桥梁挠度的监测方法和系统与流程

本发明涉及雷达监测，特别涉及一种桥梁挠度的监测方法和系统。

背景技术：

1、近年来，随着城市的快速扩张与居民生产生活对于城市交通需求的不断提高，桥梁，特别是高架桥梁的建设与维护显得愈发重要。然而，由于在桥梁建设和使用过程中，存在外界环境变迁、施工改造不规范、通过车辆超载超限、自身结构件腐蚀老化等问题，桥梁各结构体存在结构性损伤，大大影响了桥梁的使用寿命，严重时甚至会造成桥梁路面破坏与结构塌陷，带来严重的社会与人员危害。桥梁结构体的挠度位移数据作为桥梁安全监测的重要指标，可以有效的反映桥梁结构的损伤程度。

2、传统的桥梁挠度的监测方法主要利用百分表、精密水准仪、全站仪等挠度测量设备，将测量设备上的百分刻度通过计算转换为挠度位移数值，实现桥梁上固定点位的挠度数值测量。这些方法普遍具有测量结果稳定可靠的优势，但是也同样存在检测范围受限，检测时间长、不具有实时监测性，耗费大量人力资源的问题。

3、相关技术中也存在一些桥梁挠度自动检测方法，如连通管测量法主要通过观察安装在桥梁上的连通管内液面位移来确定桥梁挠度位移数值，这种方法简单、可靠，但依然依赖于人工观测，不具有实时性。同时，基于视觉图像的方法也同样应用于桥梁挠度监测领域，这种方法主要利用桥梁一侧安装的摄像机设备识别并捕捉待测点标记在像素坐标系上的微小位移，从而实现桥梁挠度的在线监测，但是该方法在夜间或雨雪天气的测量精度会大幅度下降。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种桥梁挠度的监测方法和系统，以实现桥梁挠度的计算与高精度监测，保障对桥梁健康状况的实时监管，实现桥梁结构性损伤风险预警。

2、为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种桥梁挠度的监测方法，所述桥梁底部设有雷达，所述雷达包括发射天线和多个接收天线，所述方法包括：通过所述发射天线向所述桥梁上的目标测试点发射连续波信号，并通过多个所述接收天线接收所述目标测试点针对所述连续波信号散射的回波信号；根据所述连续波信号和至少一个所述回波信号，计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离；根据所述连续波信号和多个所述回波信号，计算各所述回波信号在所述雷达坐标系中的方向角度；根据所述距离和所述方向角度，计算所述目标测试点在所述雷达坐标系中的第一位置；根据所述雷达坐标系与桥梁坐标系之间的旋转位移矩阵，将所述第一位置转换为在所述桥梁坐标系中的第二位置，并根据所述第二位置得到所述目标测试点在所述桥梁挠度方向上的位移变化。

3、另外，本发明上述实施例的桥梁挠度的监测方法还可以具有如下附加的技术特征：

4、根据本发明的一个实施例，所述连续波信号波形为：

5、

6、其中，us(t)为t时刻的连续被信号，e为自然常数，j为虚数，f0为所述连续波信号的起始频率，b为所述连续波信号的带宽，t为所述连续波信号的周期，tc为所述连续波信号调制时间。

7、根据本发明的一个实施例，所述根据所述连续波信号和至少一个所述回波信号，计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离，包括：对所述连续波信号和任一个所述回波信号进行混频处理，得到时域混频信号，并将所述时域混频信号转换为时频域混频信号；根据所述时频域混频信号得到各个调频周期的中频信号频率，并根据所述中频信号频率计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离。

8、根据本发明的一个实施例，通过下式对所述连续波信号和任一个所述回波信号进行混频处理：

9、um(t)＝us(t)·ue(t)

10、其中，um(t)为t时刻的时域混频信号，us(t)为t时刻的连续波信号，ue(t)为t时刻的回波信号。

11、根据本发明的一个实施例，通过下式将所述时域混频信号转换为时频域混频信号：

12、

13、其中，ω为角频率，um,n()ω)为ω角频率的时频域混频信号，tn为第n个调频的起始时间，tc为所述连续波信号调制时间，wm(t)为窗函数在时域范围内的表达形式，um(t)为t时刻的时域混频信号。

14、根据本发明的一个实施例，所述根据所述时频域混频信号得到各个调频周期的中频信号频率，包括：对所述时频域混频信号进行低通滤波，并识别每个调频周期内频域范围内的波峰对应的频率，将该频率作为对应调频周期的所述中频信号频率。

