基于微波干涉雷达的桥梁拉索基频快速识别方法研究及应用.pdf
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1、世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(专项 )P r o j e c to fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tP r o g r a mo fC h i n aR a i l w a yG r o u pL i m i t e d(S p e c i a l C l a s s )作者简介:李力(),男,工程
2、师,年毕业于湖北工程学院工程造价专业,工学学士,年毕业于重庆交通大学建筑与土木工程专业,工程硕士(E m a i l:s e t h l e e c o m).D O I:/j i s s n 基于微波干涉雷达的桥梁拉索基频快速识别方法研究及应用李力,李兴华,谈遂(桥梁智能与绿色建造全国重点实验室,湖北 武汉 ;中铁大桥科学研究院有限公司,湖北 武汉 ;中铁大桥局集团有限公司,湖北 武汉 ;高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 )摘要:针对微波干涉雷达现场识别桥梁拉索基频过程中存在操作繁琐、人机交互能力差等问题,基于微波干涉雷达测量拉索基频的原理,提出了一种可快速提取拉索位置参数的方法
3、,运用指数平滑法、峰值检测法和自相关算法对雷达散射波形数据进行分析,自动提取拉索位置参数进行拉索基频的快速识别.采用该方法对座大型斜拉桥斜拉索频率进行识别,并与采用加速度传感器法的拉索频率结果进行对比,结果表明:采用微波干涉雷达识别的拉索频率与加速度传感器法的实测频率相对偏差率在 以内,验证了该方法的可靠性;基于微波干涉雷达的桥梁拉索基频快速识别方法省时省力,可一次性快速获取多根拉索的位置参数并进行基频识别,自动化程度高.关键词:桥梁拉索;基频;微波干涉雷达;拉索位置参数;快速识别;频率测试;工程应用中图分类号:U ;U 文献标志码:A文章编号:()引言自微波干涉雷达首次引进国内并在高层建筑形
4、变监测中应用以来,其以实时性、非接触的优势,以及可全天候、高精度、高分辨率观测的特点,逐渐成为一种对大型建筑物进行非接触式形变监测的常用方法.目前微波干涉雷达法在桥梁 、高层建筑 、塔架等大型建筑物的形变监测(动位移与自振频率 )和拉索索力监测 上有所应用,在后期数据分析处理优化、形变监测数据的局部精确算法以及实现设备微型化 等方面也有相关研究,但在现场测试应用时仍存在操作繁琐、人机交互能力差等问题.针对微波干涉雷达现有技术中存在的问题,本文基于微波干涉雷达测量拉索基频的原理,提出了一种可快速提取拉索位置参数的方法,根据拉索位置参数自动提取拉索振动形变量,进行拉索基频的快速识别.并结合座大型斜
5、拉桥的索力检测工程应用,验证该方法的可行性和准确性.桥梁拉索基频快速识别方法研究 微波干涉雷达测量拉索基频原理微波干涉雷达是基于差分干涉测量技术和线性调频连续波信号脉冲压缩理论来实现远距离、非接触、高精度采集目标形变量数据的设备.运用微波干涉雷达对拉索基频进行识别的过程为:首先采集得到拉索的振动形变量序列,然后利用频谱分析法得到拉索振动形变量频谱,最后利用频谱峰值间隔和拉索之间的频率关系确定拉索基频.将雷达获取的直接观测量作为目标形变量,假设形变量测量频率为fs(通常不小于 H z),则每个目标可形成一个形变量序列d(n):dn()nfs,n,N()式中,n为 时间帧下标;为雷达发 射波 的
6、波 长;nfs为当前时间帧对应的相位值;为初始相位值;N为时间序列长度.形变量序列频谱分析采用目前广泛应用的傅里叶变换(F F T),经过频率归一化处理后,可得出频谱世界桥梁 ,()分析结果D(k):D k()N nd n()e jn kN,k,K()式中,ejn kN为序列卷积;K为F F T分析变换的总点数;k为归一化频率下标,对应的频率值为kKfs.根据频率和时间的对应关系可以得到频率测量分辨率fs与测量时间t成反比,即:fstfsN()为了提高拉索基频的识别精度,需要提高形变量测量采集的时间,如观测时间为 s时对应的频率测量精度为 H z.基于微波干涉雷达的拉索位置参数提取方法在现场使
