本發(fā)明屬于橋梁測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種基于微波雷達(dá)和移動(dòng)加載車的橋梁快速測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

中國(guó)目前正處于新型城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展時(shí)期，大批重大基礎(chǔ)設(shè)施已完成或正在建設(shè)。另一方面，我國(guó)目前危橋超過(guò)9萬(wàn)座。僅“十一五”期間，每年需要檢測(cè)維修的橋梁數(shù)量，約占公路路網(wǎng)橋梁總數(shù)的15％。國(guó)家橋梁維護(hù)診斷市場(chǎng)巨大，但傳統(tǒng)方法以人工檢測(cè)為主費(fèi)工費(fèi)時(shí)的現(xiàn)狀。橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)被證明是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、了解結(jié)構(gòu)狀態(tài)的先進(jìn)技術(shù)。但是現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝運(yùn)營(yíng)費(fèi)用昂貴，難以大范圍的推廣應(yīng)用。因此針對(duì)橋梁迫切需要簡(jiǎn)便快捷的橋梁快速評(píng)估方法。

對(duì)于傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)(輸出)由安置在結(jié)構(gòu)各部位的傳感器記錄得到，考慮到傳感器需提前布置，進(jìn)行保護(hù)防護(hù)等，會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)帶來(lái)諸多不便。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非接觸式傳感器脫穎而出。基于微波雷達(dá)側(cè)位移設(shè)備可非接觸式、多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)位移，有望成為一種新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。但常見(jiàn)的實(shí)橋測(cè)試缺乏固定基點(diǎn)(橋下一般是河流或者道路)，導(dǎo)致不得不考慮固定基點(diǎn)的振動(dòng)問(wèn)題?，F(xiàn)有的消除基點(diǎn)振動(dòng)的方法分為，一：在固定點(diǎn)處放置加速度計(jì)，通過(guò)所測(cè)加速度積分得到基點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的撓度補(bǔ)償，但加速度積分法會(huì)有累計(jì)誤差；二：找一個(gè)絕對(duì)不動(dòng)的參考點(diǎn)，參考點(diǎn)的振動(dòng)就是雷達(dá)基點(diǎn)的振動(dòng)，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的撓度補(bǔ)償。但是固定參考點(diǎn)法中的參考點(diǎn)也不會(huì)是絕對(duì)的靜止，現(xiàn)有方法都不能夠絕對(duì)的消除基點(diǎn)的振動(dòng)對(duì)所測(cè)試結(jié)果的影響。

對(duì)橋梁的激振分為環(huán)境激勵(lì)和受迫激勵(lì)，環(huán)境激勵(lì)是在結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)下將輸入看作隨機(jī)噪聲僅根據(jù)所測(cè)試的輸出來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的識(shí)別和評(píng)估的技術(shù)，但是在知道結(jié)構(gòu)輸入時(shí)可以進(jìn)一步識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)柔度，完成對(duì)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估?，F(xiàn)階段有一些專用的激振設(shè)備和相應(yīng)輸入——輸出測(cè)試裝置，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素往往限制了這類專用激振設(shè)備的使用。車橋耦合是健康監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)，車橋耦合研究重型車通過(guò)橋梁時(shí)車與橋之間復(fù)雜的相互作用，是將車和橋當(dāng)作一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于微波雷達(dá)和移動(dòng)加載車的橋梁快速測(cè)試裝置及方法，包括基于移動(dòng)式?jīng)_擊與微波雷達(dá)的橋梁測(cè)試方法和考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與連續(xù)力下的柔度識(shí)別方法，其中，移動(dòng)式?jīng)_擊橋梁以及微波雷達(dá)測(cè)量橋梁位移的快速測(cè)試系統(tǒng)完成橋梁動(dòng)力測(cè)試中輸入輸出數(shù)據(jù)的快速監(jiān)測(cè)，考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與連續(xù)力下的柔度識(shí)別方法識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)與模態(tài)柔度，完成橋梁性能評(píng)估，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高效率的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和安全普查。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種微波雷達(dá)和移動(dòng)加載車的橋梁快速測(cè)試裝置，包括移動(dòng)加載車和微波雷達(dá)設(shè)備，所述移動(dòng)加載車行駛于橋梁，移動(dòng)加載車中安裝有信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、無(wú)線傳感器、車輪旋轉(zhuǎn)編碼器和激光測(cè)距儀；所述信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)分別與無(wú)線傳感器、微波雷達(dá)設(shè)備通信相連，用于發(fā)送和采集信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)使得移動(dòng)加載車上無(wú)線傳感器和橋梁下方的微波雷達(dá)設(shè)備同時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集的信號(hào)包括無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)與橋梁測(cè)量點(diǎn)位移時(shí)程數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)連接，利用內(nèi)嵌的考慮基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征識(shí)別方法及相關(guān)的安全與承載能力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分析，快速輸出測(cè)試與評(píng)估結(jié)果；所述車輪旋轉(zhuǎn)編碼器與激光測(cè)距儀分別用于確定移動(dòng)加載車在橋面的縱向與橫向的位置。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于微波雷達(dá)和移動(dòng)加載車的橋梁快速測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟：

