CN115931269A - 基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法及系统，包括：步骤S1：利用成像信息估计被测目标位置；步骤S2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；步骤S3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；步骤S4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。本发明为桥梁监测提供了一种高集成度、操作便捷、适用于雨天雾天等恶劣环境、大视场的监测方法及系统；本发明使多个发射机天线被布置并同步发射射频信号，用于波束合成和扫描，提高目标反射信号的能量和信噪比，实现了基于微波波段的桥梁远距离测量。

Description

基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法及系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法及系统，更为具体地，涉及一种基于微波感知的桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法及系统。

背景技术

桥梁的结构健康监测对于确保运输基础设施的可靠服务至关重要，而健康监测主要包括振动、挠度和扭转监测。随着结构健康检测和故障诊断成为设施维护中越来越重要的一环，在桥梁监测领域的多点同步测量具有广阔的应用前景。

传统的桥梁监测方法主要通过使用光、电、接触式加速计和微波等实现。然而，通常使用的加速度计在用于全场振动测量时，将大量传感器粘附在桥梁表面，使用布线和联网实现同步测量。另一方面，基于激光干涉的振动测量技术安装后对准被测物体表面，即可实现远距离的振动测量，但是主要是单点测量，为实现多点测量需要辅助机械快速扫描。基于视觉的振动测量技术使用高精度相机对目标的像素移动进行放大，来实现对视场内的目标的同步测量。

加速度计需要大量布线与联网，布置维护困难；激光干涉仪对被测目标表面质量要求较高，条件苛刻，除此之外由于工作频段高，在雨天雾天易发生散射损耗，无法执行远距离测量任务；相机且受光线等环境因素影响较大，同时，相机能够保证高精度测量的视场很小，面对桥梁结构监测时需要进行图像拼接，这将降低图像测量精度。微波感知技术受限于发射功率，无法实现远距离振动与形变测量。另外，微波感知技术的角度分辨率取决于接收通道个数，在远距离测点分辨方面存在较大局限性，难以实现桥梁结构多测点，特别是无法有效实现横向扭转测点的分辨和振动与形变测量。

专利文献CN113554620A(申请号：CN202110834116.5)公开了一种基于多手机成像分析的桥梁形变测量系统。该方法包括：获得盲区，获得第一相机和第二相机作为盲区的邻近相机；将第一相机和第二相机采集的图像进行分段拟合，获得第一完整标记线集合和第二完整标记线集合，并计算两个集合中的标记线的重合程度；根据重合程度和相机的姿态等参数设置变焦权重，根据变焦权重调整邻近相机的焦距，直至重合程度等于重合程度阈值，获得完整标记线；通过相邻多帧的完整标记线上每列的像素位移量表示形变数据。但该发明没有使用多个发射机天线被布置并同步发射射频信号的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法及系统。

根据本发明提供的一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，包括：

步骤S1：利用成像信息估计被测目标位置；

步骤S2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

步骤S3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

步骤S4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

优选地，在所述步骤S1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

优选地，在所述步骤S2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

优选地，在所述步骤S3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

优选地，在所述步骤S4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

根据本发明提供的一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，包括：

模块M1：利用成像信息估计被测目标位置；

模块M2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

模块M3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

模块M4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

优选地，在所述模块M1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

优选地，在所述模块M2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

优选地，在所述模块M3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

优选地，在所述模块M4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明为桥梁监测提供了一种高集成度、操作便捷、适用于雨天雾天等恶劣环境、大视场的监测方法及系统；

2、在远程桥梁测量中，基于主动激励的微波天线反射能量较小，本发明使多个发射机天线被布置并同步发射射频信号，用于波束合成和扫描，提高目标反射信号的能量和信噪比，实现了基于微波波段的桥梁远距离测量。

3、为了实现桥梁扭转的测量，需要提高分辨率，本发明通过提高发射天线间距，联合接收天线实现了较大的虚拟孔径与较高的分辨率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例桥梁结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置示意图；

图2为本发明实施例桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法的流程图；

图3为本发明实施例桥梁测量实验时微波收发器的安装位置示意图；

图4为本发明实施例桥梁测量实验时列车靠左侧通过时桥梁测点的位移结果图；

图5为本发明实施例桥梁测量实验时列车靠右侧通过时桥梁测点的位移结果图；

图6为本发明实施例桥梁测量实验时货车通过时桥梁测点的位移结果图；

图7为本发明实施例桥梁结构远程振动、形变与扭转测量系统组成示意图；

图8为本发明实施例微波收发器组成示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明涉及桥梁监测与振动测量技术领域，特别是涉及一种基于微波感知的桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法及系统。

