CN112747849A - 基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离‑角度联合维实现多根拉索的多测点定位与振动响应同步测量，实现拉索群在线同步监测与预警。本发明通过距离‑角度联合维度对桥梁多根拉索上的多测点进行定位与分辨，同步提取拉索群的多测点振动响应信息，对拉索群索力进行在线同步、准确、快速测量。

Description

基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种土木工程测试领域的技术，具体是一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法。

背景技术

现有的机器人辅助桥梁拉索索力检测技术是通过沿索缆攀爬过程中对索缆表面与内部进行检测，但这种工业机器人较为笨重，智能化程度不高，设备成本较高，测量耗时。另外基于索力与拉索的固有频率之间的数学关系，通过振动频率测量方法，以加速度传感器和基于光纤传感为代表的桥梁拉索索力监测方法可以实现在线监测，但是只能实现某根拉索某一位置的单点测试，当进行多根拉索或某根拉索多点测试时需要布置多个加速度传感器或光纤光栅振动传感器组实现拉索索力的分布式测量，然而这种接触式的振动测量方法需要较为复杂的传感器安装，组网布线复杂，测试耗时费力。

非接触式测量中主要有基于视频的拉索振动监测方法，但是这种方法易受光线等环境因素影响，测量精度较低，频率响应带宽受限；而现有的基于微波雷达的索力监测方法受限于发射带宽，距离分辨率较低，静态杂波干扰、邻近多分量耦合及同距离单元分量混叠干扰问题突出，导致无法实现高精度的形变与振动测量。特别是，针对工程实际拉索索力测试中，由于拉索较长，多根拉索常处于相同或相邻的距离单元而难以分辨，且雷达波束辐射范围内易产生邻近距离单元的多拉索振动耦合及同距离单元的多拉索振动混叠干扰，导致拉索的振动测量精度显著降低，甚至失效。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷和难点，提出一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法，通过距离-角度联合维度对桥梁多根拉索上的多测点进行定位与分辨，同步提取拉索群的多测点振动响应信息，对拉索群索力进行准确测量，在桥梁拉索索力监测中具有广阔的应用前景和工程应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统，包括：用于发射和接收线性调频连续波微波信号的微波雷达前端、处理器模块和显示与保存模块，其中：处理器模块包括：用于同步采集微波雷达前端输出的多通道基带信号的信号采集子模块、用于对多通道基带信号进行处理并同步提取拉索群多拉索的振动位移时间序列的信号处理子模块和用于对多拉索的振动位移时间序列信号进行特征分析、计算多拉索的索力并评估拉索索力异常与损伤风险的特征分析子模块，显示与保存模块显示包括多拉索全场测点分布热图、多拉索振动响应测量结果及多拉索索力在内的信息，并用于保存拉索群多拉索索力的测量结果和预警分析结果。

所述的微波雷达前端包括：至少一个发射天线、多个接收天线以及线性调频连续波微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器组件，其中：接收天线等间隔线性阵列分布。

本发明涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测方法，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离-角度联合维实现多根拉索的多测点定位与有效测点选择，并提取各测点的振动响应，实现拉索群索力的在线同步监测与预警。

所述的拉索的距离-角度像信息包括：距离维度和角度维度的准确定位信息。

所述的拉索的距离-角度像信息，通过以下方式得到：取某个扫频周期接收到的多通道中频基带信号H，设多通道中频基带信号按列排布组成矩阵信号H，对信号H按列做快速傅里叶变换得到拉索群的距离像信息H_f，然后对H_f按行做快速傅里叶变换，得到拉索群的距离-角度像矩阵H_ff。

所述的定位是指：对矩阵H_ff取复数幅值，得到拉索群反射能量的距离-角度联合维度热图，根据峰值搜索和拉索群的实际空间分布，实现拉索群全场测点的定位与辨识，并根据信号强度与杂波干扰强度选择被测拉索的有效测点，得到各测点对应的矩阵H_ff的索引位置。

所述的每根拉索的振动响应信息，通过以下方式提取：

步骤1，提取各测点的干涉相位演变时间序列，具体为：

其中：

为第q根拉索测点测点第i个发射周期干涉相位的估计值，T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为多通道中频基带信号H按列做快速傅里叶变换的离散点数，M_z为对H_f按行做快速傅里叶变换的离散点数，k_q和p_q分别为第q根拉索测点的距离维度索引和角度维度索引；

