摘 要：針對傳統(tǒng)傳感器存在人力成本高、高空安裝風險大、設(shè)備易損壞、監(jiān)測耗時長等問題，文章以某主橋跨徑為926 m的斜拉橋拉索監(jiān)測為分析對象，在斜拉橋索力監(jiān)測中引進并采用毫米波雷達監(jiān)測技術(shù)，分別采用傳統(tǒng)的加速度傳感器和毫米波雷達技術(shù)對該斜拉橋多根拉索的振動情況進行監(jiān)測對比。結(jié)果表明，毫米波雷達監(jiān)測技術(shù)無須在拉索上安裝傳感器，可顯著提高測試效率，大幅節(jié)約人力成本，可實現(xiàn)同時對多根拉索的同步監(jiān)測，且與傳統(tǒng)加速度傳感器監(jiān)測的拉索頻率控制在5%偏差以內(nèi)，具有良好的推廣應用前景。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達；斜拉橋；非接觸式；頻率；索力

中圖分類號：U448.27

0 引言

根據(jù)官方數(shù)據(jù)公示，我國高速公路里程已達16×104 km以上，公路橋梁和鐵路橋梁累計110余萬座［1］。橋梁工程受環(huán)境影響、荷載工況、材料性能等多因素影響，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同程度的變形、損傷等問題，這些因素會影響橋梁結(jié)構(gòu)的壽命，若未能及時監(jiān)測并妥善處理，或會造成嚴重安全事故。

基于此，對橋梁進行監(jiān)測，及時獲取相關(guān)測量數(shù)據(jù)并準確評估橋梁的健康狀態(tài)，具有重要的意義。傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測包括水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀和收斂計等，這些設(shè)備雖然能夠準確測量出橋梁的位移等參數(shù)變化，但耗費人力、物力。隨著科技的發(fā)展，涌現(xiàn)出加速度傳感器、光纖應變計［2］、衛(wèi)星導航［3］、三維激光掃描［4］等技術(shù)，這些新科技較傳統(tǒng)設(shè)備提高了測量精度和操作的便捷性，但也存在設(shè)備易損壞、對高頻振動不敏感或成本高等一系列問題。近幾年，毫米波雷達技術(shù)憑借超高的測量精度、超高的監(jiān)測頻率、高分辨率、強抗干擾能力、非接觸式和可實現(xiàn)多點位移同時測量等優(yōu)點，廣泛應用于汽車檢測、人體健康監(jiān)測、智慧公路和無人機駕駛等［5-9］多個領(lǐng)域，并取得了良好的應用效果。目前，該技術(shù)在國外橋梁工程健康監(jiān)測中也有初步的應用，并呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢［10-11］。綜上所述，同時具備體積小、低能耗、無距離盲區(qū)、無接觸性測量且頻率高、精度高的毫米波雷達完全滿足橋梁工程健康監(jiān)測的諸多需求，將該技術(shù)推廣應用于國內(nèi)橋梁的健康監(jiān)測具有很好的應用價值。

在橋梁工程中，拉索的索力監(jiān)測是確保橋梁結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的索力監(jiān)測方法采用加速度傳感器法和壓力傳感器法。加速度傳感器作為一種常用的橋梁振動監(jiān)測設(shè)備，具有靈敏度高、響應速度快、精度高等優(yōu)點，廣泛應用于各類橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。然而，加速度傳感器需要直接安裝在拉索上，這不僅增加了操作難度和高空作業(yè)安全風險，還可能對拉索造成潛在損傷。此外，對于特大索橋結(jié)構(gòu)，加速度傳感器的安裝和維護成本也相對較高。毫米波雷達通過發(fā)射和接收毫米波信號，實現(xiàn)對拉索振動情況的實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)方法相比，毫米波雷達無須在拉索上安裝任何裝置，降低了操作復雜性，提高了測量精度。

