毫米波雷達(dá)在中小橋梁中的應(yīng)用實踐

概述

 

 

雷達(dá)，全稱無線電探測和測距（RADAR），是一種利用無線電波來檢測周圍物體的儀器。其工作原理在于通過定向天線發(fā)射強而短的微波能量脈沖，這些脈沖沿特定方向射入空氣中。當(dāng)這些脈沖遇到目標(biāo)時，它們會反彈并返回發(fā)射天線。通過測量這些信號脈沖從發(fā)射到返回所需的時間，可以精確地確定目標(biāo)的位置。

 

 

雷達(dá)的工作頻率范圍非常廣泛，從220MHz到35GHz。

 

 

毫米波雷達(dá)

作為一項新型監(jiān)測設(shè)備，毫米波雷達(dá)（24G以及77G頻段）在橋梁隧道邊坡監(jiān)測行業(yè)得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，它使用電磁波信號對監(jiān)測目標(biāo)非接觸式干涉測量，測量精度可達(dá)亞毫米級。

微波雷達(dá)利用干涉測量原理來實現(xiàn)高精度形變測量。干涉測量技術(shù)是一項通過被監(jiān)測物位移導(dǎo)致的雷達(dá)反射波的相位信息變化而進(jìn)行形變監(jiān)測的雷達(dá)技術(shù)。通常來說，電磁波發(fā)射出去后經(jīng)過被測物體的反射，這樣即可記錄一個相位信息，隨著被測物體的移動，反射的電磁波的相位信息發(fā)生變化。形變的測量就是通過計算雷達(dá)波所監(jiān)測的不同的相位信息變化來測量目標(biāo)的徑向位移：

 

 

 

 

經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，我國的雷達(dá)技術(shù)取得了顯著成就已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平‌。不僅在軍用領(lǐng)域，民用雷達(dá)同樣得到了廣泛的普及和應(yīng)用。在橋梁、隧道、邊坡健康監(jiān)測領(lǐng)域的位移、撓度、收斂、振動、索力監(jiān)測都有典型的應(yīng)用。

應(yīng)用場景

橋梁健康監(jiān)測場景

雷達(dá)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用主要包括毫米波雷達(dá)和微波雷達(dá)，具有全天候、非接觸、高精度、多目標(biāo)和遠(yuǎn)距離等特點,在監(jiān)測橋梁動撓度、索力測試等方面發(fā)揮著重要作用‌。
根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程規(guī)程》（JT/T 1037-2022）中對懸索橋、斜拉橋、梁式橋及拱橋規(guī)定的監(jiān)測內(nèi)容，主梁或拱橋的豎向位移（撓度）及振動加速度均為必選的監(jiān)測參數(shù)。因此不管是是對于大跨徑橋梁還是中小跨徑橋梁，橋梁撓度和豎向加速度監(jiān)測都是關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)。

撓度監(jiān)測

作為橋梁健康監(jiān)測的必選監(jiān)測項，撓度監(jiān)測（主梁豎向位移）一直是監(jiān)測重點，同樣也是監(jiān)測難點。按照J(rèn)T/T1037-2022《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》有如下監(jiān)測要求：

 

 

雷達(dá)撓度監(jiān)測法

 

 

 

 

雷達(dá)在撓度測量時為了覆蓋整個跨面一般是斜向照射橋面，這樣雷達(dá)測得各目標(biāo)點的視線向位移與實際撓度變化方向存在一定的夾角，因此需要根據(jù)角度關(guān)系換算出真正的位移。橋梁撓度投影計算法如上圖所示，其中dp為雷達(dá)測得視線向位移，R為雷達(dá)到目標(biāo)的絕對距離，h為雷達(dá)到橋梁底板的高度。

優(yōu)點：

● 設(shè)備安裝在地面或者橋臺上，監(jiān)測主梁與地面的真實撓度值。

● 采樣頻率最高可達(dá)100赫茲，可實現(xiàn)動撓度以及索頻監(jiān)測。

● 無需安裝基準(zhǔn)點，測點采用無源三角靶，施工方便。

● 監(jiān)測精度高，精度可達(dá)0.01毫米。

● 監(jiān)測距離可達(dá)300米以上，相比光電圖像測量法更適合長大橋梁。

● 非接觸式監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)無損傷。

● 單臺雷達(dá)可實現(xiàn)多點撓度同步測量。

●適合橋墩較高的橋梁健康監(jiān)測場景。

● 雷達(dá)波穿透性能強，不受光線、沙塵、雨霧等環(huán)境影響。

● 支持4G、網(wǎng)口多種數(shù)據(jù)傳輸方式，安裝方便、成本低。

● 較低的功耗，可實現(xiàn)太陽能供電長期監(jiān)測。

不足：

● 雷達(dá)波束中心線與主梁的夾角較小時，對角度測量精度要求較高。

● 雷達(dá)主機與測點之間不得有結(jié)構(gòu)物遮擋。（雨霧天氣不影響監(jiān)測）

●監(jiān)測主機需處在相對靜止穩(wěn)固位置，否則會影響監(jiān)測精度。

適用場景：

適合監(jiān)測精度較高的項目，箱梁外安裝，不受雨霧天氣影響。非常適合橋墩較高的橋梁進(jìn)行動撓度數(shù)據(jù)監(jiān)測。

產(chǎn)品參數(shù)：

毫米波雷達(dá)參數(shù)表

 

