干涉测量技术在桥梁动态监测方面的应用
梁光胜，张俊英，齐跃
北京博泰克机械有限公司，北京 100044
摘要：本文主要介绍一种全新的动态监测仪器，这种方法可用于监测由于交通所引起的桥梁的震动，震动幅度监测的精度可以达到0.01mm。这种仪器名为IBIS，是由雷达传感器组成，这种雷达传感器可以对同一建筑物从多点同时进行监测。这种基于干涉测量雷达的传感器具有远距离测量的能力，而且是位移测量的精度达到了亚毫米级。动态监测是要对正在高频震动的物体进行监测，这就需要雷达具有非常高的采样频率。静态监测就需要有长时间而且稳定的监测能力。运用IBIS监测的第一个桥是系杆拱桥钢筋混凝土大桥，这次检测主要是为了评估该设备在长期工作时的功能稳定性。此外，还把这种新的设备和传统的加速度计进行比较，可明显看出新设备的优势。
关键词：IBIS, 动态监测，桥梁
一，前言
对于整个建筑物的震动检测以往都是通过压电式加速度计或者力平衡式加速度计来完成的，因为这些传感器的价格相对较低、准确度也较高，并且有足够高的新造币、带宽、灵敏度和其他技术特点。尽管这些传统的传感器已经被广泛应用，取得了一定的成功，但是也表现出了他的缺点，特别是在进行规模较大的建筑物时的测量。首先加速度计必须被安放在能够代表整个建筑物运用特点的点上，一般情况下这些点并不是能够很容易的到达。其次，加速度计并不能得到位移测量的直观结果，而这种结果往往是进行建筑位移监测所必需的。再次，加速度计和采集电脑之间的连接必须通过电缆，当建筑物的规模较大时，电缆的连接和安装就会非常耗时，而且成本也会增大很多。
在本文中，这种创新性的非接触式震动测量系统会是一种非常引人注目的测量方式，尤其是在以激光为基础的系统应用之后（Cunha et al. 2001, Kaito et al. 2005）。此外Farrar et al. (1999) 还介绍了一种通过微波进行监测的非接触式系统，该系统曾经对著名的I-40大桥进行了整体监测，但是该传感器并不能提供距离传感器，因此它不能区分统一监测方案中的不同目标。
最近，基于干涉测量（Henderson & Lewis 1998）和宽带波形原理（Taylor 2001）所开发出的新的雷达系统能够对建筑物进行整体监测，位移精度可达0.01—0.02mm。这个新的设备名为IBIS-S，是由意大利IDS公司和佛罗伦萨大学用了6年的时间合作研发的结果（Pieraccini et al. 2004, Pieraccini et al.2005）。
经过对建筑物进行整体监测的一些初步试验（Pieraccini et al. 2004, Pieraccini et al. 2005），该设备得到了很好的数据结果。此外，还进行了一些用于评估灵敏度和雷达传感器内在性能的实验室试验。IDS和米兰理工大学结构工程学院进行联合研究，旨在验证雷达系统结果的准确性和评估该系统对建筑物进行整体动态监测时表现。在进行这项研究时，该雷达系统测量两个系杆拱桥钢筋混凝土大桥，两次监测的结果在本文中予以介绍。
在第一次监测中，该设备被置于不同的天气条件下进行长时间的监测，其组件包括两个天线，信号发射器和接收器均能正常地工作。此外，还把该设备和传统的加速度计进行了比较。
在第二次监测中，主要观察研究了雷达和加速度计的信号间的通信和从从多个不同目标表面反射回的信号间的通信。此外，雷达设置的模式参数，包括共振频率等，和传统加速度计的通信数量进行了比较。
二， 雷达传感器介绍
IBIS系统是由传感器模块、电脑和能量供应单元组成。
传感器模块（图1）是由雷达信号发射装置、接收装置组成的一体式雷达，它能够产生、发射和接收电磁波信号，通过处理电磁波信号来计算被测物体的位移。该雷达的中心频率为16.75Hz，根据IEEE标准，该雷达的频率属于Ku波段。传感器单元被安放在带有旋转头的三脚架上。这样传感器单元就能都角度旋转，更加便于监测。传感器单元配有USB接口，能连接电脑；有电源接口，能够和供电单元连接。此外，传感器单元还有两个天线（图2）用于发射和接受电磁波信号。供电单元通过12V电池提供稳定的电源输出。