(1)基于移動(dòng)式?jīng)_擊與微波雷達(dá)的橋梁測(cè)試方法，完成橋梁動(dòng)力測(cè)試中輸入輸出數(shù)據(jù)的快速監(jiān)測(cè)：

移動(dòng)加載車對(duì)橋梁進(jìn)行移動(dòng)式?jīng)_擊激勵(lì)進(jìn)而獲得移動(dòng)式?jīng)_擊力的連續(xù)時(shí)程u_contact(t)，同時(shí)微波雷達(dá)設(shè)備在橋梁下自動(dòng)劃分測(cè)量節(jié)點(diǎn)并測(cè)量車輛通過(guò)過(guò)程中橋梁節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)位移時(shí)程y_k(t)；移動(dòng)加載車與橋梁之間的相互作用力時(shí)程通過(guò)分配函數(shù)離散到測(cè)量節(jié)點(diǎn)處u_k(t)；通過(guò)測(cè)試，快速高效的完成橋梁振動(dòng)時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，識(shí)別結(jié)構(gòu)柔度從而能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評(píng)估；

(2)利用子空間識(shí)別方法識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)與模態(tài)柔度，完成橋梁性能評(píng)估：

將移動(dòng)式?jīng)_擊力離散化到各測(cè)量節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)相減消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)識(shí)別的影響，子空間技術(shù)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，利用振型正交性還原出真實(shí)的振型，利用還原的振型識(shí)別結(jié)構(gòu)的柔度。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中，利用消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響后的位移向量作為觀測(cè)向量，而不是直接觀測(cè)值y_k，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的子空間模態(tài)參數(shù)識(shí)別；消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響的公式為：

基點(diǎn)有豎向振動(dòng)時(shí)：

基點(diǎn)有水平振動(dòng)時(shí)：

基點(diǎn)有豎向、水平耦合振動(dòng)時(shí)：

其中：y_k∈R^l×1代表觀測(cè)向量，即為雷達(dá)測(cè)量的位移向量；分別為第m，n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值；k代表離散的時(shí)間間隔；α₁，α₂，α₃，…，α_l分別為目標(biāo)點(diǎn)與水平方向的夾角；

K₁＝[1 1 … 1]^T∈R^l×1，K₂＝diag(cotα₁,cotα₂,…,cotα_l)；

diag代表對(duì)角矩陣，對(duì)角線上的元素為括號(hào)中的值；

利用相對(duì)位移識(shí)別出的頻率和阻尼均與真實(shí)值一致，識(shí)別出的模態(tài)振型和位移柔度需要進(jìn)行特殊處理。

進(jìn)一步的，所述識(shí)別出的振型與真實(shí)振型相比丟失作為參考點(diǎn)處的振型值；下面利用識(shí)別出的振型和真實(shí)振型之間的數(shù)學(xué)關(guān)系、真實(shí)振型互相之間的振型正交性，還原出真實(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，采用的公式為：

基點(diǎn)有豎向振動(dòng)：

求解還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

基點(diǎn)有水平振動(dòng)：

求解還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

基點(diǎn)有豎向、水平耦合振動(dòng)時(shí)：

求解還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

其中，為通過(guò)子空間識(shí)別技術(shù)識(shí)別的第i階振型；φ_i為相對(duì)應(yīng)的真實(shí)的第i階振型；為φ_i的第m行，為φ_i的第n行。

進(jìn)一步的，所述識(shí)別的位移柔度是在移動(dòng)式?jīng)_擊連續(xù)力作用下進(jìn)行的柔度識(shí)別：沖擊連續(xù)力離散分配到測(cè)量節(jié)點(diǎn)處，利用還原的模態(tài)參數(shù)與所識(shí)別的結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)結(jié)合，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的模態(tài)縮放系數(shù)，從而識(shí)別出結(jié)構(gòu)的柔度，具體過(guò)程為：

移動(dòng)式?jīng)_擊連續(xù)力的分配：

u(t)＝Nu_contact(t)

模態(tài)縮放系數(shù)采用的公式為：

式中，q_i是模態(tài)縮放系數(shù)；φ_i利用陣型的正交性求得；是B^m的第i^th行，

而B^m＝Ψ^-1B，A＝ΨΛΨ^-1，A和B是通過(guò)子空間技術(shù)直接識(shí)別系統(tǒng)矩陣；

λ_i是對(duì)角矩陣Λ對(duì)角線上第i個(gè)元素，λ_ci＝lnλ_i/Δt；j是虛數(shù)符號(hào)，Δt是采樣時(shí)間間隔；

求出模態(tài)縮放系數(shù)后，結(jié)構(gòu)的柔度f(wàn)為：

式中，■^*代表矩陣的轉(zhuǎn)置。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明提供了一種輸入輸出皆可快速測(cè)量的橋梁動(dòng)力特征快速識(shí)別的系統(tǒng)與方法，在橋梁動(dòng)力特性識(shí)別中能切實(shí)實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的快速、非接觸、全天候測(cè)量。測(cè)試前無(wú)需布置傳感器，無(wú)需安放采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、精確的橋梁動(dòng)力特性評(píng)估。

