CN112816977B - 基于微波雷达的穹顶结构健康监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测评估方法及系统，包括：通过微波雷达向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，同步采集微波雷达输出的多通道中频基带信号；得到待测穹顶结构的距离‑角度像热图，从距离和角度的联合维度对穹顶结构关键测点进行定位，并提取各测点的振动位移时域信息；通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数；根据待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。为穹顶结构的健康监测提供了一种高效率、易操作、低成本、高可靠性的全视场非接触式监测技术与方法。

Description

基于微波雷达的穹顶结构健康监测方法及系统

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，具体地，涉及一种基于微波雷达的穹顶结 构健康监测与安全评估方法及系统。

背景技术

随着大跨度弦支结构研究的快速发展，这种结构在高铁车站、大型体育场馆、 展览馆等建筑的穹顶设计中广泛应用。早期的建筑中主要以单层网壳结构和索结构 穹顶为主，近些年来弦支结构穹顶作为一种柔性和刚性都很好的新型复合结构使用 较多，网壳和索结构的结合使得整体网壳在受力及强度方面都有所改善，同时提高 了结构的整体稳定性。但是由于高速列车进站、风载荷、地震、温度、地下结构的 形变等，不可避免地会产生材料老化、疲劳和断裂，影响穹顶结构安全，因此开展 穹顶结构健康监测与评估具有重要的工程价值和现实意义。

振动测试是当前结构健康监测的主流方法，其中接触式的振动测量中光纤光栅传感器和加速度传感器需要安装在穹顶结构上，但是传感器的数目过多、传感器间 的连接导线过长、网络分布复杂等问题，而且需要大量的人力物力，测试成本较高； 非接触式传感器中激光测振仪可以较好地解决接触式传感器安装繁琐复杂的问题， 但是这种测量方法只能适用于单点测量，在对整个穹顶结构进行结构健康监测时需 要布置多台激光位移传感器或者通过扫描的方式进行测试；此外，基于视觉的振动 测量方法可以实现非接触式的穹顶结构全场振动测量，但是基于视觉的振动测量方 法受测量环境以及成像质量影响较大，测量精度较低，而且视频信号处理的复杂度 较高。

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雷达的穹顶结构健康监测评估方法及系统。

根据本发明提供的一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，包括步骤：

步骤1：向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，产生多通道中频基带信号；

步骤2：根据多通道中频基带信号得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离和 角度的联合维度对穹顶结构关键测点进行定位，并同步提取各关键测点的形变与振动位 移时域信息；

步骤3：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数；

步骤4：根据待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1、选取某一个扫频周期的多通道中频基带信号，通过二维快速傅里叶变换得到穹顶结构的距离-角度像热图，对穹顶结构全场测点进行定位；

步骤2.2、估计穹顶结构关键测点在每个扫频周期的相位演变信息，估计方法为：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的穹顶结构第q个测点在第i个 发射周期的相位信息，k_q和p_q分别为第q个测点对应的距离-角度像热图矩阵的距离维 度索引和角度维度索引，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_fft为步骤2.1中沿每个通道方向作 快速傅里叶变化的离散点数，M_fft为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化的 离散点数，M为等效的接收通道个数，N为单个发射周期每个通道的中频基带信号的离 散点数，j为虚数单位，e为指数形式，π是圆周率；

步骤2.3、形变与振动位移时域信息提取：

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，φ_q为第q个测点形变与振动方向与雷达视线方向之间的夹角。

x(q,iT)为第q个测点在第i个发射周期的形变与振动位移提取值。

优选地，所述步骤2.1包括：

首先沿每个通道方向对单扫频周期多通道的中频基带信号进行快速傅里叶变换得 到待测穹顶结构的距离维度信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到穹顶 结构的角度维度信息，从而实现穹顶结构在距离维度和角度维度的联合全视场定位。

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1、索力监测，对步骤2.3测得的拉索振动位移时域信息进行频谱分析，提取所测拉索振动的一阶固有频率f_p，并根据拉索的索力与拉索一阶固有频率的数学关 系计算索力大小为：

F_p为监测范围内第p根拉索的索力大小，p＝1，2，...P，ρ为拉索的线密度，L_p为 第p根拉索的长度；

步骤3.2、形变监测，通过步骤2.3，提取穹顶结构中钢杆类结构在静载荷作用下的位移形变量；

步骤3.3、振动监测，监测穹顶钢杆类结构在自然激励下的振动位移时域信息，并通过模态分析，辨识结构的模态参数。

优选地，所述步骤4包括：

对步骤3提取的穹顶结构在静动载荷下的特征参数通过经验类比、理论分析和规范 要求进行多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全性评估；

