交通结构物形变监测fmcw雷达

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1、交通结构物形变监测FMCW雷达王辉石春苗马俊糜江江西省交通科学研宄院摘要：桥梁、隧道、边坡、路面等交通结构物在建造或运营过程中，会受到周围环境或交通载荷的长期反复作用，有效的交通结构物监测系统能在结构物损伤导致的灾害发生之前及时检测并发出预警信息。相对激光、红外、图像识别、力学等手段，基于雷达的交通结构物形变监测雷达具有不受气候条件影响的先天优势，本文基于调频连续波雷达测距的基本原理，从数学原理上分析了FKT变换、补零FFT、线性调频Z变换的频率测量精度及复杂度，推导证明了目标监测距离越远，雷达前端压控振荡器的非线性影响越大，及频率细化程度越高，同等信噪比条件下

2、噪声引起的目标距离误判概率越大的结论。关键词：交通结构物;形变监测;FMCW;雷达;基金：江丙省交通运输厅科技项目《基于调频连续波的桥梁位移监测雷达系统的关键技术研究》，2016X0027交通结构物如桥梁、隧道、路面等在建造和运营过程屮，会受到外界环境的侵蚀、交通载荷的长期反复作用以及地震、大风等自然灾害的影响，将不可避免的异致结构材料不断老化、疲劳效应不断增加，甚至产生突发损伤等，使结构的抗力不断袞减，威胁到结构的安全性、适用性和耐久性。有效的交通结构物监测系统能在结构物损伤导致的灾害发生前及时检测并发出预警信息。传统交通结构物形变监测方法包括:大地测量、GP

3、S、三维激光扫描、近景摄影测量。大地测量法测量数据可靠且测量成本较低，适用于多种变形体和测量环境，但具有测量周期长且无法实现自动化监测等缺点。基于GPS的边坡监测具有监测精度高投入使用快等优点，已有较大范围的应用，但随着监测范围的加大，成木较高，＞1.易受监测环境影响(如在几何形状差的峡谷区域，其定位数据可信度低)。近景摄影测量技术在边坡测量领域也有较大的发展，具有测量速度快、边坡形变监测数据全面直观等特点，但随着测量距离的增加其监测精度下降较快，且其设备投入成本也和对较高。基于三维激光扫描技术的边坡位移监测具有测量精度高、测量结果直观无须复杂的数据处理等优点，

4、但同样具有类似于近景摄影测量的监测精度随监测距离増加而急剧下降的缺点。斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory)的研宄人员提出丫基于微波非接触的针对大型建筑物的振动测量系统，并进一步在奥格兰德河上的1-40大桥(钢复合材料)进行了现场振动监测试验，然而该系统只能监测雷达波朿范围内的单一目标，不能进行多个目标的同时测量。意大利IngegneriaDeiSistemi(TDS)公司研究人员与佛罗伦萨大学经过6年合作，研究提出了基于微波干涉测量的建筑微变远程监测系统，可同时对雷达波束范围内的多个A标进行位移测量，即面观测，位移监测精

5、度最高可达0.01mm，监测范围为(T2km，雷达传感器数据采集频率最高为200Hz，W内外多家用户实测证明了该技术的有效性和先进性。监测0标的非连续结构均可作为雷达发射波的潜在反射源。反射源反射的雷达冋波可用于判断反射源处的目标位移特征，这些反射源可看作是一系列无需接触监测目标的虚拟振动传感器。特殊情况下，当监测FI标或特定FI标监测点的雷达反射波难以捕捉而又必须对其位移情况进行监测时，可在监测目标出安装简单的雷达波辅助反射设备己增强该处的雷达发射波强度。相对于已有的基于点观测的边坡监测技术，基于面观测的雷达干涉测量具有无需接触监测0标、部署简单、不受天气气候

6、制约等优点。然而，目前世界范围内主要有三家厂商推出位移监测雷达系统，仅有意大利IDS公司推出的建筑物远程微变监测系统由北京某公司代理在W内销售，由于微波干涉测量技术研宄起步晚，据作者所知，目前国内尚无类似成熟系统，其一套系统高达300万的价格阻碍了微波干涉测量技术在国内交通结构物监测领域的广泛应用。不同于意大利IDS棊于步进频率连续波(Stepped-FrequencyContinuousWave,SFCW)的微波干涉测量体制，本文研究基于FMCW的交通结构物微形变监测雷达设计。1FMCW雷达测距原理雷达发射机产生电磁波信号，由雷达天线辐射至空中传播。辐射的信号

7、一部分0标拦截并向周围再辐射。其屮一部分向雷达方向辐射的信号被雷达天线采集接收，并送至接收机。在接收机中，通过对此回波信号的处理可获得目标的特征信息(距离、速度、方位)。雷达波对不同监测单元的分辨能力取决于雷达发送波和回波信号的工作频率及带宽。信号频率越高i带宽越宽，分辨能力越高。要达到毫米级的位移测量，雷达波的工作频率通常要设置在10GHz以上。意大利IDS的建筑微变远程监测系统1D1S-S系统是基于SFCW进行干涉测量以获取目标位移信息的，本文则研究基于FMCW微波干涉测量体制的交通结构物形变监测雷达设计。SFCW及FMCW均属于无载频脉冲体制，但后者相对于

8、前者，可有效解决最大作用