CN116499620B - 基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法、装置及存储介质，其中，所述方法包括：对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，提取对应所述多个拉索测量点的信号，对雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内，计算所述多个拉索测量点在距离‑多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息。本发明所提供的技术方案能够基于毫米波雷达同步对桥梁的拉索群的索力进行全天候实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及雷达监测技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法、装置及存储介质。
背景技术
随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出，为了预防灾难性事件的发生，对大型桥梁进行系统的监测，以实现预测、预报事故，防止灾害的发生，成为保证交通安全的重大课题。现有的桥梁拉吊索的索力监测有压力测试法、压力传感器测定法、磁通量测定法及振动频率法等多种方法，每种方法有各自的特点。进行索力检测时，不同的检测方法和不同的工程会存在差异，这是由于不同的检测方法所需的计算参数不能准确测定，不同工程也因其自身特点和各不相同的环境因素所致。在具体检测时可综合多方面因素，根据实际情况进行选择。
在桥梁施工监控或者成桥荷载试验中，多采用振动频率法进行桥梁索力检测，即利用环境随机振动法进行索力测试。桥梁结构中的拉吊索，并不完全处在静止状态中，而是随着环境变化一直不停地作微幅振动，采用高精度的拾振传感器拾取并识别其振动响应信号，目前常用的一些传感器为加速计或磁通仪（它是利用磁通量的变化与拉索应力的改变有关这一特性研制而成的）。
但是，目前的加速计或者磁通仪每个设备只能监测一根拉索，且需要接触式安装，在安装的过程中可能会对拉索本身产生影响或者产生损害，以及安装不当时会影响测量结果等问题，并且每个设备都要供电、采集数据，其安装过程比较复杂。
另外，目前也有用相关的微波传感器进行探测的，但是，相对来说，设备成本及使用较为麻烦，只能进行巡检，不能做到全天候实时监测。
发明内容
本发明提供了一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法、装置及存储介质，旨在有效解决现有技术中无法同步对桥梁的拉索群的索力进行全天候实时监测，以及监测困难的技术问题。
根据本发明的一方面，本发明提供一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，所述方法包括：
步骤S1，将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
步骤S2，对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
步骤S3，对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
步骤S4，基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
步骤S5，对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
步骤S6，针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
进一步地，所述步骤S1中发射的多个chirp信号为：
，
其中，；
其中，为起始频率，/>为线性调频脉冲的斜率，/>为全时间，/>为脉冲间时间，/>为脉冲内时间，/>为虚数，/>为指数函数。
进一步地，所述步骤S1中接收的回波信号为：
；
其中，为在/>时刻待测拉索测量点与雷达之间的距离，/>为脉冲内时间，/>为毫米波传播速度。
进一步地，所述步骤S3中估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内包括：
根据下式计算所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点振动的速度分辨率：
；
；
其中，表示拉索测量点振动的速度分辨率，/>代表雷达信号波长，/>代表帧时间，表示做相干积累的多chirp信号的总时间，/>代表相干积累的chirp信号个数，/>代表单chirp信号时间，/>为毫米波传播速度，/>为雷达信号中心载波频率。
进一步地，所述步骤S5中将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据的方法包括：
根据下式将所述经解缠绕处理后的数据转换为对应该拉索测量点的形变量数据：
；
其中，表示该拉索测量点的形变量，/>为不同周期的相位差，/>为雷达信号波长。
进一步地，所述步骤S6中针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率的方法包括：
对该拉索测量点的形变时间序列进行FFT处理，以得到对应该拉索测量点的振动图谱，从所述振动图谱中提取对应该拉索测量点振动的阶振动频率，其中，/>为正整数。
进一步地，所述步骤S6中还包括：
在所述振动图谱上进行峰值恒虚警检测，将超过门限的峰值作为提取对应该拉索测量点振动的阶振动频率。
所述步骤S6中根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力的方法包括：
根据下式计算该拉索测量点中的各个拉索测量点的索力：
；
其中，为该拉索测量点的索力，/>为该拉索测量点振动的/>阶振动频率，为该拉索的线密度，/>为该拉索的长度，/>为该拉索的抗弯强度。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测装置，所述装置包括：
数据获取模块，用于将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
信号处理模块，用于对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
速度分辨率估计模块，用于对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
相位缓存模块，用于基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