2、本發(fā)明中的微波雷達(dá)測(cè)橋梁微位移系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的加速度計(jì)、GPS、圖像法等監(jiān)測(cè)方法大大減少了所需傳感器數(shù)目，提高了監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性，并且在測(cè)試中不需要封閉交通，測(cè)試效率更高。所述的移動(dòng)加載車，通過(guò)車上安裝的采集系統(tǒng)測(cè)量車通過(guò)橋時(shí)對(duì)橋梁的激勵(lì)力，不需要在橋上布置傳感器，測(cè)試過(guò)程方便快捷。

3、本發(fā)明中消除基點(diǎn)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的影響方法，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)通車的橋梁的撓度較小時(shí)，能確實(shí)消除基點(diǎn)的振動(dòng)對(duì)模態(tài)參數(shù)結(jié)果的影響，得到結(jié)構(gòu)真實(shí)的振型，進(jìn)而識(shí)別出結(jié)構(gòu)的柔度，快速可靠的完成橋梁的評(píng)估。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)意圖；

圖2為本發(fā)明中消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)說(shuō)明圖，圖2(a)為豎直方向；圖2(b)為水平方向；圖2(c)為水平豎向耦合；

圖3為測(cè)試實(shí)施例示意圖；

圖4為實(shí)施例中力的分配函數(shù)圖；

圖5為實(shí)施例中車輪力與節(jié)點(diǎn)力分配時(shí)程圖；圖5(a)為車輪力示意圖，圖5(b)為節(jié)點(diǎn)7的等效節(jié)點(diǎn)豎向力示意圖，圖5(c)為節(jié)點(diǎn)7的等效節(jié)點(diǎn)豎向力示意圖。

圖6為實(shí)施例中微波雷達(dá)設(shè)備測(cè)位移，圖6(a)為目標(biāo)回波圖，圖6(b)節(jié)點(diǎn)7位移時(shí)程示意圖；

圖7為實(shí)施例中相減后的相對(duì)位移時(shí)程示意圖；

圖8為實(shí)施例中振型的還原過(guò)程示意圖；

圖9為實(shí)施例中還原后的振型與真實(shí)振型的MAC值；

圖10為實(shí)施例中的柔度識(shí)別結(jié)果示意圖，其中，圖10(a)為位移柔度圖，圖10(b)為撓度預(yù)測(cè)對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

本發(fā)明的一種微波雷達(dá)和移動(dòng)加載車的橋梁快速測(cè)試裝置，包括移動(dòng)加載車1和微波雷達(dá)設(shè)備7，所述移動(dòng)加載車1停于橋梁，移動(dòng)加載車1中安裝有信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)3、無(wú)線傳感器4、車輪旋轉(zhuǎn)編碼器5和激光測(cè)距儀6；所述信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)2分別與無(wú)線傳感器4、微波雷達(dá)設(shè)備7通信相連，用于發(fā)送和采集信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)使得移動(dòng)加載車1上的無(wú)線傳感器4和橋梁下方的微波雷達(dá)設(shè)備7同時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集的信號(hào)包括無(wú)線傳感器4的數(shù)據(jù)與橋梁測(cè)量點(diǎn)位移時(shí)程數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)3與信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)2連接，利用內(nèi)嵌的考慮基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征識(shí)別方法及相關(guān)的安全與承載能力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分析，快速輸出測(cè)試與評(píng)估結(jié)果；所述車輪旋轉(zhuǎn)編碼器5與激光測(cè)距儀6分別用于確定移動(dòng)加載車1在橋面的縱向與橫向的位置。

上述微波雷達(dá)設(shè)備7和移動(dòng)加載車1的橋梁快速測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括基于移動(dòng)式?jīng)_擊與微波雷達(dá)設(shè)備7的橋梁測(cè)試方法和考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與連續(xù)力下的柔度識(shí)別方法。移動(dòng)式?jīng)_擊橋梁以及微波雷達(dá)設(shè)備7測(cè)量橋梁位移的快速測(cè)試系統(tǒng)完成橋梁動(dòng)力測(cè)試中輸入輸出數(shù)據(jù)的快速監(jiān)測(cè)，考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與連續(xù)力下的柔度識(shí)別方法識(shí)別橋梁的模態(tài)參數(shù)與模態(tài)柔度，完成橋梁性能評(píng)估。實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和安全普查。

具體步驟為：

1.基于移動(dòng)式?jīng)_擊與微波雷達(dá)設(shè)備7的橋梁測(cè)試方法

車輛對(duì)橋梁進(jìn)行移動(dòng)式?jīng)_擊激勵(lì)獲得移動(dòng)式?jīng)_擊力的連續(xù)時(shí)程u_contact(t)，同時(shí)雷達(dá)在橋下測(cè)量橋梁的振動(dòng)響應(yīng)位移時(shí)程y_k(t)。

