载的测试：
对桥梁进行静载试验，引桥静挠度采用百分表和微波雷达分别测量。在测点处安装角反射器，角反射器布置在连续箱梁底面，表1为连续梁采用微波雷达进行静载的现场测试照片，在桥下对各级加载过程进行连续测试。静载加载过程分为四级加载后一次卸载的方式，在测试过程中毫米波雷达法能实时显示整个加载过程中的挠度值。在加载测试过程中能明显发现各级加载后时程曲线呈明显的台阶状分布，选取对应时间点附近稳定波动曲线的平均值作为该级静载的挠度读数。
表1
由测试结果对比可知，各级加载挠度最大差值为-0.33mm，最小差值为0.06mm。此外最大加载4级的弹性挠度值两者之间的差值为0.06mm，以百分表的弹性挠度值为基准，相对误差为1％。
对桥墩的测试：
采用毫米波雷达系统进行测试，对墩柱不同高度处的多点动挠度进行测试。测试雷达的布置如图6所示，雷达水平距桥墩0.45米，雷达架高0.46米，采取5个测试点，测点1H1＝2.75米，测点2H2＝2.50米，测点3H3＝2.25米，测点4H4＝2.00米，测点5H5＝1.75米，分别在测点处安装角反射器。角反射器的结构如图11所示，测得不同试验工况测点水平位移结果分析如图7所示。
实施例2，如图4所示，分离式雷达系统包含：收发天线阵列与单芯片RF、DSP、主处理器集成SOC。
在所描述桥梁状态信息检测模块100中主处理器控制FR发射77GHz毫米波经收发天线阵列的发射天线阵列发射至被检测空间，经被检测的空间角反射器反射回波信号，收发天线阵列的接收天线阵列接收回波信号，RF将处理后的回波信号直接通过Mipi-CSI2接口以速率480Mbps速率将数据传回到DSP中，DSP通过回波信号分析桥梁桥墩的震动频率和位置信息，得到桥梁桥墩的振幅，扰度等信息。
如图5所示，集成式雷达系统，单芯片发天线阵列、收天线阵列、单芯片RF、DSP模块和处理器；或一体式SOC，DSP、主处理器集成SOC；
在所描述步骤桥梁状态信息检测模块100中主处理器控制FR发射77GHz毫米波经发射天线阵列发射至被检测空间，经被检测的空间内角反射器反射回波信号，接收天线阵列接收回波信号，RF将处理后的回波数据存放在RF内部RAM中进行缓存，通过EDMA驱动将RF中RAM回波数据以ping-pong模式搬到DSP的内部RAM中存放，DSP通过回波信号分析桥梁桥墩的震动频率和位置信息，得到桥梁桥墩的振幅，扰度等信息。
实施例3，图4通信模块101，通过WiFi、以太网、can、串口(RS232、RS485、RS422)、4G、5G等网络协议来交互数据。
实施例4，图5外置报警模块102是在检测到桥梁桥墩的扰度和振动频率以及振幅等信息出现超出预设阈值的时候进行报警。图1通讯模块101将所述桥梁桥墩的扰度和振动频率以及振幅等信息，发送给报警模块102，报警模块的通信模块102-1-1收到信号传递给报警模块102-1-2进行报警。
实施例5，图6外置灯光控制模块103是为了给行驶的车辆和人给予警示作用。图1通讯模块101将所述灯光控制信息，发送给灯光控制模块103-1，报警模块的通信模块103-1-1收到信号传递给灯光控制103-1-2进行灯的控制。
实施例6，数据存储模块，通过通讯模块将测得桥梁桥墩的振动频率和振幅这些信息发送至后台服务器、云服务器等终端进行数据存储数据。可以对存储的数据进行大数据分析和统计，为桥梁桥墩的健康状态进行合理的分析和归纳。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，包括桥梁状态检测模块、通讯模块、报警模块、角反射器和数据存储终端；
所述的角反射器安装在桥梁下方；桥梁状态检测模块分别与通讯模块、报警模块和数据存储终端连接；所述的桥梁状态检测模块通过毫米波与角反射器信号连接；
所述桥梁状态检测模块包括n个发射天线和m个接收天线构成的收发阵列、单芯片RF；DSP模块和处理器，或一体式SOC。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，其特征在于：所述n个发射天线和m个接收天线构成的收发阵列、单芯片RF；单芯片RF、DSP模块和处理器；或一体式SOC。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，其特征在于：所述的毫米波可以为24G、60G或77G频段。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，其特征在于：所述的报警模块可以为远程报警模块和远程警示灯。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测系统，其特征在于：还包括云服务器，所述通讯模块可与云服务器通信连接。
6.一种基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、通过桥梁状态检测模块发射毫米波，发射信号经辐射至被检测的空间，桥梁状态检测模块接收被角反射器反射的回波信号；所述的回波信号经过桥梁状态检测模块分析获得被检测空间内的桥梁的震动频率和振幅相关信息；
步骤二、
桥梁状态检测模块辐射的探测信号经桥梁端角反射器反射，部分反射信号能量由雷达接收天线捕获。接收信号变化的相位经算法处理得到表征由振动导致的桥梁位移特征；所述算法包括但不限于傅里叶变换，经验模态分解，小波变换等；
步骤三、对于桥梁拉索索力测量，通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量，对测试时程曲线进行傅里叶变换得出拉索振动频率，进而计算拉索的索力；
步骤四、设定模数转换器ADC的采样频率，对雷达发射一帧的每个chirp序列进行采样，每个chirp采集Q个点，对xout(t)信号进行离散采样得到I/Q两路信号，并存于DSP模块中的相应内存中，对采集的数据信号在距离维方向上进行FFT并剔除静止杂波成分，得到目标的在频率域上的信息Xout_r(w)。对Xout_r(w)进行虚拟天线阵列，并对Xout_r(w)进行速度维FFT得到距离速度谱Xout_rd(w)，对Xout_rd(w)求幅值。
7.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，其特征在于：通讯模块会通过通信协议自动将桥梁状态检测模块测得的桥梁桥墩状态信息、报警信号、灯控制信号发送给远程报警模块、远程灯具、服务器和云服务器。
8.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，其特征在于：所述步骤三中雷达发出的微波呈扇形分布，在一定距离范围，有多个测点在扇形区域内同时测得多根拉索的索力。
9.根据权利要求7所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，其特征在于：所述的通信协议为WiFi、以太网、can、串口、4G和5G网络协议。
10.根据权利要求6所述的基于毫米波雷达的桥梁桥墩监测方法，其特征在于：所述角反射器的RCS为2.53spm,RCS分贝平方米为4.04。角反射器的尺寸为a＝55mm，c＝77.78mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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