干涉測量技術在橋梁動態監測方面的應用
梁光勝，張俊英，齊躍
北京博泰克機械有限公司，北京 100044
摘要：本文主要介紹一種全新的動態監測儀器，這種方法可用于監測由于交通所引起的橋梁的震動，震動幅度監測的精度可以達到0.01mm。這種儀器名為IBIS，是由雷達傳感器組成，這種雷達傳感器可以對同一建筑物從多點同時進行監測。這種基于干涉測量雷達的傳感器具有遠距離測量的能力，而且是位移測量的精度達到了亞毫米級。動態監測是要對正在高頻震動的物體進行監測，這就需要雷達具有非常高的采樣頻率。靜態監測就需要有長時間而且穩定的監測能力。運用IBIS監測的第一個橋是系桿拱橋鋼筋混凝土大橋，這次檢測主要是為了評估該設備在長期工作時的功能穩定性。此外，還把這種新的設備和傳統的加速度計進行比較，可明顯看出新設備的優勢。
關鍵詞：IBIS, 動態監測，橋梁
一，前言
對于整個建筑物的震動檢測以往都是通過壓電式加速度計或者力平衡式加速度計來完成的，因為這些傳感器的價格相對較低、準確度也較高，并且有足夠高的新造幣、帶寬、靈敏度和其他技術特點。盡管這些傳統的傳感器已經被廣泛應用，取得了一定的成功，但是也表現出了他的缺點，特別是在進行規模較大的建筑物時的測量。首先加速度計必須被安放在能夠代表整個建筑物運用特點的點上，一般情況下這些點并不是能夠很容易的到達。其次，加速度計并不能得到位移測量的直觀結果，而這種結果往往是進行建筑位移監測所必需的。再次，加速度計和采集電腦之間的連接必須通過電纜，當建筑物的規模較大時，電纜的連接和安裝就會非常耗時，而且成本也會增大很多。
在本文中，這種創新性的非接觸式震動測量系統會是一種非常引人注目的測量方式，尤其是在以激光為基礎的系統應用之后（Cunha et al. 2001, Kaito et al. 2005）。此外Farrar et al. (1999) 還介紹了一種通過微波進行監測的非接觸式系統，該系統曾經對著名的I-40大橋進行了整體監測，但是該傳感器并不能提供距離傳感器，因此它不能區分統一監測方案中的不同目標。
最近，基于干涉測量（Henderson & Lewis 1998）和寬帶波形原理（Taylor 2001）所開發出的新的雷達系統能夠對建筑物進行整體監測，位移精度可達0.01—0.02mm。這個新的設備名為IBIS-S，是由意大利IDS公司和佛羅倫薩大學用了6年的時間合作研發的結果（Pieraccini et al. 2004, Pieraccini et al.2005）。
經過對建筑物進行整體監測的一些初步試驗（Pieraccini et al. 2004, Pieraccini et al. 2005），該設備得到了很好的數據結果。此外，還進行了一些用于評估靈敏度和雷達傳感器內在性能的實驗室試驗。IDS和米蘭理工大學結構工程學院進行聯合研究，旨在驗證雷達系統結果的準確性和評估該系統對建筑物進行整體動態監測時表現。在進行這項研究時，該雷達系統測量兩個系桿拱橋鋼筋混凝土大橋，兩次監測的結果在本文中予以介紹。
在第一次監測中，該設備被置于不同的天氣條件下進行長時間的監測，其組件包括兩個天線，信號發射器和接收器均能正常地工作。此外，還把該設備和傳統的加速度計進行了比較。
在第二次監測中，主要觀察研究了雷達和加速度計的信號間的通信和從從多個不同目標表面反射回的信號間的通信。此外，雷達設置的模式參數，包括共振頻率等，和傳統加速度計的通信數量進行了比較。
二， 雷達傳感器介紹
IBIS系統是由傳感器模塊、電腦和能量供應單元組成。
傳感器模塊（圖1）是由雷達信號發射裝置、接收裝置組成的一體式雷達，它能夠產生、發射和接收電磁波信號，通過處理電磁波信號來計算被測物體的位移。該雷達的中心頻率為16.75Hz，根據IEEE標準，該雷達的頻率屬于Ku波段。傳感器單元被安放在帶有旋轉頭的三腳架上。這樣傳感器單元就能都角度旋轉，更加便于監測。傳感器單元配有USB接口，能連接電腦；有電源接口，能夠和供電單元連接。此外，傳感器單元還有兩個天線（圖2）用于發射和接受電磁波信號。供電單元通過12V電池提供穩定的電源輸出。
IBIS和Farrar et al. (1999) 所提到的傳感器不同，它能夠提供距離分辨率，這樣就可以在雷達的探測范圍內區分不同的監測目標。這個功能主要通過步進頻率連續波（SF-CW）來實現的。SF-CW雷達的掃描帶寬很大（B），在一段時間內可連續發射N組電磁波，頻步為△f,這可以使距離分辨率為0.50m。這也就意味著即使兩個目標物的相對距離大于0.5米時也能被清晰的區分。雷達的連續采樣頻率高達100Hz，所以10毫秒的掃描時間很適合對建筑物的高頻震動進行監測。
當雷達電磁波束所探測到的圖像是由采樣間隔△t來決定的，每一個目標的位移是通過差異測量技術（Henderson & Lewis 1998）來實現的。這項技術是通過在不同的時間所測得的相位的差異來測量的。在需要進行重點觀察的部位或者反射強度不是很大的部位需要安裝角反射器，這樣會大大提高監測的精度和準確度。
三， IBIS在意大利CANONICA D’ADDA大橋的應用
1， 大橋的描述
這座大橋始建于1957年，位于意大利Adda河之上，距米蘭約40千米，是一座系桿拱橋鋼筋混凝土大橋。大橋的全長為94米Briseghella et al. (2007) 曾對大橋的動態特點的結果進行了概要性的總結。這個拋物線行的建筑有兩根固鋼筋混凝土拱，這兩根拱橫向連接在一起，并且和岸上的建筑相連。橋拱的上升跨度比為1/6，懸掛的橋面長度為75米，是意大利現存的典型的Nielsen式建筑。
2， 實驗步驟和橋梁的動態表現
本次環境震動測試試驗使用的是16通道數據采集系統，配有單軸的WR-731A壓電式傳感器，每一個傳感器都配有單獨的供電單元。這些傳感器能夠紀錄速度和加速度的變化，一直是重要的傳統位移監測方法。本實驗將用這種傳感器和IBIS雷達系統進行比較。