所測(cè)車橋之間的相互作用力時(shí)程通過(guò)分配函數(shù)離散到測(cè)量節(jié)點(diǎn)處u_k(t)；考慮基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的微波雷達(dá)設(shè)備7放置于橋下，在橋梁上自動(dòng)劃分測(cè)量節(jié)點(diǎn)并測(cè)量車輛通過(guò)過(guò)程中橋梁的動(dòng)位移時(shí)程。通過(guò)測(cè)試，快速高效的完成橋梁振動(dòng)時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，識(shí)別結(jié)構(gòu)柔度從而能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評(píng)估。

2.考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的微波雷達(dá)設(shè)備7測(cè)位移設(shè)備

2.1考慮基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)

利用消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響后的位移向量作為觀測(cè)向量，而不是直接觀測(cè)值y_k，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的子空間模態(tài)參數(shù)識(shí)別。消除基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響的公式為：

基點(diǎn)有豎向振動(dòng)時(shí)：

基點(diǎn)有水平振動(dòng)時(shí)：

基點(diǎn)有豎向、水平耦合振動(dòng)時(shí)：

其中：y_k∈R^l×1代表觀測(cè)向量，即為雷達(dá)測(cè)量的位移向量；分別為第m，n個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值；k代表離散的時(shí)間間隔；α₁，α₂，α₃，…，α_l分別為目標(biāo)點(diǎn)與水平方向的夾角；

K₁＝[1 1 … 1]^T∈R^l×1，K₂＝diag(cotα₁,cotα₂,…,cotα₁),diag代表對(duì)角矩陣，對(duì)角線上的元素為括號(hào)中的值；

利用相對(duì)位移識(shí)別出的頻率阻尼沒(méi)有問(wèn)題，陣型和位移柔度需要進(jìn)行特殊處理。

2.2微波雷達(dá)設(shè)備7側(cè)位移裝置

微波雷達(dá)設(shè)備7主要包括雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)和監(jiān)控單元兩大部分。主要組成部件為接收天線、發(fā)射天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、高精度電子磁羅盤、GPS模塊、激光指示器、激光測(cè)距機(jī)、顯控單元、自檢單元以及供電單元。

其中，發(fā)射接收組件用于產(chǎn)生K_u頻段發(fā)射信號(hào)，工作頻率為15.85GHz～16.15GHz。主要由基帶信號(hào)產(chǎn)生器、射頻源、上變頻器、射頻濾波器、功率放大器組成?；鶐盘?hào)產(chǎn)生器以DDS為核心實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為周期1.5ms的鋸齒波、三角波，調(diào)制帶寬最大為300MHz，基帶信號(hào)的中心頻率250MHz，所以基帶信號(hào)占用的頻譜范圍該信號(hào)與射頻源產(chǎn)生的15.75GHz信號(hào)混頻(上變頻)，經(jīng)射頻濾波后經(jīng)功率放大得到1W的功率信號(hào)，經(jīng)定向耦合器耦合出7dBm的信號(hào)送接收機(jī)作為混頻的本振信號(hào)，主功率信號(hào)送發(fā)射天線。

接收機(jī)由混頻器、零中頻放大器、AD變換器、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理器組成?；祛l器采用單片混頻器(內(nèi)含兩個(gè)平衡混頻器及本振信號(hào)正交變換器)，混頻的本振信號(hào)由發(fā)射機(jī)送來(lái)，與接收天線接收的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行混頻，得到正交雙路的零中頻信號(hào)，經(jīng)濾波、放大后送雙路AD變換器，獲得離散的回波采樣數(shù)據(jù)送信號(hào)處理器處理，信號(hào)處理器主要由DSP和FPGA組成。

顯控單元由控制計(jì)算機(jī)、顯示器、顯控處理軟件組成。顯控單元用于對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，設(shè)置雷達(dá)的工作參數(shù)，檢測(cè)雷達(dá)的工作狀態(tài)，顯示目標(biāo)測(cè)量結(jié)果，還可以與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在顯控單元，利用雷達(dá)位置數(shù)據(jù)、目標(biāo)建筑數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)全程各點(diǎn)的徑向微變形數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)全程各點(diǎn)的垂向微變形數(shù)據(jù)。

高精度電子羅盤的方位角安裝線與雷達(dá)波束電軸平行，俯仰角以水平面為零值，用于對(duì)雷達(dá)波束的指向?qū)崿F(xiàn)方位角、俯仰角的測(cè)量。配合使用中等倍率的望遠(yuǎn)鏡，觀瞄方向與雷達(dá)波束平行，用于觀瞄激光測(cè)距機(jī)對(duì)目標(biāo)的指示點(diǎn)，還可以觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的具體細(xì)節(jié)，用于判斷目標(biāo)回波的質(zhì)量。

