基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法

摘要

本申请涉及桥梁承载测试技术领域，尤其是涉及基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法，该方法包括：获取桥梁的动挠度时程曲线，所述动挠度时程曲线表示桥梁在进行动挠度测试过程中的测试点的位移；对所述动挠度时程曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线；以所述静挠度时程曲线为基准线，根据所述动挠度时程曲线，建立高频振动时程曲线，所述高频振动时程曲线表示不同时刻动挠度值与静挠度值的差值；以最大动挠度值对应的时间为基准，在所述高频振动时程曲线中提取振动幅值，本申请可以基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的条件下，提取桥梁的振动幅值。

说明书

技术领域

本申请涉及桥梁承载测试技术领域，尤其是涉及基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法。

背景技术

目前我国对公路桥梁承载能力的评定主要依据规范中推荐的荷载试验方法，荷载试验包括静载试验和动载试验，其中，对于动载试验目前规范是通过结构基频来评定结构的刚度大小的，但经过研究表明，桥梁在车辆荷载作用下，其上部结构的动振动幅值也能对桥梁振动的剧烈程度进行评价，从而用来评价桥梁的结构刚度。但是相关技术中还未有能够提取桥梁振动幅值的方法。

发明内容

为了提取桥梁振动幅值，本申请提出了基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法。

在本申请的第一方面，提出了一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法，该方法包括：获取桥梁的动挠度时程曲线，所述动挠度时程曲线表示桥梁在进行动挠度测试过程中的测试点的位移；对所述动挠度时程曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线；以所述静挠度时程曲线为基准线，根据所述动挠度时程曲线，建立高频振动时程曲线，所述高频振动时程曲线表示不同时刻动挠度值与静挠度值的差值；以最大动挠度值对应的时间为基准，在所述高频振动时程曲线中提取振动幅值。

通过采用上述技术方案，获取到对桥梁进行动挠度测试得到的动挠度时程曲线后，对该曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线，相当于静态作用下的挠度曲线，然后基于动挠度时程曲线和静载挠度时程曲线构建高频振动时程曲线，根据构建得到的高频振动时程曲线即可提取得到桥梁动挠度测试下的振动幅值。

优选地，以所述静挠度时程曲线为基准线，根据所述动挠度时程曲线，建立高频振动时程曲线，包括：

以所述静挠度时程曲线为基准线，计算所述动挠度时程曲线和所述静载挠度时程曲线在同一时刻差值作为高频振动分量；

基于所述动挠度时程曲线的时间坐标，将所述高频振动分量建立高频振动时程曲线。

优选地，基于波形分析法在所述高频振动时程曲线中提取振动幅值。

优选地，以最大动挠度值对应的时间为基准，基于波形分析法在所述高频振动时程曲线中提取振动幅值，包括：

以最大动挠度值对应的时间作为中心点，提取两侧预设数量的对应的完整波形；

基于提取波形的的波峰值和波谷值计算振动幅值。

优选地，所述提取的两侧预设数量的对应的完整波形的幅值差值小于等于预设差值。

优选地，所述预设数量大于一，若所述提取的两侧预设数量的对应的完整波形的幅值差值大于预设差值时，可提取两侧一个对应的完整波形。

优选地，在测试截面布设角反射器，通过毫米波雷达对桥梁动挠度进行测试，或采用无线分布式毫米波雷达测试系统对桥梁动挠度进行测试。

预选的，所述角反射器和所述无线分布式毫米波雷达测试系统的采样频率不低于桥梁分析频率的十倍。

优选地，基于多项式拟合法、最小二乘法或小波分析法对所述动挠度时程曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本申请各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本申请实施例中基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法的流程图。

图2示出了一种实施例中基于毫米波雷达对桥梁进行测试的示意图。

图3示出了一种实施例中动挠度时程曲线的示意图。

图4示出了一种实施例中对动挠度时程曲线拟合后的曲线的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前我国对公路桥梁承载能力的评定主要依据规范中推荐的荷载试验方法，荷载试验包括静载试验和动载试验，对于静载试验，规范推荐采用校验系数进行评价，而对于动载试验目前规范是通过结构基频来评定结构的刚度大小，对于上部结构的动振动幅值没有定量的评定指标。但是桥梁的振动幅值也是用来评价桥梁振动剧烈程度的重要指标，当检测人员在桥梁上感觉桥梁振动相对比较剧烈时需要桥梁的振动幅值来进行分析，或桥梁的静载试验或动载试验评价桥梁静、动力刚度相对不足时，也需要对桥梁的振动幅值进行测试分析。