步骤2，计算各拉索的振动位移时间序列，具体为：

其中x(q,iT)为第q根拉索测点第i个发射周期位移时间序列估计值，λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值。

所述的拉索群在线同步监测与预警，具体包括：

步骤i)计算每根拉索的索力大小F_q(q＝1，2，…Q)，其中Q为被测拉索的总个数。通过对每个拉索测点的位移时间序列x(q,iT)进行频谱分析，从中提取振动的一阶固有频率f_q，并根据拉索索力与拉索一阶固有频率的数学关系得到索力

其中：ρ为拉索的线密度，L_q为第q根拉索的长度；

步骤ii)判断拉索索力测量值是否超过设定的安全阈值，如果超过阈值，发出警报和提醒；分析拉索群各拉索索力的差异，结合实际空间分布和承载特点，当拉索索力和邻近拉索的索力差异超过阈值，判断此拉索具有损伤风险。

技术效果

本发明整体解决了现有基于微波雷达的拉索索力测量技术存在的多根拉索不易定位与测点混叠问题，测试可靠性与易用性差；解决索力测量中，难以克服多根拉索测点耦合与混叠杂波干扰，导致的索力测量精度差的问题。

与现有技术相比，本发明通过距离-角度联合维度实现了拉索群多根拉索多测点的全场定位与辨识，能够有效分辨拉索群的测点位置，提高了测试的可靠性与易用性；通过全场振动测量解决了多根拉索测点的邻近距离单元耦合和同距离单元混叠的干扰难题，实现了拉索群多根拉索测点的准确振动信息提取，从而实现准确的拉索群索力的同步在线测量，且可实现全天时全天候在线监测，测试与操作简便且成本低。

附图说明

图1为本发明基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测示意图；

图2为本发明基于微波全场感知的桥梁拉索群索力在线同步监测方法流程图；

图3为本发明微波雷达发射信号与接收信号瞬时频率示意图；

图4为本发明基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测监测系统框图；

图5为本发明实施例中微波雷达前端结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，为本实施例涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测方法，包括以下步骤：

步骤1，将微波雷达前端正对待测桥梁拉索，通过发射天线重复发射线性调频连续波微波信号。如图3所示，为三个发射天线分时发射，三个接收天线同时接收微波雷达信号瞬时频率示意图，信号发射周期为T_f，扫频周期为T，带宽为B，接收信号为发射信号的时间延迟。

步骤2，雷达前端的多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，接收信号与本振信号通过混频操作得到多通道的中频基带信号，并由处理器模块的信号采集子模块同步采集，记某一个扫频周期接收到的多通道中频基带信号记为H＝[S₁，S₂，…S_M]，其中M为接收到信号的虚拟通道数目，其中通道m的基带信号S_m为[s(0，m)，s(1，m)，…s(N-1，m)]^T，其中N为每个通道基带信号采样个数。

步骤3，通过处理器模块的信号处理子模块对中频基带信号进行处理获取多根拉索的距离-角度像信息，从而实现多根拉索在距离-角度联合维度的准确定位与分辨，具体为：对某一扫频周期的中频基带信号矩阵H进行二维快速傅里叶变换，首先对矩阵H按列做快速傅里叶变换得到拉索的距离像信息，记矩阵H_f，然后对矩阵H_f按行做快速傅里叶变换得到拉索群的距离-角度像矩阵H_ff。对矩阵H_ff取复数幅值，得到拉索群反射能量的距离-角度联合维度热图，根据峰值搜索和拉索群的实际空间分布，实现拉索群全场测点的定位与辨识。为了进一步提高测量的精度和可靠性，根据信号强度与杂波干扰强度选择被测拉索的有效测点，优选拉索多测点中信号强度较强，邻近杂波干扰强较少的测点，并得到各测点对应的矩阵H_ff的索引位置。