同時(shí)采用輕便小巧激光測(cè)距機(jī)，可利用激光測(cè)距機(jī)測(cè)量的距離數(shù)據(jù)與雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，用于確定目標(biāo)微變形數(shù)據(jù)的具體位置。通過(guò)改變雷達(dá)波束照射位置，進(jìn)而獲得區(qū)域內(nèi)目標(biāo)全程各點(diǎn)的徑向微變形數(shù)據(jù)，最后在顯控單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

通過(guò)微波雷達(dá)設(shè)備7發(fā)射調(diào)頻信號(hào)，并接收回波信號(hào)。通過(guò)接收機(jī)內(nèi)混頻器輸出正交雙路的零中頻信號(hào)，經(jīng)反混疊濾波、放大后送雙路AD變換器，獲得離散的回波數(shù)據(jù)送信號(hào)處理器處理，通過(guò)FFT變換求出所有距離的回波信號(hào)頻率，按照處理后的信噪比設(shè)定門限，判斷各譜線是否為目標(biāo)，對(duì)檢測(cè)到的多個(gè)目標(biāo)距離門的譜線進(jìn)行連續(xù)的比相，得出雷達(dá)波束照射區(qū)域內(nèi)，各個(gè)距離門對(duì)應(yīng)目標(biāo)的連續(xù)微動(dòng)信息。具體為

雷達(dá)發(fā)射機(jī)連續(xù)產(chǎn)生周期為1.5ms，起始頻率為15.85GHz、終止頻率為16.15GHz的調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)放大通過(guò)天線發(fā)射出去。

雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為：

式中

A：發(fā)射信號(hào)的幅度；

f₀：發(fā)射信號(hào)的起始頻率，等于15.85GHz；

k：調(diào)制斜率，

B：雷達(dá)工作帶寬300MHz

T：雷達(dá)發(fā)射信號(hào)周期1.5ms。

當(dāng)發(fā)射的微波信號(hào)遇到目標(biāo)后被反射回來(lái)，雷達(dá)的接收天線接收回波信息。假設(shè)距離雷達(dá)R處產(chǎn)生回波信號(hào)，則該回波到達(dá)雷達(dá)后，回波延遲為τ₀，并且(c為光速)，則回波信號(hào)可表示為：

式中

A_r：接收信號(hào)的幅度；τ₀：回波延遲時(shí)間。

經(jīng)過(guò)混頻得到零中頻差拍信號(hào)：

在接收機(jī)內(nèi)，混頻器輸出的正交雙路零中頻信號(hào)，經(jīng)反混疊濾波、放大后送雙路AD變換器，獲得離散的回波數(shù)據(jù)送信號(hào)處理器進(jìn)行FFT處理。其中，發(fā)射信號(hào)的一個(gè)掃頻周期對(duì)應(yīng)一個(gè)采樣周期，一個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)為一個(gè)快拍，對(duì)一個(gè)快拍數(shù)據(jù)做N點(diǎn)FFT，得到不同距離目標(biāo)的回波相位信息，連續(xù)做M個(gè)快拍的FFT，把數(shù)據(jù)排成M行N列，再對(duì)每列數(shù)據(jù)做FFT變換，可得到每個(gè)距離門目標(biāo)的回波相位波動(dòng)信息。

設(shè)x_a(t)為模擬多普勒信號(hào)，在時(shí)刻進(jìn)行nT_s(n＝0,1,…,N-1)采樣，可獲得N點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)序列(稱為一個(gè)快拍)為：

x(n)＝x_a(nT_s) n＝0,1,…,N-1

式中

T_s：采樣時(shí)間間隔。

采樣率為f_s＝1/T_s，則該序列的FFT變換為：

式中

w(n)：窗函數(shù)，用來(lái)抑制頻譜旁瓣；

旋轉(zhuǎn)因子。

由X(k)可計(jì)算出在N個(gè)頻率處的信號(hào)功率譜：

P(k)＝|X(k)|² k＝0,1,…,N-1

它們等效于信號(hào)x(n)通過(guò)N個(gè)中心頻率為f_k的數(shù)字濾波器組后的輸出。當(dāng)不同距離目標(biāo)回波的差拍頻率f_△落在第m個(gè)濾波器的通帶內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的P(m)就產(chǎn)生一個(gè)峰值，表明差拍頻率為：

確定目標(biāo)后，基于相位干涉法原理，通過(guò)接收機(jī)獲得目標(biāo)x_i的回波，通過(guò)解算，最終得出被測(cè)目標(biāo)在t₁和t₂時(shí)刻的相位差為則微動(dòng)位移是基于獲得目標(biāo)點(diǎn)x_i的回波信號(hào)相位差而得到，即：

為了得到橋身的垂直位移，需要對(duì)由相位計(jì)算得到的徑向位移值進(jìn)行真值投影計(jì)算。

如附圖1所示，通過(guò)比較兩次測(cè)量信號(hào)之間的相位，可以精確得到目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)徑向微小位移，即為圖中的y_R(x_i,t)，用戶關(guān)心的是目標(biāo)垂直向的位移y(x_i,t)，由圖中的幾何關(guān)系可以看出：