IBIS和Farrar et al. (1999) 所提到的传感器不同，它能够提供距离分辨率，这样就可以在雷达的探测范围内区分不同的监测目标。这个功能主要通过步进频率连续波（SF-CW）来实现的。SF-CW雷达的扫描带宽很大（B），在一段时间内可连续发射N组电磁波，频步为△f,这可以使距离分辨率为0.50m。这也就意味着即使两个目标物的相对距离大于0.5米时也能被清晰的区分。雷达的连续采样频率高达100Hz，所以10毫秒的扫描时间很适合对建筑物的高频震动进行监测。
当雷达电磁波束所探测到的图像是由采样间隔△t来决定的，每一个目标的位移是通过差异测量技术（Henderson & Lewis 1998）来实现的。这项技术是通过在不同的时间所测得的相位的差异来测量的。在需要进行重点观察的部位或者反射强度不是很大的部位需要安装角反射器，这样会大大提高监测的精度和准确度。
三， IBIS在意大利CANONICA D’ADDA大桥的应用
1， 大桥的描述
这座大桥始建于1957年，位于意大利Adda河之上，距米兰约40千米，是一座系杆拱桥钢筋混凝土大桥。大桥的全长为94米Briseghella et al. (2007) 曾对大桥的动态特点的结果进行了概要性的总结。这个抛物线行的建筑有两根固钢筋混凝土拱，这两根拱横向连接在一起，并且和岸上的建筑相连。桥拱的上升跨度比为1/6，悬挂的桥面长度为75米，是意大利现存的典型的Nielsen式建筑。
2， 实验步骤和桥梁的动态表现
本次环境震动测试试验使用的是16通道数据采集系统，配有单轴的WR-731A压电式传感器，每一个传感器都配有单独的供电单元。这些传感器能够纪录速度和加速度的变化，一直是重要的传统位移监测方法。本实验将用这种传感器和IBIS雷达系统进行比较。
图3为传感器的安装位置示意图，其中也包括角反射器的安装位置。角反射器的位置到雷达的距离为9米，距离在监测位置1（TP1）的距离为1.70米。控制电脑设置雷达的采样频率为100Hz。
实验模态分析使用加速度的数据，在和雷达同时开始采集数据之前要做大量的准备工作。在ARTeMIS软件中使用的频域分析方法被用于模态鉴定，在频率间隔为0—10Hz之间时，它的结果发现了8例正常模式。桥面的震动模式（B）在3.20（B1），3.44（B2），5.27（B3）和6.88（B4）被识别。扭转模式在4.02（T1），4.81（T2），5.94（T3）和7.81（T4）被识别。
3， 雷达传感器检测结果
作为该设备的首次试验，这次监测主要为了达到两个目的。首先就是要检验该设备在100Hz的高采样频率下长时间工作的稳定性和不同的天线对探测结果的影响。其次就是将该设备的监测结果和传统的加速度计的监测结果进行比较。特别地，还要将WR 731A传感器所记录的速度和IBIS测得的位移所计算出的速度进行对比。
图4（a）和图4（b）表示了两种设备所记录的数据，第一幅是用传统的传感器所测得的数据，第二幅是通过IBIS雷达系统测得的位移信息计算出的速度。这两幅图存在一定的差异，但通过这两幅图可以在时间序列间通信的可靠性。这些差异的主要原因有以下几个方面：
(1), 两种传感器具有不同的信噪比
(2), 在距离TP1点处的加速度计1.70米处安装了角反射器，所以扭转模式就有可能决定了在雷达角反射器和传感器对于振动的不同反应。这个结论在图5中也得到了支持。该图中展示了图4中的速度的自动频谱分析。自动频谱的对比着重强调了桥面在弯曲模式时的通信的一致性。他们的主要区别在于扭转模式时的频率间隔。
四， 结论
本文中描述了一种基于雷达测量技术的全新非接触式测量系统，用于测量由交通引起的桥梁的震动。基于雷达的测量数据和传统加速度计测量的数据，将两者进行对比，可以得到以下的结论：
1， 这种新的雷达系统在长时间工作时具有很好的工作稳定性。
2， Fryba (1999) 曾提出桥梁震动的理论模式，雷达对位移探测的结果和这种理论模式极其相似。
3， 雷达长期工作测量的结果和加速度计测量的数据非常吻合。
4， 根据雷达数据得到的模式参数，包括共振频率等，正确而直观地反映了桥梁的振动情况。
参考文献
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