7、用微波干涉雷达进行拉索基频识别时,雷达采集的对象包括干涉波发射范围内的拉索和干扰物,其反射的目标位置参数会共同形成一维后向散射波形图.为准确提取拉索位置参数(即目标拉索到测量仪器的距离以及拉索与拉索之间的位置关系),基于微波干涉雷达法,提出一种可快速提取拉索位置参数的方法,具体步骤为:通过低通滤波器对采集得到的散射波形图进行指数平滑处理;采用梯度检测法、极值检测法或滑窗检测法对经过指数平滑处理的一维后向散射波形图进行峰值检测,滤除部分干扰物的干扰波,得到稀疏序列s(k);采用序列自相关运算对稀疏序列s(k)进行处理,估算并记录相邻拉索对应峰值之间的间隔周期T,根据间隔周期T依次计算并提取出所有
8、拉索的位置参数.首先采用下式对采集得到的散射波形图进行指数平滑处理:xl i()xl i()()xli(),(),i,I()()式中,xl为目标在l时刻测量的一维后向散射幅度;xl和xl分别为目标在l时刻和l时刻的一维后向散射幅度平滑结果,设定初始状态xx;i为采集对象的顺序编号;为平滑系数;I为采集对象的总数量.然后运用滑窗检测法对一维后向散射波形图进行峰值检测,同时设定检测概率Pd,根据Pd计算得到判决门限,再由分析得到峰值检测结果so,即:sox存在目标,rx无目标,r()式中,x为采用滑窗检测器经过指数平滑后得到的一维后向散射波形图中的样本;r为构建的拉索统计量.滤除干扰物的干扰波后,
9、得到稀疏序列sk():sk()MhAh kph()MjBj knj(),k,K()式中,M为拉索总根数;Ah为拉索振幅;ph为拉索位置;M为干扰物总数;Bj为干扰物幅度;nj为干扰物位置;为狄利克雷函数;h和j均为整数.设定检测概率Pd为 时,计算:PNd()式中,N为采用滑窗检测器经过指数平滑后的一维后向散射波形图中样本的总数量.最后建立自相关定义式,对稀疏序列sk()进行序列自相关分析运算,得到峰值间隔周期近似为T的峰值图,估算并记录相邻拉索对应峰值之间的间隔周期T.雷达散射波形数据分析结果如图所示.由图可知,经过数据分析后,峰值图中干扰物对应的杂波明显减少.桥梁拉索基频快速识别基于微波干
10、涉雷达测量拉索基频的原理以及提取目标拉索位置参数的方法,在使用雷达进行多根拉索同步遥测时,一般将雷达固定在桥塔附近拉索图雷达散射波形数据分析结果F i g A n a l y s i s r e s u l t so f r a d a rb a c k s c a t t e rw a v e f o r md a t a基于微波干涉雷达的桥梁拉索基频快速识别方法研究及应用李力,李兴华,谈遂下方或斜下方的稳定位置处,调整雷达天线的发射方向使散射波覆盖住整个索面,确保拉索在雷达的一维后向散射波形图中呈现为明显且稳定的波峰.多根斜拉索同步遥测示意如图所示.图多根斜拉索同步遥测示意F i g S
11、c h e m a t i co f s y n c h r o n o u s t e l e m e t r y f o rm u l t i p l es t a yc a b l e s快速识别多根拉索基频步骤如下:()现场根据拉索空间位置关系和测量目标在雷达视线方向上的散射峰值,运用快速提取拉索位置参数的方法识别待测拉索在散射图中的准确位置.()利用雷达采集待测拉索的振动形变量数据,在得到各拉索的形变量测量数据之后,对其进行归一化频谱分析.()根据各拉索目标的位置参数、频谱的谐波显著度和波峰位置处的幅度,将频谱图中的基频点位置自动提取出来,得到所测拉索的基频曲线.工程应用为了验证桥梁
12、拉索基频快速识别方法的有效性,将该方法应用于舟山桃夭门大桥和赤壁长江公路大桥,通过采集形变量数据来分析提取拉索基频,并同步采用加速度传感器法进行测试校核.舟山桃夭门大桥舟山桃夭门大桥为()m七跨连续双塔双索面斜拉桥,共设置 根平行钢丝斜拉索.该桥 年 月建成通车,年月在不中断交通的情况下,利用微波干涉雷达对 斜拉索基 频进行 了 非 接 触 式 快 速识别.现场测试时,将雷达放置在桥塔附近的稳定位置处,当雷达位于斜拉索的斜下方呈一定仰角(仰角大小为 )对准目标斜拉索(见图)时,散射波可覆盖整幅索面,测量目标在雷达视线方向上会形成散射图,雷达观测到整幅索面共 根斜拉索的散射波形(见图),根据斜拉