式中

R_i：雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)x_i的徑向距離；

h_i：雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)x_i的垂直距離。

3.考慮基點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響的模態(tài)參數(shù)和位移柔度識(shí)別

雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)在測(cè)量結(jié)果中作為噪聲項(xiàng)，其值與運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的橋梁相當(dāng)，對(duì)識(shí)別結(jié)果影響很大，在此通過(guò)相減消除基點(diǎn)振動(dòng)的影響，利用相對(duì)位移進(jìn)行模態(tài)參數(shù)和位移柔度的識(shí)別。

3.1、消除基點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)空間方程的建立

微波雷達(dá)設(shè)備7設(shè)備所測(cè)得的環(huán)境振動(dòng)下橋梁結(jié)構(gòu)的微位移信息，其主要包括微波雷達(dá)設(shè)備7設(shè)備基點(diǎn)振動(dòng)信息以及橋梁結(jié)構(gòu)的微位移信息。在實(shí)橋測(cè)試時(shí)，環(huán)境振動(dòng)下橋梁的撓度往往較小，從而微波雷達(dá)設(shè)備7基點(diǎn)的振動(dòng)信息影響相對(duì)較大，則為得到精確數(shù)據(jù)，微波雷達(dá)設(shè)備7基點(diǎn)的振動(dòng)信息必須剔除。本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)方法具體內(nèi)容為：

基點(diǎn)有豎向振動(dòng)時(shí)：

根據(jù)圖2a的變換關(guān)系，雷達(dá)實(shí)際測(cè)量到的某時(shí)刻的微位移可以表示為：M₁＝d₁sinα₁+d_Rsinα₁，M₂＝d₂sinα₂+d_Rsinα₂，M₃＝d₃sinα₃+d_Rsinα₃，…，M_l＝d_lsinα_l+d_Rsinα_l。其中d₁，d₂，d₃，…，d_l分別是測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)實(shí)際振動(dòng)；M₁，M₂，M₃，…，M_l分別是第一部分所述的雷達(dá)所測(cè)的直接振動(dòng)；α₁，α₂，α₃，…，α_l分別為目標(biāo)點(diǎn)與水平方向的夾角；

若選取m點(diǎn)為參考點(diǎn)，通過(guò)相減消去d_R則有：

通過(guò)上述相減操作，消除雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)的影響。再令

離散的狀態(tài)空間方程可重新表示為：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+w_k

其中：x_k∈R^n×1代表系統(tǒng)的狀態(tài)向量和輸入向量；y_k∈R^l×1代表觀測(cè)向量，即為橋梁結(jié)構(gòu)所選點(diǎn)的位移時(shí)程向量；k代表離散的時(shí)間間隔；A∈R^n×n,C∈R^l×n分別代表系統(tǒng)狀態(tài)矩陣；C^m∈R^1×n為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣C的第m行；w_k∈R^n×1,v_k∈R^l×n分別代表系統(tǒng)的模型誤差的觀測(cè)誤差；K₁＝[1 1 … 1]^T∈R^l×1。

基點(diǎn)有水平振動(dòng)時(shí)：

根據(jù)圖2b的變換關(guān)系，雷達(dá)實(shí)際測(cè)量到的微位移可以表示為：M₁＝d₁cosα₁+d_Rsinα₁，M₂＝d₂cosα₂+d₂sinα₂，M₃＝d₃cosα₃+d₃sinα₃，…，M_l＝d_lcosα_l+d_lsinα_l。

若選取m點(diǎn)為參考點(diǎn)，通過(guò)相減消去d_R則有：

通過(guò)上述相減操作，消除雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)的影響。再令

離散的狀態(tài)空間方程可重新表示為：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+w_k

其中，K₂＝diag(cotα₁,cotα₂,…,cotα₁),diag代表對(duì)角矩陣，對(duì)角線上的元素為括號(hào)中的值。

基點(diǎn)有豎向、水平耦合振動(dòng)時(shí)：

根據(jù)圖2c的變換關(guān)系，雷達(dá)實(shí)際測(cè)量到的微位移可以表示為：M₁＝d₁cosα₁+d_Rycosα₁+d_Rxsinα₁，M₂＝d₂cosα₂+d_Rycosα₂+d_Rxsinα₂，M₃＝d₃cosα₃+d_Rycosα₃+d_Rxsinα₃，M₄＝d₄cosα₄+d_Rycosα₄+d_Rxsinα₄，…，M_l＝d_lcosα_l+d_Rycosα_l+d_Rxsinα_l。

雷達(dá)基點(diǎn)兩個(gè)方向的振動(dòng)需要選取兩個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行消除，若選取m，n點(diǎn)為參考點(diǎn)，通過(guò)相減消去d_Rx,d_Ry則有：