毫米波雷达技术具有非接触式测量、全天候、高精度、多目标实时动态测量等优势，能够较好的解决桥梁动挠度测试的行业难题，通过对测量得到的动挠度时程曲线进行数据拟合、分析，便能够方便得到桥梁在车辆荷载作用下的振动幅值，对于一座状况较好的桥梁，其振动幅值必定在一个合理的范围，除非结构刚度发生了变化。故本申请提出了一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法。

图1所示是本申请实施例中基于毫米波雷达测试桥梁动挠度的振动幅值提取方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

步骤S101，获取桥梁的动挠度时程曲线，动挠度时程曲线表示桥梁在进行动挠度测试过程中的测试点的位移。

在本申请实施例中，桥梁的动挠度时程曲线是基于毫米波雷达测试得到的。在一些申请实施例中，可在测试截面布设角反射器，通过毫米波雷达对桥梁动挠度进行测试，或采用无线分布式毫米波雷达测试系统对桥梁动挠度进行测试。两种毫米波雷达的测试方式可根据桥梁现场条件进行选择，对于桥下有水或桥下对应测试点的下方不方便布设设备的情况，可以采用在桥梁结构布设角反射器的测点布设方式；对于桥下容易布设检测设备的情况，可以利用无线分布设毫米波雷达测试系统进行测试。不管采用角反射器还是通过无线分布式毫米波雷达测试系统对桥梁进行动挠度测试，其采样频率都应不低于桥梁分析频率的十倍。

在一些申请实施例中，进行毫米波雷达对桥梁进行动挠度测试时，是利用桥梁跑车试验来进行测试，由于桥梁的振动幅值与跑车试验车速有直接关系，因此在采用毫米波雷达测试时应设置不同车速进行不同工况的测试，如车速分别采用10km/h、20km/h、30km/h等，动挠度时程曲线应根据不同的测试工况进行采集。

需要说明的是，桥梁的振动幅值与测试车辆有关系，为统一对于振动幅值的评价标准，需要根据桥梁设计荷载来确定对桥梁测试的标准车。如桥梁设计荷载为汽-15级，桥梁设计荷载标准中主车辆为15t，而重车为20t，对于桥梁振动幅值测试选择重车作为测试标准车。依次类推：对于汽-20级荷载，选择标准车为30t；对于汽车超-20级，选择标准车为55t，对于公路-I级和公路-II级荷载均选择55t车辆作为标准车。考虑到目前桥梁超重车限载标准为49t，对于前述所说的标准车为55t可以选择49t车辆作为标准车。

在进行毫米波雷达测试时，首先发射天线（TX）馈送微波信号，信号经与目标的相互作用形成后向散射信号，最终被接收天线（RX）接收，经过相关信号与数据处理步骤，即可得到此次测量的一个采样复信号，其中包含了信号强度和观测相位值φ1。毫米波雷达系统持续对辐射场区的目标进行采样，假设第二次采样开始时目标发生了形变Δr，那么雷达得到的第二个采样复信号就包含了相应的信号强度和观测相位值φ2，形变相位即为两个观测相位的差值，观测相位和相位差均被规划至区间 [-π, π) 中，计算角度差时需判断角度所处象限。为了避免频繁判断角度所处象限，通常利用复数的共轭相乘提取干涉相位。

由于采用了干涉法测量距离的变化，因此，视线上长度变化的测量精度可达0.01～0.1mm。又由于地基毫米波雷达系统在时间和空间上具有较高分辨率，从其形变监测数据中可提取多个连续分辨单元的形变时间序列，分析其挠度、线形和震动特征。对桥梁进行动挠度测试时，先将仪器置于桥底下面，调整仪器测量方向。如图2所示，对某一变形单元，仪器能测量出其中心到该变形单元的视线向长度(斜距)Ｒ及该视线向上长度的微小变化 r，要得到该变形单元在垂直方向的微小变化 d，还需要进行必要的变换，因此需要测量出仪器到桥底面的高度h，然后通过三角形相似关系，将视线向的变化量 r转换到垂直方向的变化量d，见下面公式：d=