形变时间序列得到模块，用于对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
索力计算模块，用于针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载以执行如上所述的任一基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法。
采用本发明提供的技术方案，至少可以实现如下技术效果：
本发明所公开的技术方案，为基于毫米波雷达的桥梁索力监测提供解决方案，能够基于毫米波雷达同步对桥梁的拉索群的索力进行全天候实时监测。并且能够真正完全做到远程操作、无人值守、实时监控，可以对各种形式的长、大拉索桥梁进行实时监测、健康管理。具有显著的实用价值。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明实施例提供的一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例提供的基于毫米波雷达对待测拉索群测试得到的距离维图像的示意图。
图3为本发明实施例提供的基于毫米波雷达测试的桥梁拉索群索力同步监测示意图。
图4为本发明实施例提供的对应每个拉索测量点的形变量时域波形的示意图。
图5为本发明实施例提供的基于频谱分析得到对应该拉索测量点振动的各阶振动频率的示意图。
图6为本发明实施例提供的一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，在不做特别说明的情况下，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
根据本发明的一方面，本发明实施例提供一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法。
图1为本发明实施例提供的一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法的步骤流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，所述方法包括：
步骤S1，将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
步骤S2，对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
步骤S3，对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
步骤S4，基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
步骤S5，对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
步骤S6，针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
本发明公开的技术方案使用MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）雷达；其中，MIMO雷达是指多发多收天线体制的雷达，其提供了经济有效的方式来提高雷达的分辨率，且天线体积较小。基于多阵元天线，MIMO雷达采用M个通道发射相互正交的信号，多波形信号在空间保持独立，经过目标的散射，被N个接收阵元接收，每个阵元都采用M个匹配滤波器对回波进行匹配，从而可以得到M*N个通道的回波数据。
上述技术方案的工作原理是：将毫米波雷达对准待测桥梁拉索群，在待测桥梁拉索群的各个拉索的检测点位置对应放置角反射器，通过毫米波雷达向多个角反射器周期性发射调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）信号并接收来自多个角反射器散射的回波信号，对接收到的来自多个角反射器散射的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，从而实现多个拉索在距离维度的准确定位与分辨，对雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内，保证拉索的振动速度不超过一个多普勒分辨率。后续基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
以下对上述步骤S1~步骤S6进行具体描述。
在上述步骤S1中，将毫米波雷达对准待测桥梁拉索群，在待测桥梁拉索群的各个拉索的检测点位置对应放置角反射器，驱使多个发射天线向待测目标发射射频信号向多个角反射器周期性发射调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)信号并驱使多个接收天线接收来自多个角反射器散射的回波信号。
所述步骤S1中发射的多个chirp信号为：
，
其中，；
其中，为起始频率，/>为线性调频脉冲的斜率，/>为全时间，/>为脉冲间时间，/>为脉冲内时间，/>为虚数，/>为指数函数。
需要说明的是，上述线性调频脉冲的斜率在调频连续波信号中用于捕捉频率的变化率，脉冲内时间（快时间）相当于是脉冲内单采样点对应的时间为单位，脉冲间时间（慢时间）相当于以单脉冲时间为单位的时间。
所述步骤S1中接收的回波信号为：
；
其中，为在/>时刻待测拉索测量点与雷达之间的距离，/>为脉冲内时间，/>为毫米波传播速度。
在上述步骤S2中，图2为本发明实施例提供的基于毫米波雷达对待测拉索群测试得到的距离维图像的示意图，对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）处理，如图2所示，则可以得到一对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号，从而实现多个拉索在距离维度的准确定位与分辨。
需要说明的是，上述的距离维图像只有一个，多个拉索测量点是包含在这个一维的图像上，分布在该距离维图像上不同的距离点上。示例性地，如图2中的等间距的尖峰所示，代表拉索群中呈等间距排布的多个拉索。
图3为本发明实施例提供的基于毫米波雷达测试的桥梁拉索群索力同步监测示意图，如图3所示，示出了本发明实施例基于毫米波雷达监测的实际场景测试拉索及观测方向。应理解，将毫米波雷达的探测方向与桥梁拉索群中的各个拉索的主延伸方向垂直，以监测各个拉索振动的速度分辨率。
拉索正常振动情况下，特别是当雷达对于拉索的根部进行探测（照射）时，振动幅度相对较小，并且其振动频率较低，目标点处于零多普勒单元处。所以在上述步骤S3中，可以通过对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，以捕捉在随机环境下拉索的微微振动，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内。