安全性评估的准则包括：拉索索力是否超出拉索的承力极限，钢杆类结构在载荷作 用下发生形变是否超出设计范围，以及是否因疲劳或损伤而导致结构固有频率超出阈值 范围和模态振型的变化。

根据本发明提供的一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估系统，包括：

微波雷达模块：向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，产生多通道 中频基带信号；

信号采集与处理模块：根据多通道中频基带信号，计算得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离-角度联合维度对穹顶结构全场测点进行定位，并同步提取各关键 测点的形变与振动位移时域信息；

信号分析模块：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合 分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。

优选地，所述微波雷达模块包括：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、发射天线和接收天线；

优选地，所述发射天线的数量为一个或多个，发射天线发射的线性调频连续波微波 信号覆盖待测穹顶结构；

所述接收天线的数量为多个，且为线性等间距阵列分布。

优选地，还包括：

显示与预警模块：显示由信号采集与处理模块得到的穹顶结构的距离-角度像热图 和各测点的形变与振动位移时域信息，由信号分析模块得到的特征参数以及健康监测与 安全评估的结果，根据健康监测与安全评估的结果发出预警，并根据需要保存所述微波雷达模块、所述信号采集与处理模块和所述信号分析模块的输出结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、利用单发多收或多发多收微波雷达的方式通过距离和角度维度联合感知， 能够可靠分辨并同步提取穹顶结构全场测点的形变与振动位移时域信息，同时有效 抑制穹顶结构组成杆件等结构复杂性带来的静态杂波干扰、邻近多分量耦合及同距 离单元分量混叠干扰等问题，实现全场多测点形变与振动位移信息的高精度监测并 提取特征信息，通过多特征融合的方法对穹顶结构进行健康监测与评估，解决了单 一特征评判存在的特征信息不足的问题，大大提高评估可靠性。

2、本发明技术可以实现全场多目标或多测点、非接触式、远程、高精度、全 天时全天候穹顶结构多部件的形变与振动监测，操作简便，成本较低。

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为本发明进行穹顶结构健康监测的示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明LFMCW雷达发射信号与接收信号瞬时频率示意图；

图4为本发明基于微波感知的穹顶结构健康监测与安全评估系统框图；

图5为本发明实施例中微波雷达模块结构示意图。

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

如图1所示，为本发明所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法及 系统进行穹顶结构健康监测的示意图。可根据穹顶结构的尺寸大小及测试要求，使用单个微波雷达或者多个微波雷达进行监测。

基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，安装微波雷达系统并调整天线波束方向，使波束覆盖待测穹顶结构，发射并接收线性调频连续波(LFMCW)微波信号，同步采集多通道的中频基带信号，如图3 所示，为三个发射天线分时发射，四个接收天线同时接收微波信号的瞬时频率示意图， 扫频周期为T，信号发射周期为T_f，带宽为B，接收信号为发射信号的时间延迟。

步骤2，根据多通道中频基带信号得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离和 角度的联合维度对穹顶结构关键测点进行定位，并同步提取各测点的形变与振动位移时 域信息；

步骤3，根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数；

步骤4，根据待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测、安全评估与预警。

所述步骤2通过距离-角度像热图对穹顶各测点进行定位并提取振动位移时域信息 的方法为：

步骤2.1，选取某一个扫频周期的多通道中频基带信号，通过二维快速傅里叶变换得到穹顶结构的距离-角度像热图，对穹顶结构全场测点进行定位。首先沿每个通道方 向对单扫频周期多通道的中频基带信号进行快速傅里叶变换得到待测穹顶结构的距离 像信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到穹顶结构的角度像信息，从而 实现穹顶结构在距离维度和角度维度的联合定位与分辨。