基于此，本文在某斜拉橋上實施了毫米波雷達法和加速度傳感器法的對比試驗。結(jié)果顯示，毫米波雷達技術(shù)不僅在操作上更為簡便，經(jīng)濟性好，而且檢測精度高。通過本次試驗的對比分析，研究了毫米波雷達技術(shù)在橋梁拉索索力檢測中的應用效果，相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)論對于類似工程具有一定的借鑒意義。

1 技術(shù)原理及實施路線

1.1 技術(shù)原理

作為一種以干涉測量為基礎(chǔ)的儀器，毫米波雷達通過電磁輻射技術(shù)檢測拉索索力。在測試過程中，雷達根據(jù)發(fā)射信號與目標回波信號之間的相位差異，精確測量拉索的振動位移。

操作過程中，微波信號首先由發(fā)射天線發(fā)出，當這些信號遇到拉索索體后，會被反射回接收天線。對收集到的信號進行數(shù)據(jù)處理與分析后，第n次測量會得到一個采樣復信號，該信號包含了信號的強度以及觀測到的相位值φn。雷達系統(tǒng)會不斷地對輻射場內(nèi)的拉索索體進行采樣，如果在第n+1次采樣時拉索發(fā)生了形變Δr，那么第n+1個采樣復信號就會反映出相應的信號強度和相位變化。毫米波雷達干涉測量的基本原理見圖1。

形變相位指2個觀測相位的差值：

Δφ=φ1-φ2=-4πλΔr（1）

φ1、φ2和Δφ均屬于區(qū)間［-π，π］中，通常利用復數(shù)的共軛相乘來提取干涉相位，其公式為［12］：

S1=A1×ejφ1參考文獻：S2=A2×ejφ1參考文獻：SIF=S1×S2=A1A2×ejΔφ（2）

式中：S——采樣復信號；

A——觀測信號的強度；

φ——觀測相位值。

毫米波雷達憑借干涉測量技術(shù)，能夠精準地捕捉到目標在雷達與目標連線方向上的微小形變量。這種距離的細微變動，雷達系統(tǒng)能夠以極高的精確度進行監(jiān)測，其視線方向上的測量精度可達到0.01～0.1 mm的級別。由于雷達系統(tǒng)具備高時間分辨率和高空間分辨率的特點，因此能夠連續(xù)不斷地獲取大量分辨單元的形變時間序列數(shù)據(jù)。

利用雷達設(shè)備和采樣物體之間連續(xù)的發(fā)射、反射得出一系列變化相位，計算出拉索的振動位移，再結(jié)合數(shù)值方法對拉索振動頻率時程曲線進行離散傅里葉變換（DFT）［13］：

xa（jf）=FTxa（t）=

xa（t）e-j2πftdt（3）

測試的時域信號通過DFT，將其轉(zhuǎn)換為頻域信號，可以得到頻域的特征值，進一步提取拉索振動的基頻或倍頻特征，之后用頻率法中計算拉索索力的公式結(jié)合拉索本身的幾何特征來計算拉索的索力。

毫米波雷達在斜拉橋索力監(jiān)測中的應用/

寧寶俊

1.2 實施步驟

（1）信號發(fā)射與接收：毫米波雷達連續(xù)發(fā)射毫米波信號，并接收來自拉索的反射信號。由于拉索的振動，反射信號的相位會發(fā)生連續(xù)變化。

（2）相位數(shù)據(jù)處理：通過對接收到的反射信號進行相位提取和處理，可以得到一系列相位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)反映了拉索在不同時間點的振動狀態(tài)。

（3）振動位移計算：利用相位數(shù)據(jù)，結(jié)合干涉測量原理，可以精確計算出拉索的振動位移。這一步驟是毫米波雷達技術(shù)檢測拉索索力的關(guān)鍵。

（4）頻譜分析：對計算出的振動位移數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換（FFT），將其從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到拉索的振動頻率或頻差特征值。