15、根据本发明的一个实施例，通过下式计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离：

16、sc,n＝c·τc,n/2

17、其中，τc,n＝fc,n·tc/b，fc,n为所述中频信号频率，τc,n为每个调频周期内所述连续波信号与所述回波信号之间的时间差，c为信号传播速度，sc,n为所述目标测试点与所述雷达的距离。

18、根据本发明的一个实施例，多个所述接收天线呈矩阵排列，所述雷达坐标系是以多个所述接收天线中一个的顶端为原点，所述矩阵的行列方向分别为x轴方向与y轴方向，所述接收天线的接收方向为z轴方向的坐标系。

19、根据本发明的一个实施例，所述根据所述连续波信号和多个所述回波信号，计算各所述回波信号在所述雷达坐标系中的方向角度，包括：

20、对于x轴方向上排布的任意两条所述接收天线接收的所述回波信号，建立第一方程；

21、所述第一方程为：

22、

23、其中，lx为x轴上排布的两条所述接收天线之间的距离，α和γ分别为所述回波信号传播方向与所述x轴和所述z轴之间的夹角,δfx为x轴上排布的两条所述接收天线接收所述回波信号的中频信号频率之差；

24、对于y轴方向上排布的任意两条所述接收天线接收的所述回波信号，建立第二方程；

25、所述第二方程为：

26、

27、其中，ly为y轴上排布的两个接收天线之间的距离，β为所述回波信号传播方向与所述y轴之间的夹角，δfy为y轴上排布的两条所述接收天线接收所述回波信号的中频信号频率之差；

28、根据所述回波信号与所述雷达坐标系的x轴、y轴、z轴的角度约束建立第三方程；

29、所述第三方程为：

30、

31、联立所述第一方程、所述第二方程和所述第三方程,解得所述回波信号与所述雷达坐标系的角度关系。

32、为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种桥梁挠度的监测系统，包括：雷达，设置在桥梁底部，包括发射天线和多个接收天线；电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的桥梁挠度的监测方法。

33、本发明实施例的桥梁挠度的监测方法和系统，可实现桥梁挠度的计算与高精度监测，保障对桥梁健康状况的实时监管，实现桥梁结构性损伤风险预警。

技术特征：

1.一种桥梁挠度的监测方法，其特征在于，所述桥梁底部设有雷达，所述雷达包括发射天线和多个接收天线，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，所述连续波信号波形为：

3.根据权利要求2所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，所述根据所述连续波信号和至少一个所述回波信号，计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离，包括：

4.根据权利要求3所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，通过下式对所述连续波信号和任一个所述回波信号进行混频处理：

5.根据权利要求3所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，通过下式将所述时域混频信号转换为时频域混频信号：

6.根据权利要求3所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，所述根据所述时频域混频信号得到各个调频周期的中频信号频率，包括：

7.根据权利要求3所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，通过下式计算所述目标测试点与所述雷达之间的距离：

8.根据权利要求2所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，多个所述接收天线呈矩阵排列，所述雷达坐标系是以多个所述接收天线中一个的顶端为原点，所述矩阵的行列方向分别为x轴方向与y轴方向，所述接收天线的接收方向为z轴方向的坐标系。

9.根据权利要求8所述的桥梁挠度的监测方法，其特征在于，所述根据所述连续波信号和多个所述回波信号，计算各所述回波信号在所述雷达坐标系中的方向角度，包括：

10.一种桥梁挠度的监测系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种桥梁挠度的监测方法和系统，方法包括：通过发射天线向桥梁上目标测试点发射连续波信号，并通过接收天线接收目标测试点针对连续波信号散射的回波信号；根据连续波信号和回波信号，计算目标测试点与雷达之间的距离；根据连续波信号和回波信号，计算各回波信号在雷达坐标系中的方向角度；根据距离和方向角度，计算目标测试点在雷达坐标系中的第一位置；根据雷达坐标系与桥梁坐标系之间的旋转位移矩阵，将第一位置转换为在桥梁坐标系中的第二位置，并根据第二位置得到目标测试点在桥梁挠度方向上的位移变化。该方法可实现桥梁挠度的计算与高精度监测，保障对桥梁健康状况的实时监管，实现桥梁结构性损伤风险预警。

技术研发人员：袁睿,吴军,孙涛,杨广,吴凡,楚帅
受保护的技术使用者：合肥科大立安安全技术有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24