步骤4，提取每根拉索的振动位移时域信息，具体包括：

步骤4.1，提取各测点的干涉相位演变时间序列，提取方法为：

根据拉索振动对多通道基带信号产生的干涉相位调制原理，以及多通道之间存在特定关系的相位差异，即dsinθ/λ，d为多接收天线的间隔，λ为载波波长，θ为目标或测点的入射角度的原理，推导分析得到全场测点振动引起的干涉相位演变可从距离维度迁移到角度维度，且保持不变。因此，为了抑制邻近分量耦合干扰和同距离单元分量混叠干扰影响，同时获得高精度的振动信息提取结果，采用距离-角度联合维度的全场测点干涉相位演变估计，估计方法为：

其中：

为第q根拉索测点测点第i个发射周期干涉相位的估计值，T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为步骤3中多通道中频基带信号H按列做快速傅里叶变换的离散点数，M_z为步骤3中对H_f按行做快速傅里叶变换的离散点数，k_q和p_q分别为第q根拉索测点的距离维度索引和角度维度索引；

步骤4.2，计算各拉索的振动位移时间序列，具体为：

其中：x(q,iT)为第q根拉索测点第i个发射周期位移时间序列估计值，λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值。

步骤5，通过特征分析子模块进行拉索群在线同步监测与预警。

步骤5.1，计算每根拉索的索力大小F_q(q＝1，2，…，Q)，其中Q为被测拉索的总个数。通过对每个拉索测点的位移时间序列x(q,iT)进行频谱分析，从中提取振动的一阶固有频率f_q，并根据拉索索力与拉索一阶固有频率的数学关系得到索力

其中：ρ为拉索的线密度，L_q为第q根拉索的长度；

步骤5.2，判断拉索索力测量值是否超过设定的安全阈值，如果超过阈值，发出警报和提醒；分析拉索群各拉索索力的差异，结合实际空间分布和承载特点，当拉索索力和邻近拉索的索力差异超过阈值，判断此拉索具有损伤风险。工程实际中，可进行拉索群索力的长时间在线监测，通过对拉索的振动位移时间序列x(q,iT)进行时频分析，利用时频峰值脊线提取的方法，获取拉索索力随时间的变化规律，从而判断拉索的性能与损伤风险。

如图4所示，本实施例涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统，包括：微波雷达前端、处理器模块和显示与保存模块，其中：微波雷达前端模块连接处理器模块，传输多通道基带信号；处理器模块和显示与保存模块相连，传输包括拉索群测点的距离-角度联合维定位信息、索力测量结果及特征分析结果在内的信息。

所述的处理器模块包括：信号采集子模块、信号处理子模块和特征分析子模块，其中：为了利用多通道之间的传输相位差异信息，信号采集子模块同步采集微波雷达前端输出的多通道基带信号；信号处理子模块对多通道基带信号进行处理，同步提取拉索群多拉索的振动位移时间序列；特征分析子模块对多拉索的振动位移时间序列信号进行特征分析，计算多拉索的索力，并评估拉索索力异常与损伤风险。

如图5所示，所述的微波雷达前端包括：线性调频连续波微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、至少一个发射天线和多个线性等间距阵列分布的接收天线。所述功分器和功率放大器的个数与发射天线个数相同，所述低噪声放大器的个数与接收天线的个数相同。

所述的接收天线的间距小于或等于发射微波信号载波波长的一半。当发射天线为多个时，依据分时发射复用原则进行空间布局，产生成倍增加的等效虚拟接收通道，等效的虚拟接收通道个数等于发射天线与接收天线个数之积。

所述的线性调频连续波微波信号源与所述的功分器相连传输线性调频载波信号，所述的功分器一端与所述的功率放大器相连，一端与所述的混频器相连并传输本振信号；所述的功率放大器与所述的发射天线相连并传输放大的线性调频载波信号，所述的接收天线与所述的低噪声放大器相连，所述的低噪声放大器与混频器相连并传输放大的接收信号，所述的混频器的输出端与低通滤波器相连并产生中频基带信号。

所述的线性调频连续波微波信号源的信号经过所述的功分器分为两路，一路经过所述的功率放大器连接所述的发射天线，由所述的发射天线发射，一路与放大的接收信号通过混频器产生混频信号。

所述的接收天线接收拉索反射的微波信号，经低噪声放大器传输给混频器；混频器将低噪声放大器传输的微波信号与经过所述的功分器后的另一路微波本振信号混频处理，经低通滤波器处理后输出多通道基带信号。