（5）索力推導：根據(jù)得到的振動頻率或頻差，結(jié)合拉索的具體參數(shù)（如長度、直徑、材料特性等），利用頻率法公式推導出拉索的索力值。

圖2所示為毫米波雷達測試索力的分析流程。

2 適用范圍及成本分析

毫米波雷達監(jiān)測特別適用于特大索橋結(jié)構(gòu)、跨越大江大河或高山峽谷等復雜環(huán)境下的橋梁工程。在這些環(huán)境中，傳統(tǒng)的加速度傳感器法往往面臨安裝困難、維護成本高、安裝作業(yè)高空作業(yè)風險大等問題。而毫米波雷達則能夠克服這些困難，實現(xiàn)對拉索索力的實時監(jiān)測。

3 工程實例運用

3.1 工程概況

某斜拉橋橫跨長江江面，其主橋為采用預應力混凝土-鋼箱混合式主梁的斜拉橋。該斜拉橋跨徑分布為（3×67.5+72.5＋926＋72.5+3×67.5） m，鋼-混結(jié)合段設(shè)置在主跨，距索塔12.5 m，邊跨設(shè)置3個輔助墩和一個過渡墩，主橋長1 476 m。

如圖3所示，拉索均為平行鋼絲，采用扇形布置，每扇包含30對拉索，中跨和邊跨標準索距分別為15 m和7.5 m。

3.2 測試方法

毫米波雷達測試拉索非接觸測量主要得益于雷達發(fā)出的微波在波束角范圍內(nèi)呈扇形分布的特性。當這些微波在一定距離內(nèi)傳播時，若扇形區(qū)域內(nèi)存在多個測點，雷達便能同時實現(xiàn)對這些測點動位移的測試。

在斜拉橋索力測試中，毫米波雷達被架設(shè)在橋面上合適的位置。只要有多根拉索位于雷達的扇形波束范圍內(nèi)，并且這些測點滿足距離最小分辨率的要求，雷達便能實現(xiàn)對多根拉索索力的同步測試。這一特性使得毫米波雷達在測試拉索索力時具有顯著優(yōu)勢，因其能同時測量多根拉索，而傳統(tǒng)的振動法則需要在每根拉索上分別安裝加速度傳感器才能實現(xiàn)。

對于斜拉橋的拉索索力測試，可以根據(jù)雷達扇形波速的覆蓋范圍來選擇合適的位置安裝雷達設(shè)備，實現(xiàn)多根拉索索力的同時測量（如圖4所示），這種方法大大提高了拉索索力測試的速度和效率。

針對5#塔的斜拉索測試，分別采用毫米波雷達和加速度傳感器兩種方法進行振動數(shù)據(jù)采集。參考文獻：

3.2.1 毫米波雷達測試

（1）在橋面上選擇合適的位置架設(shè)毫米波雷達，確保雷達的扇形波束能夠覆蓋到5#索塔的T5AX、T5JX、T5AS、T5JS四組斜拉索。

（2）調(diào)整雷達參數(shù)，確保能夠捕捉到拉索的振動信號。

（3）對雷達進行校準和調(diào)試，以保證測量精度。

（4）開始測量，并記錄各組斜拉索的振動數(shù)據(jù)。

需要注意的是，當?shù)鯒U長度＜3 m時，由于其剛度較大，振動相對微弱。在這種情況下，采用毫米波雷達測量吊桿索力時，需要通過橡皮錘敲擊進行激振，以增強振動信號，從而確保測量的準確性。

3.2.2 加速度傳感器測試

（1）在每組斜拉索的每一根拉索上按照試驗次序，依次安裝加速度傳感器。

（2）確保傳感器與拉索緊密接觸，以減少測量誤差。

（3）同步采集傳感器數(shù)據(jù)，與毫米波雷達的測量結(jié)果進行對比分析。參考文獻：

3.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)布置

（1）設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保能夠同步采集毫米波雷達和加速度傳感器的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應能夠快速分析并輸出測量結(jié)果，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并進行調(diào)整。