1、本发明旨在为桥梁监测提供了一种高集成度、操作便捷、适用于雨天雾天等恶劣环境、大视场的监测方法及系统。

2、在远程桥梁测量中，本发明需要提高目标反射信号的能量与信噪比。

3、为了实现桥梁扭转的测量，提高了方位向分辨率。

根据本发明提供的一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，如图1-图8所示，包括：

步骤S1：利用成像信息估计被测目标位置；

具体地，在所述步骤S1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

步骤S2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

具体地，在所述步骤S2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

步骤S3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

具体地，在所述步骤S3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

步骤S4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

具体地，在所述步骤S4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

实施例2：

实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。

本发明还提供一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，所述基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统可以通过执行所述基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法理解为所述基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统的优选实施方式。

根据本发明提供的一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，包括：

模块M1：利用成像信息估计被测目标位置；

具体地，在所述模块M1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

模块M2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

具体地，在所述模块M2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

模块M3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

具体地，在所述模块M3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

模块M4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

具体地，在所述模块M4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

实施例3：

实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。

本发明的目的是突破现有技术中的缺陷与不足，提供一种基于微波感知的桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法及系统，为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于微波感知的桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：调整微波收发器，使其朝向待测量桥梁结构区域。

步骤S2：在每一个工作周期，根据桥梁结构测点或目标位置，对微波收发器的多个发射天线的发射信号进行调相。

假设多个待测量测点或目标所在位置与垂直于阵列的直线的夹角角度分别为θ₁,θ₂,...,θ_s,...，对于位于角度θ_s的待测量测点，构建相位调制向量：

其中d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素；

步骤S3：第p个工作周期时，使用角度θ_s进行步骤S2调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到所测测点或目标的振动与形变位移信息，m为第m个接收天线的基带信号。

位移值计算为：

式中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期时，位于角度θ_s且距离收发器R的被测目标或测点的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,m)为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,第m个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm(m＝1,…,M)分别为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0；

步骤S4：通过多工作周期的循环测量，提取被测结构测点或目标的振动与形变信息。

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变与振动位移时程信号序列为[x(1,θ_s,R),…,x(p,θ_s,R),…]即可获得振动与形变位移信息。重复步骤S2-S4测量多个点的位移，包括分布在桥梁结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，即可得到桥梁形变与扭转数据。

实施例4：

实施例4为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。

桥梁结构远程振动、形变与扭转测量方法：

如图1所示，根据桥梁结构监测测点的分布和微波收发器的安装位置，确定微波收发器的发射波束的扫描角度序列。微波收发器发射波束后，接收回波信号，对硬件处理后的基带信号采样。基于相位干涉测量原理，依次提取每个目标方向的测点形变与振动位移值。根据上述方法，开展循环测量，得到所有监测测点形变与振动位移的波形，实现桥梁结构所有测点的形变与振动位移的自动化监测。

本案例包括以下步骤：

步骤S1：利用微波成像或视觉成像信息估计待测位置θ_s

确定微波收发器摆放位置，如图3，对回波数据进行成像，具体可为：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域即为存在目标的位置，可以得到目标位置的估计信息。

也可以通过视觉或其他成像手段估计目标位置。

步骤S2：对不同的待测量区域θ_s，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相。

假设待测量目标所在位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s,...，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素；

步骤S3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调获得目标区域的振动位移。

振动位移值计算为：

式中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标或测点的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,m)为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,第m个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm(m＝1,…,M)分别为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0；

步骤S4：通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置待测目标介质表面的振动信息。

不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变与振动位移时程信号序列为[x(1,θ_s,R),…,x(p,θ_s,R),…]即可获得振动信息。

步骤S5，重构桥梁多点位移，实现桥梁形变与扭转监测。

通过步骤S1-S4测量多个点的位移，包括分布在桥梁结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，即可得到桥梁形变与扭转数据。图3是上海松浦大桥，横跨黄浦江，既有高速列车，也有货运列车。我们主要测量桥梁截面的三个点的位移(左、中、右)，这可以量化不同类型和荷载列车激励下的关键动态挠度和扭转。如图4所示，当高速列车通过时，桥梁结构有明显的挠度和振动，且左侧点位移大，说明列车靠左行驶。而图5中右侧点位移大，说明列车靠右行驶。同时，我们还可以观察到该桥同时存在一定的扭转挠度。图6描述了当货运列车激励桥梁时的测量结果，由于货运列车比高速列车重，所以挠度要大得多。另一方面，由于速度较低，车身较长，货物列车引起的变形持续约50秒。此外，可以看出，第30至70秒的偏转比第26秒的偏转小。这是因为前舱满载，后舱较轻或为空。因此，基于微波感知的方法可以有效地监测桥梁的振动和挠度，并识别相应的列车荷载。