 

產(chǎn)品參數(shù)雷達(dá)監(jiān)測具體應(yīng)用

動撓度監(jiān)測

雷達(dá)能在雷達(dá)波發(fā)射角范圍內(nèi)實現(xiàn)對多個橋梁結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行動撓度精確監(jiān)測。也可以實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動監(jiān)測，監(jiān)測項包括橋梁結(jié)構(gòu)的動撓度、振頻、振幅等參數(shù)。雷達(dá)主機需安裝在地面、橋臺或者墩柱底部相對穩(wěn)固的位置。雷達(dá)天線發(fā)射面與被測目標(biāo)垂直為最佳。

被測結(jié)構(gòu)物表面需安裝三角靶，三角靶無需供電，自帶萬向節(jié)，安裝方便。三角靶硬件安裝完畢后，使用紅光筆定向配件，將三角靶的中心線指向雷達(dá)天線。雷達(dá)會自動捕捉三角靶反射電波信號，并精確測出三角靶到雷達(dá)天線的距離。調(diào)試完畢后，啟動監(jiān)測模式，雷達(dá)即可將撓度數(shù)據(jù)實時上傳到云平臺。雷達(dá)支持以太網(wǎng)、4G、RS485等數(shù)據(jù)傳輸方式，支持市電、太陽能供電等多種供電方式。

 

橋梁跨中撓度測試?yán)走_(dá)監(jiān)測示意圖

 

應(yīng)用擴展

值得說明的是在中小跨徑橋梁健康監(jiān)測項目中，雷達(dá)設(shè)備不僅可以實現(xiàn)撓度監(jiān)測，同時可以擴展雷達(dá)位移監(jiān)測的應(yīng)用方案，使其更加適合對主梁線型狀態(tài)監(jiān)測。這一應(yīng)用充分體現(xiàn)了雷達(dá)設(shè)備的高精度、抗干擾、全天候、寬監(jiān)測角、遠(yuǎn)距離、非接觸、多測點、測點部署靈活、成本低、靶標(biāo)無源等其他位移監(jiān)測方法不可比擬的特點。三角靶標(biāo)沿主梁等距安裝，雷達(dá)實時監(jiān)測靶標(biāo)位移變化，監(jiān)測精度最優(yōu)可達(dá)0.01毫米，當(dāng)橋梁發(fā)生災(zāi)害時，雷達(dá)實時感知主梁發(fā)生位移，通過閾值設(shè)定，或者多點預(yù)警算法判定橋梁發(fā)生危險，雷達(dá)立刻驅(qū)動攝像機拍照，并上傳云平臺。同時雷達(dá)將報警數(shù)據(jù)上報現(xiàn)場無線報警網(wǎng)關(guān)，報警網(wǎng)關(guān)立刻驅(qū)動現(xiàn)場多媒體報警。實現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場報警提示或封閉，確保行人及車輛安全。

 

雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

雷達(dá)設(shè)備的通訊接口支持RS485或者網(wǎng)口。使用雷達(dá)進(jìn)行橋梁撓度監(jiān)測，雷達(dá)主機將實時撓度數(shù)據(jù)通過有線或者無線的方式傳輸給現(xiàn)場核心網(wǎng)關(guān)。核心網(wǎng)關(guān)對撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行多級預(yù)警判別。如果因各種災(zāi)害撓度數(shù)據(jù)發(fā)生越線，核心網(wǎng)關(guān)馬上驅(qū)動外圍報警設(shè)備，如LED顯示屏、語音喇叭、聲光警號、電話報警、短信報警、柔性阻車器等等，提醒路面車輛和行人，對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行封閉，確保人員和車輛安全。同時核心網(wǎng)關(guān)第一時間將報警情況發(fā)送給云平臺，云平臺發(fā)出報警，值班人員確認(rèn)后可啟動應(yīng)急預(yù)案。

 

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雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

 

云端管理平臺

 

應(yīng)用案例

 

 

其他橋梁撓度監(jiān)測方法分析

 

靜力水準(zhǔn)儀或壓差變送器測量法

 