3.3 測試結(jié)果分析

5#塔的斜拉索通過雷達法與加速度傳感器測量拉索振動頻率結(jié)果對比如圖5～8所示。

兩種方法測試拉索頻率測試結(jié)果統(tǒng)計如表1所示，由表1可知，使用雷達法與加速度傳感器測量拉索的頻率試驗中，兩種方法測得的頻率偏差均控制在5%范圍內(nèi)，且大多數(shù)在2%，表征采用毫米波雷達測量拉索的振動頻率是可行的。

下頁圖9為表1數(shù)據(jù)整理而成的柱狀圖，可以更加直觀地展示5#塔斜拉索兩種測試方法測得的頻率偏差在總數(shù)中的占比組成。

下頁表2對比了不同測試方法得到測試結(jié)果所使用的時間和投入人員的數(shù)量。由表可知，使用毫米波雷達法測量拉索的頻率相比于使用加速度傳感器的方法，極大地縮短了測試所用的時間，并減少了人員投入，提升了橋梁索力監(jiān)測的效率。

4 結(jié)語

通過對比雷達法與加速度傳感器法在測試同一座橋梁拉索振動頻率的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）毫米波雷達和加速度傳感器在測量拉索頻率時表現(xiàn)出高度的一致性，這表明毫米波雷達方法在技術(shù)上都是可靠的。

（2）毫米波雷達相對于傳統(tǒng)的頻率法（如使用加速度傳感器的方法）在測量拉索索力方面具有更強的推廣價值。毫米波雷達不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多根拉索索力的同步測量，顯著提高測試效率，而且無須在拉索上布置傳感器，避免了可能對拉索造成的損傷或干擾，使測試過程更為簡便快捷。

綜上所述，毫米波雷達在橋梁拉索索力測量中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，其非接觸式、高效率和高精度的特點使其在未來的橋梁檢測和維護中具有廣闊的應用前景。參考文獻：

參考文獻：

［1］交通運輸部.2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.Available： http：//www.gov.cn/xinwen/2021-05/19/content_5608523.htm，2021.

［2］C Y Hong，Y F Zhang，G W Li，et al.Recent progress of using Brillouin distributed fiber optic sensors for geotechnical health monitoring［J］.Sensors and Actuators A-Physical，2017（258）：131-145.

［3］朱慶旭.基于高頻 GNSS 的橋梁變形監(jiān)測研究［D］.成都：西南交通大學，2020.［4］陳弘奕，胡曉斌，李崇瑞.地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應用［J］.測繪通報，2014（12）：74-77.

［5］黃 巖，張 慧，蘭呂鴻康，等.汽車毫米波雷達信號處理技術(shù)綜述 ［J］.雷達學報，2023，12 （5）：923-970.

［6］甘耀東，鄭 玲，張志達，等.融合毫米波雷達與深度視覺的多目標檢測與跟蹤 ［J］.汽車工程，2021，43 （7）：1 022-1 029，1 056.

［7］薛毅松.基于毫米波雷達的非接觸式健康監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］.成都：電子科技大學，2022.

［8］趙 聰，師鈺鵬，丁德隆，等.智慧公路毫米波雷達感知精度分析與驗證 ［J］.中國公路學報，2024，37 （1）：205-214.

［9］胡佳喬.無人駕駛工況下毫米波雷達仿真及性能分析 ［J］.智慧軌道交通，2023，60 （5）：6-11.

［10］Xing Cheng，Wang Peng，Dong Wei.Research on the bridge monitoring method of ground-based radar［J］.Arabian Journal of Geosciences，2020，13（23）：1-10.

［11］ Talich M.Using ground radar interferometry for precise determining of deformation and vertical deflection of structures［J］.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2017，95（3）：32021.

［12］戚 斌，岳 順，宋亞宏.GBInSAR技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的應用［J］.地理空間信息，2017，15（7）：97-98，11.

［13］李金鹿，肖春文，朱尚清.安裝阻尼器拉索索力測試方法研究［J］.市政技術(shù)，2020，38（S1）：142-146.20240426