根据下式计算所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点振动的速度分辨率：
；
；
其中，表示拉索测量点振动的速度分辨率，/>代表雷达信号波长，/>代表帧时间，表示做相干积累的多chirp信号的总时间，/>代表相干积累的chirp信号个数，/>代表单chirp信号时间，/>为毫米波传播速度，/>为雷达信号中心载波频率。
为了提高各个拉索测量点（目标）相位的准确度，将各个拉索对应振动的速度分辨率限定为不超过一个多普勒分辨率的单元内。换句话说，如果大于一个多普勒分辨率的单元结果可能会出错，所以我们也是经过计算设计一个合适的速度分辨率范围，不让各个拉索测量点的相位的准确度出问题。
示例性地，各个拉索对应振动的速度分辨率相当于各个拉索在每秒钟摆动的速率，通过估计各个拉索的最大振动速度，来保证各个拉索振动的速度不超过一个多普勒分辨率单元。
在上述步骤S4中，基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息。
各个拉索在受力的情况下会发生振动，但是由于该振动幅度较小，拉索形变可能不会超过雷达的距离分辨率，所以峰值位置不会发生变化。但是雷达检测到的目标相位会根据各个拉索振动实时发生变化。所以需要将计算得到的不同周期相位在雷达中的存储设备中进行记录缓存。
进一步地，为了提高频率分辨率及测量精度，对多个周期的多个拉索测量点相位数据进行长时间缓存（如1024或者2048周期的数据）。
在上述步骤S5中，对于同一个距离点（同一根拉索测量点）不同周期的相位值进行解缠绕处理。并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列。
示例性地，毫米波雷达的中心载频为80GHz，根据下式将所述经解缠绕处理后的数据转换为对应该拉索测量点的形变量数据：
；
其中，表示该拉索测量点的形变量，/>为不同周期的相位差，/>为雷达信号波长。
图4为本发明实施例提供的对应每个拉索测量点的形变量时域波形的示意图，如图4所示，针对每个拉索测量点，相应得到该拉索测量点的形变量的时域波形，其中，横轴为时间轴，纵轴为形变量的值。
上述步骤S6中，针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
图5为本发明实施例提供的基于频谱分析得到对应该拉索测量点振动的各阶振动频率的示意图。
示例性地，对该拉索测量点的形变时间序列进行FFT处理，以得到对应该拉索测量点的振动图谱，从所述振动图谱中提取对应该拉索测量点振动的阶振动频率，其中，/>为正整数。例如，如图5所示，从所述振动图谱中提取对应该拉索测量点振动的基频2.6Hz，二阶频率5.19Hz以及其他高阶频率。
进一步地，在所述振动图谱上进行峰值恒虚警（Constant 0-Alarm Rate，CFAR）检测，将超过门限的峰值作为提取对应该拉索测量点振动的n阶振动频率。然后根据索力计算公式计算桥梁拉索索力，而后判定桥梁拉索索力是否超出预设的警戒阈值，若超出，则监控设备发出报警信号。
具体地，根据下式计算该拉索测量点中的各个拉索测量点的索力：
；
其中，为该拉索测量点的索力，/>为该拉索测量点振动的/>阶振动频率，为该拉索的线密度，/>为该拉索的长度，/>为该拉索的抗弯强度。
本发明所公开的技术方案，为基于毫米波雷达的桥梁索力监测提供解决方案，能够基于毫米波雷达同步对桥梁的拉索群的索力进行全天候实时监测。并且能够真正完全做到远程操作、无人值守、实时监控，可以对各种形式的长、大拉索桥梁进行实时监测、健康管理。具有显著的实用价值。
基于与本发明实施例的一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法同样的发明构思，本发明实施例提供了一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测装置，请参考图6，所述装置包括：
数据获取模块201，用于将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
信号处理模块202，用于对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
速度分辨率估计模块203，用于对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
相位缓存模块204，用于基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
形变时间序列得到模块205，用于对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
索力计算模块206，用于针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
进一步地，在所述数据获取模块201中，其发射的多个chirp信号为：
，
其中，；
其中，为起始频率，/>为线性调频脉冲的斜率，/>为全时间，/>为脉冲间时间，/>为脉冲内时间，/>为虚数，/>为指数函数。
需要说明的是，上述线性调频脉冲的斜率在调频连续波信号中用于捕捉频率的变化率，脉冲内时间（快时间）相当于是脉冲内单采样点对应的时间为单位，脉冲间时间（慢时间）相当于以单脉冲时间为单位的时间。
在所述数据获取模块201中，其接收的回波信号为：
；
其中，为在/>时刻待测拉索测量点与雷达之间的距离，/>为脉冲内时间，/>为毫米波传播速度。
进一步地，在速度分辨率估计模块203中，根据下式计算所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点振动的速度分辨率：
；
；
其中，表示拉索测量点振动的速度分辨率，/>代表雷达信号波长，/>代表帧时间，表示做相干积累的多chirp信号的总时间，/>代表相干积累的chirp信号个数，/>代表单chirp信号时间，c为毫米波传播速度，/>为雷达信号中心载波频率。
进一步地，在形变时间序列得到模块205中，根据下式将所述经解缠绕处理后的数据转换为对应该拉索测量点的形变量数据：
；
其中，表示该拉索测量点的形变量，/>为不同周期的相位差，/>为雷达信号波长。
进一步地，形变时间序列得到模块205还用于对该拉索测量点的形变时间序列进行FFT处理，以得到对应该拉索测量点的振动图谱，从所述振动图谱中提取对应该拉索测量点振动的n阶振动频率，其中，n为正整数。
进一步地，形变时间序列得到模块205还用于在所述振动图谱上进行峰值恒虚警检测，将超过门限的峰值作为提取对应该拉索测量点振动的n阶振动频率。
进一步地，在索力计算模块206中，根据下式计算该拉索测量点中的各个拉索测量点的索力：
；