步骤S102，对挠度时程曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线。

桥梁在进行跑车试验时，其振动幅值为动态测试的最大动挠度值减去最大静挠度值，最大静挠度值为，桥梁在动态测试中产生最大动挠度值的位置的同等荷载的静挠度值，即桥梁的振动幅值指动态分量（动挠度值）在以静态分量（静挠度值）基础上的变化幅值，其反映车辆对桥梁挠度的动力增大的作用。故在本申请实施例中，获得桥梁的动挠度时程曲线后，需要对其进行拟合得到同等荷载情况下的静载挠度时程曲线。

为提取动挠度时程曲线中，相当于同等跑车荷载对应的静态效应的静载挠度时程曲线，需要对动挠度时程曲线进行拟合，如图4所示为一种实施例中对动挠度时程曲线拟合后的曲线的示意图，图中虚线为对动挠度时程曲线进行拟合后得到的静载挠度时程曲线。在一些申请实施例中，可以基于多项式拟合法、最小二乘法或小波分析法对动挠度时程曲线进行数据拟合，得到静载挠度时程曲线。

步骤S103，以静挠度时程曲线为基准线，根据动挠度时程曲线，建立高频振动时程曲线，高频振动时程曲线表示同一时刻动挠度值与静挠度值的差值。

在本申请实施例中，为准确且方便的提取桥梁的振动幅值，还基于获取的动挠度时程曲线和拟合得到的静载挠度时程曲线，来构建来高频振动时程曲线，高频振动时程曲线是用来表示不同时刻桥梁在相同荷载情况下，动挠度值和静挠度值的差值的。

在一些申请实施例中，构建高频振动时程曲线包括以下步骤：

步骤A1，以静挠度时程曲线为基准线，计算动挠度时程曲线和静载挠度时程曲线在同一时刻差值作为高频振动分量。

步骤A2，基于动挠度时程曲线的时间坐标，将高频振动分量建立高频振动时程曲线。

将拟合得到的静载挠度时程曲线作为基准线，也就是以动挠度时程曲线和静载挠度时程曲线的时间坐标为准，将对应动挠度时程曲线的位移值减去拟合的静载挠度时程曲线对应时刻的拟合值，得到桥梁的高频振动分量；以动挠度时程曲线的时间坐标和计算得到的高频振动分量，可构建得到高频振动时程曲线。

步骤S104，以最大动挠度值对应的时间为基准，在高频振动时程曲线中提取振动幅值。

在本申请实施例中，对于桥梁的振动幅值的提取方法是基于波形分析法的，对得到的高频振动时程曲线进行时域波形分析，以最大动挠度值对应的时间为基准，来提取桥梁的振动幅值。

在一些申请实施例中，以最大动挠度值对应的时间为基准，基于波形分析法在高频振动时程曲线中提取振动幅值的过程包括：以最大动挠度值对应的时间作为中心点，提取两侧预设数量的对应的完整波形；基于提取波形的的波峰值和波谷值计算振动幅值。在本申请实施例中，静载挠度时程曲线和高频振动时程曲线都是基于动挠度时程曲线来生成的，故这三个曲线的时间坐标都是相同的，以动挠度时程曲线中最大动挠度值，即最大位移值，对应的时间作为中心点，在高频振动时程曲线中该中心点两侧提取预设数量的对应的完整波形，根据提取的波形来确定桥梁的振动幅值。优选地，在高频振动时程曲线中提取的所有波形之间的幅值差值应小于等于预设差值，若提取的两侧预设数量的对应的完整波形的幅值差值大于预设差值时，可提取两侧一个对应的完整波形，即仅提取高频振动时程曲线上时间中心点两侧的一个完整波形来进行振动幅值的确定。

对于振动幅值的计算，本申请采用的为波形分析法，基于时域的波形分析法计算振动幅值的方法参与计算的幅值有三种形式：仅采用波峰值；仅采用波谷值；同时采用波峰和波谷值。在跑车试验下，桥梁振动幅值会随着车辆的移动而发生变化，本申请采取的是同时采用波峰和波谷值计算方法，这种方法计算精度相对较高。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。

通过上述过程，基于毫米波雷达对桥梁的动挠度测试得到的动挠度时程曲线，本申请准确方便的提取了桥梁的振动幅值，可用于后续对桥梁的结构进行评定。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。