步骤2.2，通过对网壳结构的动力学特性分析，确定结构监测的重点区域，提取穹顶结构关键测点在每个扫频周期的相位演变信息。根据各测点形变与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d sinθ/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等效迁移到角度维度。因此， 为了抑制穹顶复杂结构与测点对微波形变与振动测量带来的严重的邻近分量耦合干扰 和同距离单元分量混叠干扰影响，同时获得高精度的形变与振动信息提取结果，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：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的穹顶结构第q个测点在第i个 发射周期的相位信息，k_q和p_q分别为第q个测点对应的距离-角度像热图矩阵的距离维 度索引和角度维度索引，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_fft为步骤2.1中沿每个通道方向作 快速傅里叶变化的离散点数，M_fft为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化的 离散点数，M为等效的接收通道个数，N为单个发射周期每个通道的中频基带信号的离 散点数，j为虚数单位；

步骤2.3，形变与振动位移时域信息提取：

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，φ_q为第q个测点形变与振动方向与雷达视线方向之间的夹角。

x(q,iT)为第q个测点在第i个发射周期的形变与振动位移提取值。

所述步骤3中穹顶各组成结构在静动载荷下的特征参数方法为：

步骤3.1，索力监测。拉索是穹顶结构中关键的承力部件，其断裂、腐蚀、失效对 穹顶结构的稳固与安全发挥着重要的作用，因此对索力进行实时监测是必要的。对步骤 2.3测得的拉索振动位移时域信息进行包括快速傅里叶变换在内的频谱分析，检测所述 拉索振动的一阶固有频率f_p，并根据拉索的索力与拉索一阶固有频率的数学关系可得 索力大小为：

式中，F_p为监测范围内第p(1,2,…,P)根拉索的索力大小，ρ为拉索的线密度，L_p为第p根拉索的长度。

步骤3.2，形变监测。通过步骤2.3，提取穹顶弦杆、撑杆、连杆等钢杆类结构在静载荷作用下的位移形变量。

步骤3.3，振动监测。监测穹顶钢杆类结构在风载荷、地动等自然激励下的振动位移时域信息，并通过模态分析，辨识结构的模态参数，包括各阶固有频率、模态振型和 阻尼比。

所述步骤4中对穹顶进行结构健康监测、安全评估与预警的方法为：

步骤3提取的穹顶结构在静动载荷下的特征参数通过经验类比、理论分析和规范要 求进行多特征融合分析，对穹顶结构进行健康与安全性评估，评估准则为：拉索索力 是否超出拉索的承力极限，钢杆类结构在载荷作用下发生形变是否超出设计范围，以及 是否因疲劳或损伤而导致结构固有频率超出阈值范围和模态振型的变化。当监测结果超 出安全阈值范围时，预警系统发出警报，并指示出现故障、损伤的具体结构，以便及时 解决处理。

实施例2

基于微波感知的穹顶结构健康监测与安全评估系统，如图4所示，包括：微波雷达模块、信号采集与处理模块、信号分析模块和预警模块。

所述微波雷达模块，如图5所示，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、发射天线和接收天线。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。

所述发射天线的数量为一个或多个；所述接收天线的数量为多个，且接收天线为线 性等间距阵列分布，优选的，所述间距小于或等于发射微波信号载波波长的一半。

所述FMCW微波信号源与所述功分器相连传输线性调频载波信号，所述功分器一端与所述功率放大器相连，一端与所述混频器相连并传输本振信号；所述功率放大器与所 述发射天线相连并传输放大的线性调频载波信号，所述接收天线与所述低噪声放大器相 连，所述低噪声放大器与混频器相连并传输放大的接收信号，所述混频器的输出端与低 通滤波器相连并产生下变频基带信号。

所述FMCW微波信号源的信号经过所述功分器分为两路，一路经过所述功率放大器连接所述发射天线，由所述发射天线发射，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功分器后的另一路微波信号混频处理，经低通 滤波器处理后输出多通道基带信号。

信号采集与处理模块：用于同步采集微波雷达模块输出的多通道基带信号，并通过 距离-角度联合维度对穹顶结构各测点进行定位和提取形变与振动位移时域信息。为了利用多通道之间的相位差异信息，需对多通道基带信号进行同步采集。

信号分析模块：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合 分析，判断穹顶结构的健康状况与安全性能评估结果。

预警模块：显示包括信号采集与处理模块得到的穹顶结构的距离-角度像热图和各 测点的形变与振动位移时域信息，由信号分析模块得到的特征参数以及结构健康与安全 评估结果在内的信息，根据健康监测与安全评估的结果发出预警，并根据需要保存所述微波雷达模块、所述信号采集与处理模块和所述信号分析模块的输出结果。