其中，为该拉索测量点的索力，/>为该拉索测量点振动的/>阶振动频率，为该拉索的线密度，/>为该拉索的长度，/>为该拉索的抗弯强度。
此外，所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测装置的其他方面以及实现细节与前面所描述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法相同或相似，在此不再赘述。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载以执行如上所述的任一所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
步骤S2，对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
步骤S3，对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
步骤S4，基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
步骤S5，对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
步骤S6，针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
2.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S1中发射的多个chirp信号为：
，
其中，；
其中，为起始频率，/>为线性调频脉冲的斜率，/>为全时间，/>为脉冲间时间，/>为脉冲内时间，/>为虚数，/>为指数函数。
3.如权利要求2所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S1中接收的回波信号为：
；
其中，为在/>时刻待测拉索测量点与雷达之间的距离，/>为脉冲内时间，/>为毫米波传播速度。
4.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S3中估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内包括：
根据下式计算所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点振动的速度分辨率：
；
；
其中，表示拉索测量点振动的速度分辨率，/>代表雷达信号波长，/>代表帧时间，表示做相干积累的多chirp信号的总时间，/>代表相干积累的chirp信号个数，/>代表单chirp信号时间，/>为毫米波传播速度，/>为雷达信号中心载波频率。
5.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S5中将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据的方法包括：
根据下式将所述经解缠绕处理后的数据转换为对应该拉索测量点的形变量数据：
；
其中，表示该拉索测量点的形变量，/>为不同周期的相位差，/>为雷达信号波长。
6.如权利要求1所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S6中针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率的方法包括：
对该拉索测量点的形变时间序列进行FFT处理，以得到对应该拉索测量点的振动图谱，从所述振动图谱中提取对应该拉索测量点振动的阶振动频率，其中，/>为正整数。
7.如权利要求6所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S6中还包括：
在所述振动图谱上进行峰值恒虚警检测，将超过门限的峰值作为提取对应该拉索测量点振动的阶振动频率。
8.如权利要求6或7所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法，其特征在于，所述步骤S6中根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力的方法包括：
根据下式计算该拉索测量点中的各个拉索测量点的索力：
；
其中，为该拉索测量点的索力，/>为该拉索测量点振动的/>阶振动频率，/>为该拉索的线密度，/>为该拉索的长度，/>为该拉索的抗弯强度。
9.一种基于毫米波雷达的桥梁索力监测装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块，用于将所述雷达的探测方向对准待测桥梁拉索群，驱使多个发射天线向所述待测桥梁拉索群中的多个拉索测量点周期性地发射多个chirp信号并驱使多个接收天线接收来自所述多个拉索测量点散射的回波信号；
信号处理模块，用于对包含多个拉索测量点的回波信号进行距离维FFT处理，得到对应包含多个拉索测量点的距离维图像，根据所述雷达的测量结果与实际场景相对应，提取对应所述多个拉索测量点的信号；
速度分辨率估计模块，用于对所述雷达发射的多个chirp信号的回波信号进行多普勒维FFT处理以进行相干积累，并估计所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的振动的速度分辨率是否在预设范围之内；
相位缓存模块，用于基于所述距离维FFT和所述多普勒维FFT，构建对应的距离-多普勒图谱，并通过对所述距离-多普勒图谱进行目标检测，得到对应所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点位置，计算所述多个拉索测量点在所述距离-多普勒维图谱中的峰值点对应的相位信息，并缓存所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位信息；
形变时间序列得到模块，用于对所述多个拉索测量点在不同周期所对应的相位值进行解缠绕处理，并将经解缠绕处理后的数据转换为对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变量数据，以得到对应所述多个拉索测量点中的各个拉索测量点的形变时间序列；
索力计算模块，用于针对每个所述拉索测量点，通过对该拉索测量点的形变时间序列进行频谱分析，从中提取对应该拉索测量点振动的各阶振动频率，并根据拉索索力与该拉索测量点的各阶振动频率的数学关系计算索力。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的基于毫米波雷达的桥梁索力监测方法。
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