综上，与现有技术相比，本发明实现了拉索群全场的可靠定位与分辨，同时解决了杂波干扰抑制难题，得到了准确的多拉索振动响应的同步测量和索力测试。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征在于，包括：用于发射和接收线性调频连续波微波信号的微波雷达前端、处理器模块和显示与保存模块，其中：处理器模块包括：用于同步采集微波雷达前端输出的多通道基带信号的信号采集子模块、用于对多通道基带信号进行处理并同步提取拉索群多拉索的振动位移时间序列的信号处理子模块和用于对多拉索的振动位移时间序列信号进行特征分析、计算多拉索的索力并评估拉索索力异常与损伤风险的特征分析子模块，显示与保存模块显示包括多拉索全场测点分布热图、多拉索振动响应测量结果及多拉索索力在内的信息，并用于保存拉索群多拉索索力的测量结果和预警分析结果。

2.根据权利要求1所述的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征是，所述的微波雷达前端包括：至少一个发射天线、多个接收天线以及线性调频连续波微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器组件，其中：接收天线等间隔线性阵列分布；

所述的接收天线的间距小于或等于发射微波信号载波波长的一半；当发射天线为多个时，依据分时发射复用原则进行空间布局，产生成倍增加的等效虚拟接收通道。

3.根据权利要求2所述的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征是，所述的线性调频连续波微波信号源与功分器相连传输线性调频载波信号，功分器一端与功率放大器相连，一端与混频器相连并传输本振信号；功率放大器与发射天线相连并传输放大的线性调频载波信号，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与混频器相连并传输放大的接收信号，混频器的输出端与低通滤波器相连并产生中频基带信号；线性调频连续波微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线，由发射天线发射，一路与放大的接收信号通过混频器产生混频信号；接收天线接收拉索群反射的微波信号，经低噪声放大器传输给混频器；混频器将低噪声放大器传输的微波信号与经过功分器后的另一路微波本振信号混频处理，经低通滤波器处理后输出多通道基带信号。

4.一种基于上述任一权利要求所述系统的微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征在于，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离-角度联合维实现多根拉索的多测点定位与有效测点选择，并提取各测点的振动响应，实现拉索群索力的在线同步监测与预警。

5.根据权利要求4所述的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征是，所述的拉索的距离-角度像信息包括：距离维度和角度维度的全场定位信息；

所述的拉索的距离-角度像信息，通过以下方式得到：取某个扫频周期接收到的多通道中频基带信号H，通过距离维度和多通道形成的角度维度的二维傅里叶变换，得到拉索群的距离-角度像矩阵H_ff；

所述的定位是指：对矩阵H_ff取复数幅值，得到拉索群反射能量的距离-角度联合维度热图，根据峰值搜索和拉索群的实际空间分布，实现拉索群全场测点的定位与辨识，并根据信号强度与杂波干扰强度选择被测拉索的有效测点，得到各测点对应的矩阵H_ff的索引位置。

6.根据权利要求4所述的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征是，所述的每根拉索的振动响应信息，通过以下方式提取：

步骤1，提取各测点的干涉相位演变时间序列，具体为：

其中：

为第q根拉索测点测点第i个发射周期干涉相位的估计值，T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_z为多通道中频基带信号H按列做快速傅里叶变换的离散点数，M_z为对H_f按行做快速傅里叶变换的离散点数，k_q和p_q分别为第q根拉索测点的距离维度索引和角度维度索引；

步骤2，计算各拉索的振动位移时间序列，具体为：

其中x(q,iT)为第q根拉索测点第i个发射周期位移时间序列估计值，λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，

为

的平均值。

7.根据权利要求4所述的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征是，所述的拉索群在线同步监测与预警，具体包括：

步骤i)计算每根拉索的索力大小F_q(q＝1，2，…Q)，其中Q为被测拉索的总个数；通过对每个拉索测点的位移时间序列x(q,iT)进行频谱分析，从中提取振动的一阶固有频率f_q，并根据拉索索力与拉索一阶固有频率的数学关系得到索力

其中：ρ为拉索的线密度，L_q为第q根拉索的长度；

步骤ii)判断拉索索力测量值是否超过设定的安全阈值，当超过阈值，发出警报和提醒；分析拉索群各拉索索力的差异，结合实际空间分布和承载特点，当拉索索力和邻近拉索的索力差异超过阈值，判断此拉索具有损伤风险。

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