通過(guò)上述相減操作，消除雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)的影響。再令

離散的狀態(tài)空間方程可重新表示為：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+w_k

其中，

Cⁿ∈R^1×n為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣C的第n行；

3.2、模態(tài)參數(shù)識(shí)別與振型的還原

消除雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)影響的子空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征識(shí)別方法，其特征是基于相對(duì)位移識(shí)別的頻率和阻尼與結(jié)構(gòu)真實(shí)的頻率、阻尼相同，但識(shí)別的振型與真實(shí)振型存在差異，根據(jù)識(shí)別振型與真實(shí)振型之間的數(shù)學(xué)關(guān)系、真實(shí)振型互相之間的振型正交性，還原出真實(shí)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。其具體過(guò)程為：

子空間參數(shù)識(shí)別

AΨ＝ΨΛ，Λ＝diag(λ_i)

λ_ci＝lnλ_i/Δt

頻率和阻尼與真實(shí)值一致，陣型的還原所采用的公式為：

基點(diǎn)有豎向振動(dòng)：

求解，可以還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

基點(diǎn)有水平振動(dòng)：

求解，可以還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

基點(diǎn)有豎向、水平耦合振動(dòng)時(shí)：

求解，可以還原出丟失了作為參考點(diǎn)處的振型的值則結(jié)構(gòu)的振型為：

其中，為通過(guò)子空間識(shí)別技術(shù)識(shí)別的第i階振型；φ_i為相對(duì)應(yīng)的真實(shí)的第i階振型；為φ_i的第m行，為φ_i的第n行。

3.3消除雷達(dá)基點(diǎn)振動(dòng)影響的柔度識(shí)別

利用還原的模態(tài)參數(shù)與所識(shí)別的結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)結(jié)合，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的模態(tài)縮放系數(shù)，從而識(shí)別出結(jié)構(gòu)的柔度。模態(tài)縮放系數(shù)采用的公式為：

式中，q_i是模態(tài)縮放系數(shù)；φ_i利用陣型的正交性求得；是B^m的第i^th行，而B^m＝Ψ^-1B，A＝ΨΛΨ^-1；λ_i是對(duì)角矩陣Λ對(duì)角線上第i個(gè)元素，λ_ci＝lnλ_i/Δt；j是虛數(shù)符號(hào)，Δt是采樣時(shí)間間隔。

求出模態(tài)縮放系數(shù)后，結(jié)構(gòu)的柔度f(wàn)為：

式中，■^*代表矩陣的轉(zhuǎn)置。

實(shí)施例1：下面將本發(fā)明應(yīng)用的具體場(chǎng)景中。

在本次實(shí)施例中僅考慮雷達(dá)基點(diǎn)會(huì)有水平振動(dòng)的情況。

(1)、利用車輛沖擊力激勵(lì)橋梁以及微波雷達(dá)設(shè)備7測(cè)量橋梁微振響應(yīng)的快速測(cè)試過(guò)程

圖3為一典型梁式橋某跨的測(cè)試示意圖。橋梁全長(zhǎng)為60m，預(yù)先選取圖中所標(biāo)注的點(diǎn)1至11為雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)。

通過(guò)布置采集系統(tǒng)測(cè)量車輛對(duì)橋梁的激勵(lì)力。在實(shí)施例中采用如圖3所示的加載車模型，采集系統(tǒng)包括4個(gè)加速度計(jì)和1個(gè)傾角儀。其中加速度計(jì)分別布置在2個(gè)車軸上和質(zhì)心位置上，用于記錄車輛運(yùn)行狀態(tài)的豎向加速度；傾角儀布置在車輛質(zhì)心位置處，用于記錄車輛運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。

移動(dòng)加載車1以5m/s的速度通過(guò)橋梁，移動(dòng)加載車1的采集系統(tǒng)和微波雷達(dá)設(shè)備7設(shè)備通過(guò)信號(hào)發(fā)送裝置同時(shí)開(kāi)始采集。移動(dòng)加載車1上的采集系統(tǒng)采集車輛的加速度時(shí)程，微波雷達(dá)設(shè)備7設(shè)備采集橋梁測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的位移時(shí)程。

通過(guò)車輛上的采集系統(tǒng)采集到的豎向加速度和轉(zhuǎn)角加速度可以轉(zhuǎn)換成車輛對(duì)橋梁的沖擊力。車模型中質(zhì)量集中點(diǎn)M₁,M₂,M₃所對(duì)應(yīng)的3個(gè)豎向加速度時(shí)程分別為a₁(t),a₂(t),a₃(t)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)傾角加速度為a₄(t)，車與橋之間的相互作用力采用的公式為：u_contact(t)＝(M₁+M₂+M₃)g-M₁a₁(t)-M₂a₂(t)-M₃a₃(t)-Ia₄(t)。力在兩個(gè)車輪見(jiàn)分配。車輛對(duì)橋梁的沖擊力分為兩個(gè)部分，一個(gè)為豎向的激勵(lì)力，一個(gè)為彎矩，在將連續(xù)力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的離散力中的分配函數(shù)時(shí)，使用有限元分析中使用的形函數(shù)的概念，形函數(shù)：