13、索的空间位置关系和散射图上的目标散射峰值,提取 号斜拉索在散射图中的准确位置,对整幅索面斜拉索的基频进图雷达现场测试F i g R a d a r f i e l dt e s t图整幅索面 根斜拉索的散射波形F i g S c a t t e r e dw a v e f o r mo fa l l s t a yc a b l e si nac a b l ep l a n e行快速识别.为校核雷达识别频率的准确性,同步运用加速度传感器法对号斜拉索(最短索)进行频率测试,结果如表、图所示.由表、图可知,种方法实测前阶频率相对偏差率在 以内,验证了使用微波干涉雷达进行频率测试的可靠性.表号斜
14、拉索前三阶实测频率对比T a b l e C o m p a r i s o no fm e a s u r e df i r s t t h r e em o d e so ff r e q u e n c i e so f s t a yc a b l eN o 阶次微波干涉雷达法频率f/H z加速度传感器法频率f/H z相对偏差率/阶 阶 阶 注:相对偏差率(ff)/f .下同.赤壁长江公路大桥赤壁长江公路大桥主桥为()m双塔双索面斜拉桥,共设置 根斜拉索.该桥 年月建成通车,年月成桥荷载试验前利用微波干涉雷达对斜拉索基频进行了非接触式快速识别,采用微波干涉雷达法识别出世界桥梁 ,()图
15、号斜拉索时域信号及频谱结果F i g T i m e d o m a i ns i g n a l a n ds p e c t r u mr e s u l t so f s t a yc a b l eN o 号斜拉索在散射图中的准确位置,雷达观测到整幅索面共 根斜拉索的散射波形(见图),随后微波干涉雷达采集待测斜拉索的振动形变量数据,对其进行归一化频谱分析.号斜拉索时域信号及频谱结果如图所示.图整幅索面 根斜拉索的散射波形F i g S c a t t e r i n gw a v e f o r m so fa l l s t a yc a b l e s i nac a b l ep
16、 l a n e为校核微波干涉雷达识别拉索基频的准确性,将测试结果与长期安装有加速度传感器的根斜拉索(号)基频结果进行了对比验证,结果如表所示.由表可知,种方法实测基频相对偏差率在 以内,验证了使用微波干涉雷达进行频率测试的可靠性.应用效果座大桥整幅斜拉索基频快速识别结果如图图 号斜拉索时域信号及频谱结果F i g T i m e d o m a i ns i g n a l a n ds p e c t r u mr e s u l t so f s t a yc a b l eN o 所示.由图可知:越靠近桥墩的斜拉索基频越高,符合斜拉桥结构的斜拉索基频分布规律.运用该方法对斜拉索的位置进
17、行自动提取并辅以整幅斜拉索基于微波干涉雷达的桥梁拉索基频快速识别方法研究及应用李力,李兴华,谈遂表 号斜拉索实测基频对比T a b l e C o m p a r i s o no fm e a s u r e df u n d a m e n t a l f r e q u e n c i e so f s t a yc a b l e sN o t o 斜拉索编号微波干涉雷达法频率f/H z加速度传感器法频率f/H z相对偏差率/基频图的拟合时,整幅斜拉索基频的提取非常简单、可靠,极大地减少了此过程中人为误差,明显地降低了斜拉索频率识别的人力成本.图座大桥整幅斜拉索基频快速识别结果F i
18、g R a p i d l y i d e n t i f i e df u n d a m e n t a l f r e q u e n c i e so fs t a yc a b l e so fb o t hb r i d g e s结语针对现有微波干涉雷达测量技术存在的问题,通过指数平滑、自相关运算、峰值检测等系列数据优化处理过程,提出了一种可快速提取多根拉索位置参数的方法,根据微波干涉雷达提取的拉索位置参数和拉索振动形变量进行多根拉索基频的快速识别,对座大型斜拉桥整幅斜拉索进行非接触式同步遥测,并与加速度传感器法结果进行对比验证.结果表明:微波干涉雷达法与加速度传感器法实测频率相
