毫米波雷达的距离检测原理，如何利用毫米波雷达测试桥梁的挠度影响线

前 言

毫米波雷达作为桥梁动挠度测试的有效方法，其在桥梁检测、监测中已经得到了很好的应用。当车辆在桥梁上行驶时利用毫米波雷达很容易进行桥梁动挠度的实时动态测试，由于动挠度信息中含有车辆荷载对挠度的静态信息。因此，毫米波雷达在桥梁检测中一个重要应用就是测试和提取桥梁控制截面的影响线。

桥梁挠度影响线的涵义

当结构上作用有与杆件主轴正交的、沿结构跨度移动的单位集中荷载（广义力P=1）时，用以表示确定的截面或位置上某一特定的受力效果（内力、位移或支座反力）的变化规律的函数图形（曲线），称为该结构在荷载作用下某一截面特定受力效果的影响线，简称影响线。桥梁结构挠度影响线就是单位集中荷载（广义力P=1）沿桥梁移动时，桥梁确定截面（控制截面如桥梁跨中）或位置竖向挠度与移动荷载位置的函数图形或曲线。桥梁挠度影响线综合反映了结构的边界条件、几何信息与物理信息，通过影响线进行结构模型修正、损伤识别和安全状况评定。以准静态荷载通过试验获得桥梁挠度的影响线。

如何测试桥梁挠度影响线

由于以前受到传感器数目与接触式测量频率的限制，通过传统方法获取精确的位移影响线存在较大困难。毫米波雷达具有多点同时观测、高频观测、高精度非接触的特点，为解决实桥影响线监测提供了新的思路。相比于全站仪、精密水准和百分表等形变监测方法，毫米波雷达具有非接触测量的显著优势，且受云雾阴雨等气象条件、恶劣环境的干扰较小。此外，设备具有时域和空域高频采样的特征，能够获取荷载作用于各个位置时的完整挠度影响线数据。

基于毫米波雷达对桥梁挠度影响线测量可以采用准静态测量方法。测试时使车辆桥梁上以缓慢速度从一端移动到另一端，使用毫米波雷达对安装在桥梁挠度测试截面（如跨中）的角反射器进行测试，从而得到车辆荷载在桥上缓慢移动的动态挠度时程曲线。由于车辆自身为具有一定刚度与阻尼的振动体系，所以实测影响线通常包含有车辆的动载效应，该效应与桥面的不平整度也有一定的关系。虽然车辆移动速度非常缓慢，考虑到车桥耦合振动效应以及挠度测试时噪声干扰等，实测桥梁挠度曲线含有动载效应以及噪声信号。如连续梁桥采用毫米波雷达测试动态挠度曲线（图1），该桥有限元计算分析的影响线见图2。实测挠度曲线同理论计算曲线相比，动载位移影响线的实测值与理论计算值整体趋势符合良好，实测曲线有明显的局部波动。分析实测挠度曲线存在明显局部波动的是由于车桥耦合振动、桥面不平整度影响以及环境和设备测试噪声等综合因素所致。

图1 车辆在移动时挠度曲线

图2 理论分析的桥梁挠度影响线

如何从挠度时程曲线提取桥梁挠度影响线？

关于桥梁位移影响线识别，国内外专家已经进行了广泛的探索。OBRIENEJ等较早提出了基于测量信息反演计算影响线的思路；LENGS进一步提出了基于最大似然估计的影响线识别方法；SUNSW等提出引入桥梁有限元模型辅助影响线识别的方法；丁幼亮等提出了一种基于FIR凯赛窗滤波器方法的应变动力系数测定方法,对位移影响线的静力识别具有一定参考价值;王宁波等基于桥梁动力响应,采用多项式拟合方法实现了对桥梁应变影响线的提取。以上研究成果虽有一定的参考价值, 但并未形成普遍认可的能够准确高效地识别桥梁位移影响线的方法。

对于实测动挠度曲线去除车辆动载效应引起的挠度曲线的局部波动，还原为真实的挠度曲线，是进行静力影响线提取和识别的本质。车辆动载效应的剔除问题与信号处理中的降噪问题具有一定的相似性。对于振动信号降噪问题处理，通常采用滤波的方法和多尺度小波分析的方法来处理。而小波变换由于具有多尺度的特点，根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点，将各频带上噪音对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，然后对处理后的系数进行小波系数重构，从而得到去噪后的信号。国内有学者将小波变化用于提取桥梁挠度影响线，结果与理论计算值有高度的吻合性，并有效去除了动挠度时程曲线局部的波动。图3为徐剑采用db4小波变换对某简支梁在30km/h车速下提取桥梁挠度影响线结果对比图，采用db4小波变换后的曲线图与计算曲线图几乎重合。

图3 小波变化提取桥梁挠度影响线结果对比图

若在影响线测试中减小车辆行驶速度（接近准静态），将会进一步减小实测挠度曲线中因车辆行驶速度引起的局部波动，使其挠度时程曲线局部波动主要成分变为以噪声干扰为主。

综上所述，由于毫米波雷达具有高精度、高频率、非接触式测量方面的优势结合有效的信号降噪处理方法，将有助于实现桥梁挠度影响线的精确测试。

微信公众号：桥梁检测百问