圖3為傳感器的安裝位置示意圖，其中也包括角反射器的安裝位置。角反射器的位置到雷達的距離為9米，距離在監測位置1（TP1）的距離為1.70米。控制電腦設置雷達的采樣頻率為100Hz。
實驗模態分析使用加速度的數據，在和雷達同時開始采集數據之前要做大量的準備工作。在ARTeMIS軟件中使用的頻域分析方法被用于模態鑒定，在頻率間隔為0—10Hz之間時，它的結果發現了8例正常模式。橋面的震動模式（B）在3.20（B1），3.44（B2），5.27（B3）和6.88（B4）被識別。扭轉模式在4.02（T1），4.81（T2），5.94（T3）和7.81（T4）被識別。
3， 雷達傳感器檢測結果
作為該設備的首次試驗，這次監測主要為了達到兩個目的。首先就是要檢驗該設備在100Hz的高采樣頻率下長時間工作的穩定性和不同的天線對探測結果的影響。其次就是將該設備的監測結果和傳統的加速度計的監測結果進行比較。特別地，還要將WR 731A傳感器所記錄的速度和IBIS測得的位移所計算出的速度進行對比。
圖4（a）和圖4（b）表示了兩種設備所記錄的數據，第一幅是用傳統的傳感器所測得的數據，第二幅是通過IBIS雷達系統測得的位移信息計算出的速度。這兩幅圖存在一定的差異，但通過這兩幅圖可以在時間序列間通信的可靠性。這些差異的主要原因有以下幾個方面：
(1), 兩種傳感器具有不同的信噪比
(2), 在距離TP1點處的加速度計1.70米處安裝了角反射器，所以扭轉模式就有可能決定了在雷達角反射器和傳感器對于振動的不同反應。這個結論在圖5中也得到了支持。該圖中展示了圖4中的速度的自動頻譜分析。自動頻譜的對比著重強調了橋面在彎曲模式時的通信的一致性。他們的主要區別在于扭轉模式時的頻率間隔。
四， 結論
本文中描述了一種基于雷達測量技術的全新非接觸式測量系統，用于測量由交通引起的橋梁的震動。基于雷達的測量數據和傳統加速度計測量的數據，將兩者進行對比，可以得到以下的結論：
1， 這種新的雷達系統在長時間工作時具有很好的工作穩定性。
2， Fryba (1999) 曾提出橋梁震動的理論模式，雷達對位移探測的結果和這種理論模式極其相似。
3， 雷達長期工作測量的結果和加速度計測量的數據非常吻合。
4， 根據雷達數據得到的模式參數，包括共振頻率等，正確而直觀地反映了橋梁的振動情況。
參考文獻
[1]. Bernardini G., De Pasquale G., Bicci A., Marra M., Coppi F., Ricci P., Pieraccini M. 2007. Microwave interferometer for ambient vibration measurements on civil engineering structures: 1. Principles of the radar technique and laboratory tests. Proc. EVACES’07.
[2]. Brincker R., Zhang L., Andersen P. 2000. Modal Identification from Ambient Responses using Frequency 18th domain Decomposition. Proc. 18 International Modal Analysis Conference (IMAC-XVIII): 625-630.
[3]. Briseghella B., Gallino N., Gentile C., Zordan T. 2007. Finite element modelling of a tied arch bridge 5th from operational modal analysis. Proc. 5 International Conference on Arch Bridges (in press).
[4]. Cunha A., Caetano E., Delgado R. 2001. Dynamic tests on a large cable-stayed bridge. J. Bridge Engineering, ASCE, 6(1): 54-62.
[5]. Farrar C.R., Darling T.W., Migliori A., Baker W. E. 1999. Microwave interferometers for non-contact vibration measurements on large structures. Mech. Syst. Signal Process., 13(2): 241–253.
[6]. Fryba L. 1999. Vibration of solids and structures under moving loads. 3 Ed., Academia Prague.
[7]. Pieraccini M., Fratini M., Parrini F., Pinelli G. Atzeni C. 2005. Dynamic survey of architectural heritage by high-speed microwave interferometry. IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., 2(1): 28–30.
[8]. Taylor J.D. (Ed.) 2001. Ultra-wideband radar technology. CRC Press.