19、对偏差率在 以内,应用于桥梁斜拉索频率测试数据准确性较高;这种可快速提取斜拉索位置参数的方法,解决了目前使用微波干涉雷达需要人机交互才能提取多根斜拉索位置参数的技术问题,提高了雷达系统的智能化程度;该方法能一次性快速识别多根斜拉索的基频,实现了斜拉索基频的自动提取以及整幅斜拉索基频图的拟合,简化了斜拉索基频提取步骤,减少了人为误差,提高了检测效率.参考文献(R e f e r e n c e s):刁建鹏,黄声享地面干涉雷达在建筑变形监测中的应用J测绘通报,():(D I A OJ i a n p e n g,HUANGS h e n g x i a n g A p p l i c a t i
20、 o no fG r o u n d B a s e dI n S A Ri nB u i l d i n gD e f o r m a t i o nM o n i t o r i n gJB u l l e t i no fS u r v e y i n ga n d M a p p i n g,():i nC h i n e s e)王翔,汪正兴高速铁路桥梁雷达非接触测试技术研究J铁道工程学报,():,(WAN G X i a n g,WAN G Z h e n g x i n g R e s e a r c ho nt h eR a d a rN o n C o n t a c tT
21、e s t i n gT e c h n o l o g yo fH i g h S p e e dR a i l w a yB r i d g e sJJ o u r n a lo f R a i l w a y E n g i n e e r i n gS o c i e t y,():,i nC h i n e s e)徐亚明,王鹏,周校,等地基干涉雷达I B I S S桥梁动态形变监测研究J武汉大学学报(信息科学版),():(XU Y a m i n g,WAN G P e n g,Z HOU X i a o,e t a lR e s e a r c ho nD y n a m i c
22、D e f o r m a t i o nM o n i t o r i n go fB r i d g e sU s i n gG r o u n d B a s e dI n t e r f e r o m e t r i cR a d a rI B I S SJG e o m a t i c sa n dI n f o r m a t i o nS c i e n c eo fW u h a nU n i v e r s i t y,():i nC h i n e s e)黄声享,罗力,何超地面微波干涉雷达与G P S测定桥梁挠度的对比试验分析J武汉大学学报(信息科学版),():(HUA
23、NGS h e n g x i a n g,L UOL i,HEC h a o C o m p a r a t i v e T e s t A n a l y s i s f o r D e t e r m i n i n g B r i d g eD e f l e c t i o nb y U s i n gG r o u n d B a s e dS A Ra n d G P SJG e o m a t i c sa n dI n f o r m a t i o nS c i e n c eo fW u h a nU n i v e r s i t y,():i nC h i n e s
24、 e)刁建鹏微波干涉测量在高层建筑动态监测中的应用J振动与冲击,():,(D I A OJ i a n p e n g A p p l i c a t i o no fM i c r o w a v eI n t e r f e r o m e t e r i nD y n a m i cM o n i t o r i n go faH i g h R i s i n gB u i l d i n gJJ o u r n a lo f V i b r a t i o na n dS h o c k,():,i nC h i n e s e)周吕,马俊,文学霖,等地基雷达干涉测量超高层建筑物动态
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