毫米波雷达在桥梁监测中的应用研究

  随着智能交通系统的发展，毫米波雷达技术因其高精度、全天候工作能力和非接触式测量优势，在结构健康监测领域展现出广泛应用前景。本文以一座跨径为80 m的系杆拱桥为研究对象，基于毫米波雷达技术对其运营期间的动挠度和基频进行智慧化在线监测分析，并与传统光电挠度仪进行对比验证，证实了毫米波雷达在桥梁监测中的准确性和可靠性。研究成果可为类似工程提供技术参考。

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1. 引言  

1.1 研究背景  
桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其结构安全直接关系到交通运输的安全与效率。随着服役时间的增长，桥梁结构可能因材料老化、环境侵蚀、车辆荷载反复作用等因素产生损伤或变形，如动挠度异常、频率偏移等。因此，建立高效、精准、实时的桥梁监测系统具有重要意义。

传统的桥梁监测手段主要依赖于人工巡检与固定传感器（如加速度计、光电挠度仪等），存在响应滞后、布设成本高、维护难度大等问题。近年来，**毫米波雷达**因其高分辨率、非接触测量、抗干扰能力强等特点，在桥梁位移、振动监测中逐渐受到关注。

1.2 研究意义  
本研究旨在探索毫米波雷达在桥梁动挠度与基频监测中的实际应用效果，评估其在复杂环境下的稳定性与准确性，为桥梁结构健康监测提供一种新的技术路径。

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2. 工程概况与监测系统设计  

2.1 桥梁概况  
本次研究选取的桥梁为一座**跨径80 m的系杆拱桥**，主跨采用钢箱拱肋与混凝土桥面组合结构，属于城市主干道桥梁，日均车流量较大，对结构动态响应要求较高。

2.2 监测目标  
- **动挠度监测**：反映桥梁在车辆荷载作用下产生的竖向变形。
- **基频监测**：用于评估桥梁整体刚度变化，是结构状态识别的重要指标。

2.3 监测设备配置  

| 设备类型         | 功能描述                             | 安装位置           |
|------------------|--------------------------------------|--------------------|
| 毫米波雷达       | 实时采集桥梁动挠度与振动数据         | 桥梁中央截面下方   |
| 光电挠度仪       | 高精度挠度测量                       | 同一监测点         |
| 数据采集系统     | 存储与传输雷达及光电数据             | 桥梁控制室内       |

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3. 数据采集与处理方法  

3.1 数据采集流程  
- **采样频率**：毫米波雷达设置为100 Hz，确保捕捉高频振动信号。
- **采样周期**：连续运行7天，涵盖不同交通流量时段。
- **触发机制**：车辆通过时自动启动数据采集。

3.2 数据处理方法  
- **动挠度提取**：通过雷达回波信号解算出竖向位移曲线。
- **基频计算**：采用快速傅里叶变换（FFT）对振动信号进行频域分析，提取主频信息。
- **滤波降噪**：结合小波变换去除环境噪声干扰。

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4. 结果对比与分析  

4.1 动挠度对比  

将毫米波雷达与光电挠度仪在同一时间段内的动挠度数据进行对比，结果显示：

| 参数               | 毫米波雷达（mm） | 光电挠度仪（mm） | 误差范围（%） |
|--------------------|------------------|-------------------|---------------|
| 最大动挠度         | 26.5             | 25.8              | ±2.7          |
| 平均动挠度         | 18.2             | 17.9              | ±1.7          |
| 标准差             | 3.1              | 3.0               | ——            |

从上述数据可以看出，毫米波雷达在动挠度测量方面具有较高的精度和一致性，误差控制在合理范围内。

4.2 基频分析对比  

通过FFT分析得到桥梁基频如下：

| 方法               | 基频（Hz） | 偏差（Hz） |
|--------------------|------------|-------------|
| 毫米波雷达         | 1.23       | ±0.02       |
| 光电挠度仪         | 1.21       | ——          |

两者的基频结果高度一致，表明毫米波雷达能够有效捕捉桥梁结构的整体振动特性。

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5. 讨论与结论  

5.1 技术优势  
- **非接触式测量**：避免了传统传感器安装困难的问题。
- **高采样率**：适合捕捉桥梁动态响应过程。
- **全天候适用性**：不受光照、天气条件影响。
- **自动化程度高**：支持远程监控与数据上传。

5.2 局限性  
- 对安装位置有一定要求，需避开遮挡物。
- 在强风或极端振动环境下可能引入额外噪声。

5.3 结论  
毫米波雷达在桥梁动挠度与基频监测中表现出良好的准确性与稳定性，具备在桥梁结构健康监测中推广应用的潜力。未来可结合人工智能算法进一步提升数据分析能力，实现桥梁状态的智能诊断与预警。

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6. 展望  

- 探索毫米波雷达与其他传感器（如光纤光栅、北斗定位）融合使用，构建多源异构监测网络。
- 开发基于边缘计算的毫米波雷达本地处理模块，提高实时性。
- 将毫米波雷达应用于大跨度斜拉桥、悬索桥等更复杂结构体系的监测。

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