其中x是單元坐標(biāo)，l＝5m為單元長(zhǎng)度。圖4是分配函數(shù)在實(shí)施例結(jié)構(gòu)中的分配圖，以及單元E6、E7的形函數(shù)和節(jié)點(diǎn)7的等效荷載。則節(jié)點(diǎn)的離散力由連續(xù)力和分配函數(shù)求得：u(t)＝Nu_contact(t)。在實(shí)施例的測(cè)試系統(tǒng)中，兩個(gè)車輪的連續(xù)力時(shí)程見(jiàn)圖5a所示，圖5b,c分別是分配后的節(jié)點(diǎn)7的等效離散豎向力和等效節(jié)點(diǎn)彎矩力。

在橋側(cè)挑選能夠使得雷達(dá)波照射全橋的雷達(dá)放置位置，調(diào)整雷達(dá)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)回波圖見(jiàn)圖6a，目標(biāo)回波圖中橫坐標(biāo)為雷達(dá)基點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)的距離。在雷達(dá)基點(diǎn)確定后，雷達(dá)基點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)的距離可以確定，通過(guò)對(duì)比目標(biāo)回波圖確定點(diǎn)1至11點(diǎn)的微位移M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,M₆,M₄,M₈,M₉,M₁₀,M₁₁。圖6b為雷達(dá)直接測(cè)量到的點(diǎn)6位移時(shí)程M₁，其中M₁中包含基點(diǎn)水平振動(dòng)。

(2)、消除雷達(dá)基點(diǎn)的振動(dòng)

雷達(dá)測(cè)量基點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)連線與水平面的夾角分別為：α₁＝64°,α₂＝54°,α₃＝46°,α₄＝40°,α₅＝35°,α₆＝31°,α₇＝27°,α₈＝24°,α₉＝22°,α₁₀＝20°,α₁₁＝18°。選擇點(diǎn)1做作參考點(diǎn)來(lái)消去雷達(dá)基點(diǎn)水平振動(dòng)的影響，在基點(diǎn)水平振動(dòng)下需要考慮角度的影響：i＝2,3,…,11，其中角度和雷達(dá)測(cè)量微位移M_i已知，利用相對(duì)位移時(shí)程d_icotα_i-d₁cotα₁作為狀態(tài)空間方程的觀測(cè)值圖7為d₂cotα₂-d₁cotα₁的位移時(shí)程圖，從圖中可以看出消除了隨機(jī)的地面水平振動(dòng)的影響后，時(shí)程曲線顯示一定的規(guī)律性。

(3)、模態(tài)參數(shù)的識(shí)別與振型的還原

在步驟(2)中已經(jīng)建立了基于相對(duì)位移的狀態(tài)空間方程，通過(guò)子空間方法識(shí)別結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼、和相對(duì)振型。以識(shí)別前5階為例子，所識(shí)別的頻率為：f₁＝14.292Hz,f₂＝57.166Hz,f₃＝128.591Hz,f₄＝228.430Hz,f₅＝356.235Hz；阻尼為：damp₁＝0.020,damp₂＝0.020,damp₃＝0.038,damp₄＝0.065,damp₅＝0.100。所選取結(jié)構(gòu)真實(shí)的頻率為：f₁＝14.292Hz,f₂＝57.160Hz,f₃＝128.521Hz,f₄＝228.043Hz,f₅＝354.785Hz；阻尼為：damp₁＝0.020,damp₂＝0.020,damp₃＝0.038,damp₄＝0.065,damp₅＝0.099。所識(shí)別的頻率和阻尼與真實(shí)值一致。

在基點(diǎn)有水平振動(dòng)時(shí)的振型的還原公式為：

其中，為隨機(jī)子空間方法識(shí)別出的振型，見(jiàn)表1所示。

表1由相對(duì)位移識(shí)別出的陣型

K₂＝

diag(2.748,2.145,1.732,1.428,1.192,1.000,0.839,0.700,0.577,0.466,0.364)，其中diag代表對(duì)角矩陣，對(duì)角線上的元素為括號(hào)中的值；根據(jù)振型的正交性所還原出的參考點(diǎn)處的振型為：代入振型還原公式可以還原出振型φ_i。以前三階為例子，振型的還原過(guò)程見(jiàn)圖8所示。還原出振型后，與真實(shí)的振型對(duì)比，計(jì)算識(shí)別的振型和真實(shí)振型之間的MAC值并畫圖，見(jiàn)圖9所示。MAC值越接近1代表所識(shí)別的振型越準(zhǔn)確，圖9驗(yàn)證了所識(shí)別振型的準(zhǔn)確性。

(4)、柔度的識(shí)別與評(píng)估

在還原出結(jié)構(gòu)的振型后，將陣型與識(shí)別的其他參數(shù)帶入柔度識(shí)別公式，計(jì)算模態(tài)縮放系數(shù)，所計(jì)算的模態(tài)縮放系數(shù)為q₁＝0.0395-0.301i，q₂＝-0.456+0.813i，q₃＝-0.480-1.150i，q₄＝1.865+0.322i，q₅＝0.367-2.540i。進(jìn)而可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)的柔度，結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖10所示。