桥梁结构远程振动、形变与扭转测量系统，如图7所示，包括：

微波收发器，用于发射线性调频连续波信号，并接收回波信号，进行混频滤波，输出基带信号，通过相移控制实现合成波束的空间扫描。

如图8所示，所述微波收发器包括微波信号源、功率分配器、混频器、相移器、功率放大器、发射天线阵列、接收天线阵列。信号源与功率分配器相连，一路通过发射天线辐射信号，另一路作为混频用本振信号。相移器与发射天线相连，用于通过调相使发射天线信号合成波束朝向目标角度。接收天线阵列和放大器相连，输出的放大信号和混频器相连，在混频器端和本振信号混频，输出基带信号。

控制器与处理器，用于控制微波收发器的波束扫描、基带信号采集和被测测点的形变与振动位移提取。

所述控制与处理器包括扫描控制单元和信号采集与处理单元。扫描控制单元用于对发射天线通道的相移控制、扫描速度的控制及对微波收发器其他常规参数的控制。信号采集与处理单元，用于对多通道基带信号进行同步采集，对采集的信号通过处理提取被测目标或测点的振动与形变位移值。

存储与输出模块：用于保存或显示桥梁结构被测点的形变与振动位移序列值或波形，异常工况的识别与剔除信息，并根据需要将相关信息传输到数据平台。

所属的存储与输出模块的数据传输方式包括但不限于模拟量输出和数字量通信的有线传输方式，以及蓝牙、wifi、无线网络或其他无线传输方式。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：利用成像信息估计被测目标位置；

步骤S2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

步骤S3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

步骤S4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

2.根据权利要求1所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

3.根据权利要求1所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

4.根据权利要求1所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

5.根据权利要求1所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量方法，其特征在于，在所述步骤S4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

6.一种基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，其特征在于，包括：

模块M1：利用成像信息估计被测目标位置；

模块M2：根据被测目标位置对发射天线的发射信号进行调相；

模块M3：将目标反射的信号与本地振荡信号混频并进行低通滤波，得到多通道基带信号，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

模块M4：通过循环测量，提取被测目标的形变位移信息。

7.根据权利要求6所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，其特征在于，在所述模块M1中：

利用微波成像或视觉成像信息估计被测目标位置θ；

确定微波收发器摆放位置，对回波数据进行成像：

Map＝2DFFT(s_B(p,θ_s))

其中，2DFFT为二维傅里叶变换，Map为桥梁目标的位置图像，s_B(p,θ_s)为微波收发器第p个工作周期的多通道基带信号；

其中幅值较大区域为存在被测目标的位置，得到被测目标位置的估计信息。

8.根据权利要求6所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，其特征在于，在所述模块M2中：

对不同的被测目标位置θ，对多个发射天线的FMCW发射信号进行调相；

被测目标位置与垂直于阵列的直线的夹角角度为θ₁,θ₂,...,θ_s，对位于角度θ_s的待测量目标，构建相位调制向量：

其中，d_k(k＝2,…K)为第k个发射天线距离第一个发射天线的距离，K为发射天线的数目，λ_c为线性调频连续波中心频率对应的波长；

依据相位调制向量设置每个发射天线的初始相位分别为Φ₁,Φ₂,...,Φ_K，其中Φ_k为相位调制向量Φ的第k个元素。

9.根据权利要求6所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，其特征在于，在所述模块M3中：

第p个工作周期时，使用波束扫描角度θ_s进行调相获取的微波收发器多通道基带信号为s_B(p,θ_s,m)，通过解调处理得到被测目标的形变位移信息；

形变位移值计算为：

其中，x(p,θ_s,R)表示为第p个工作周期，波束扫描的角度为θ_s，当前扫描角度距离为R的被测目标的位移序列元素值，arg[·]为取复数相位值的运算,N为每个扫频周期单通道基带信号元素的个数，n为每个扫频周期单通道基带信号元素的序号，T_s为基带信号采样频率时间；s_B(p,θ_s,iT,nT_s)为为第p个工作周期，波束扫描角度为θ_s,共M个通道基带信号组成的矩阵，矩阵的列向量为第m＝1,2,…,M通道的基带信号,j为虚数单位，

为被测目标或测点距离对应的差拍频率估计值，d_rxm为第m个接收天线到第一个接收天线的距离，其中d_rx1＝0。

10.根据权利要求6所述的基于微波感知的桥梁结构远程形变与振动测量系统，其特征在于，在所述模块M4中：

通过多扫频周期的相位干涉，多不同扫频周期的成像进行匹配，得到被测目标在不同扫频周期的位置，提取相关位置被测目标介质表面的形变信息；

在不同的工作周期p＝1,2,…,P，得到第s个监测测点的形变位移时程信号序列为[x(1,θ_s),…,x(p,θ_s),…]；获得形变位移信息；重复测量多个点的位移，包括分布在结构左侧、中间和右侧的平行测量点，通过比较各点之间的位移关系，得到被测目标形变数据。

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