微波雷达模块与信号采集与处理模块相连接并传输多通道基带信号，信号采集与处 理模块和信号分析模块相连接并传输各测点的振动位移时域信息，信号分析模块与预警 模块相连接并传输结构特征参数和健康评估结果。

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及 其各个装置、模块、单元以外，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及其各个装置、模块、单元以逻辑门、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功能。所以，本发明提供的系统及其各项装 置、模块、单元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功能的装置、 模块、单元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装置、模块、 单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的 限制。

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 (9)

1.一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，产生多通道中频基带信号；

步骤2：根据多通道中频基带信号得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离和角度的联合维度对穹顶结构关键测点进行定位，并通过全场测点干涉相位演变估计方法同步提取各关键测点的形变与振动位移时域信息；

步骤3：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数；

步骤4：根据待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。

2.根据权利要求1所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1、选取某一个扫频周期的多通道中频基带信号，通过二维快速傅里叶变换得到穹顶结构的距离-角度像热图，对穹顶结构全场测点进行定位；

步骤2.2、估计穹顶结构关键测点在每个扫频周期的相位演变信息，估计方法为：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的穹顶结构第q个测点在第i个发射周期的相位信息，k_q和p_q分别为第q个测点对应的距离-角度像热图矩阵的距离维度索引和角度维度索引，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_fft为步骤2.1中沿每个通道方向作快速傅里叶变化的离散点数，M_fft为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化的离散点数，M为等效的接收通道个数，N为单个发射周期每个通道的中频基带信号的离散点数，j为虚数单位，e为指数形式，π是圆周率；

步骤2.3、形变与振动位移时域信息提取：

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，φ_q为第q个测点形变与振动方向与雷达视线方向之间的夹角；

x9q,iT)为第q个测点在第i个发射周期的形变与振动位移提取值。

3.根据权利要求2所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤2.1包括：

首先沿每个通道方向对单扫频周期多通道的中频基带信号进行快速傅里叶变换得到待测穹顶结构的距离维度信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到穹顶结构的角度维度信息，从而实现穹顶结构在距离维度和角度维度的联合全视场定位。

4.根据权利要求2所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1、索力监测，对步骤2.3测得的拉索振动位移时域信息进行频谱分析，提取所测拉索振动的一阶固有频率f_p，并根据拉索的索力与拉索一阶固有频率的数学关系计算索力大小为：

F_p为监测范围内第p根拉索的索力大小，p＝1，2，...P，ρ为拉索的线密度，L_p为第p根拉索的长度；

步骤3.2、形变监测，通过步骤2.3，提取穹顶结构中钢杆类结构在静载荷作用下的位移形变量；

步骤3.3、振动监测，监测穹顶钢杆类结构在自然激励下的振动位移时域信息，并通过模态分析，辨识结构的模态参数。

5.根据权利要求1所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤4包括：

对步骤3提取的穹顶结构在静动载荷下的特征参数通过经验类比、理论分析和规范要求进行多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全性评估；

安全性评估的准则包括：拉索索力是否超出拉索的承力极限，钢杆类结构在载荷作用下发生形变是否超出设计范围，以及是否因疲劳或损伤而导致结构固有频率超出阈值范围和模态振型的变化。

6.一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估系统，其特征在于，包括：

微波雷达模块：向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，产生多通道中频基带信号；

信号采集与处理模块：根据多通道中频基带信号，计算得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离-角度联合维度对穹顶结构全场测点进行定位，并通过全场测点干涉相位演变估计方法同步提取各关键测点的形变与振动位移时域信息；

信号分析模块：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。

7.根据权利要求6所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估系统，其特征在于，所述微波雷达模块包括：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、发射天线和接收天线。

8.根据权利要求7所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估系统，其特征在于，所述发射天线的数量为一个或多个，发射天线发射的线性调频连续波微波信号覆盖待测穹顶结构；

所述接收天线的数量为多个，且为线性等间距阵列分布。

9.根据权利要求6所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估系统，其特征在于，还包括：

显示与预警模块：显示由信号采集与处理模块得到的穹顶结构的距离-角度像热图和各测点的形变与振动位移时域信息，由信号分析模块得到的特征参数以及健康监测与安全评估的结果，根据健康监测与安全评估的结果发出预警，并根据需要保存所述微波雷达模块、所述信号采集与处理模块和所述信号分析模块的输出结果。

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