優(yōu)點：

● 原理簡單，設(shè)備成本較低；可實現(xiàn)自動化測量。

不足：

● 需要部署水管、氣管、水箱、閥門、基準(zhǔn)點等部件安裝布設(shè)繁瑣；

● 連通管系統(tǒng)需要定期補充液體維護(hù)繁瑣；● 水管中有氣泡時，氣泡接觸壓力傳感器后，監(jiān)測誤差較大；

● 連通管受環(huán)境溫度影響非常大，溫差導(dǎo)致的誤差，無法滿足監(jiān)測規(guī)范要求；

● 當(dāng)液體連通管距離較長、高差較大、轉(zhuǎn)彎角較多時測量數(shù)據(jù)誤差較大；

● 不太適用于跨徑大、縱坡較大的橋梁；

● 當(dāng)測量環(huán)境振動較大時，測量誤差較大；

● 受連通管內(nèi)液體響應(yīng)頻率限制，只能用于低頻靜撓度監(jiān)測；

● 無法進(jìn)行動態(tài)高精度撓度監(jiān)測；

● 在箱梁內(nèi)安裝時，監(jiān)測撓度為墩柱頂部與主梁各測點的相對豎向位移。

適用場景：

適用于一些對測量精度要求不高、監(jiān)測環(huán)境溫度變化較小、跨徑較小、縱坡較緩、安裝環(huán)境振動小的橋梁，如城市中的小型景觀橋、小型互通立交匝道橋等的靜撓度長期監(jiān)測。單個產(chǎn)品在實驗室環(huán)境下的監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差可達(dá)到1毫米或更優(yōu)，但是實際安裝現(xiàn)場的系統(tǒng)精度往往難以令人滿意。一旦發(fā)現(xiàn)誤差較大時，數(shù)據(jù)驗證非常困難、維修難度、維修成本非常大，難以滿足用戶驗收要求。

 

光電圖像位移傳感器撓度監(jiān)測法

 

優(yōu)點：

● 非接觸式監(jiān)測，對橋梁結(jié)構(gòu)無損傷。

● 一臺主機可同時監(jiān)測多個測點；

● 每個測點可同時監(jiān)測水平和垂直方向的二維位移數(shù)據(jù)；

● 監(jiān)測單跨20-300米的橋梁；

● 支持4G、網(wǎng)口多種數(shù)據(jù)傳輸方式，安裝方便、成本低；

● 具有很高的測量精度，可達(dá)到 0.1mm，滿足規(guī)范要求；

● 采樣頻率最高可達(dá)50赫茲，可實現(xiàn)動撓度監(jiān)測。

不足：

● 監(jiān)測場景主機、測點、基準(zhǔn)點必須通視，測點不得相互遮擋。

● 監(jiān)測場景灰塵過多，容易堆積在鏡頭或護(hù)罩表面，影響測試精度。

● 適合在箱梁內(nèi)安裝，在陽光下安裝時，易受到陽光干擾。

● 雨霧天氣影響光線傳播，容易產(chǎn)生監(jiān)測誤差。

● 測量距離太遠(yuǎn)時，靶燈光斑的發(fā)散和大氣湍流會影響測量精度；

● 監(jiān)測主機和基準(zhǔn)點需處在靜止位置，否則會影響監(jiān)測精度。

適用場景：

適合箱梁內(nèi)安裝、不受日光影響、灰塵及油污較少、監(jiān)測現(xiàn)場通視、跨度20-300米的橋梁，適合長期動態(tài)撓度監(jiān)測。

 

GNSS撓度測量法

 

優(yōu)點：

● 具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維定位能力；

● 測量布設(shè)容易，可用于大型橋梁撓度的觀測和監(jiān)控；

● 抗干擾性和保密性良好；

● 接收北斗信號，解算國產(chǎn)化；

● 支持4G和網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸。

不足：

● 受現(xiàn)場安裝條件影響，測量精度難以滿足高精度測量要求。

● GNSS主機安裝時不得有遮擋物影響衛(wèi)星信號。

● 需要基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站需在橋梁監(jiān)測區(qū)域以外的穩(wěn)定位置安裝，施工困難。

● 主機或天線需安裝在橋梁表面，需要有完善的防雷措施，導(dǎo)致成本增加。

● 需要部署解算服務(wù)器，增加項目成本、需二次開發(fā)、增加數(shù)據(jù)不穩(wěn)定節(jié)點。

● 解算軟件生成定位數(shù)據(jù)需要解算時間，無法支持橋梁動撓度監(jiān)測要求。

適用場景：

適用于對精度要求相對不高，但需要進(jìn)行大范圍、長期、實時監(jiān)測的橋梁，如大型橋梁的宏觀變形監(jiān)測、處于偏遠(yuǎn)地區(qū)的橋梁監(jiān)測等。