毫米波雷达干涉测量原理、雷达法桥梁变形计算方法.docxVIP

附录A毫米波雷达干涉测量原理

A.1雷达的基本概念

雷达意为“无线电探测与测距”，因此雷达是一种无线电装置，它通过无线电磁波来检测目标的位置。从广义上讲，雷达就是测量物体的位置和运动参数，以及确定物体的特性。由雷达硬件装置向天线输出的电磁波能通过天线向目标物体发射，再通过天线将目标物体反射回来的反射能量再传送给雷达的硬件装置。

A.2毫米波雷达

毫米波雷达是一种工作在毫米波段的雷达，通常毫米波是在30~300GHz的频率范围内（波长为1至10mm）的电磁波。毫米波雷达测试形变属于非接触式测量，同传统的测量方式相比具有非接触、高精度、全天候等的特点，能够实现对结构物的多目标进行同步、实时动态的测量。毫米波雷达目前在桥梁索力、静载试验、动载试验以及桥梁健康监测等领域进行了广泛的应用。

A.3毫米波雷达的信号调制

毫米波雷达测量实现变形的高精度测量主要基于雷达信号调制技术、干涉测量技术和合成孔径雷达技术三项关键技术。

A.3.1信号调制技术

毫米波雷达在微变形测试中主要采用频率步进连续波（SteppedFrequencyContinuousWaveform，SFCW）和线性调频连续波（LinearFrequencyModulationContinuousWave，LFMCW）两种调频技术。意大利IDS公司的IBIS系统是采用频率步进连续波（调频技术，国外和国内一些厂家的微波雷达或毫米波雷达有的采用线性调频连续波（LinearFrequencyModulationContinuousWave，LFMCW）的调频技术。

1、频率步进连续波

利用步进频率连续波和微波干涉技术，可以获得高时空分辨率、高精度的视线方向的一维形变图。在微波测量中，为了达到更高的测距精度，同时减小了对发射设备的要求，IBIS系统采用了步进频率连续波信号调频技术。步进频率连续波信号是一种由N个相继的频率序列组成的信号，它是根据Δf的步长而改变的，在图A.3-1中可以看出，该信号具有一定的阶梯式变化。

图A.3-1步进频率连续波信号调制

2、线性调频连续波

毫米波雷达采用LFMCW（LinearFrequencyModulatedContinuousWave，线性调频连续波）信号体制，雷达发射信号为线性锯齿扫频信号，反射回波信号也为线性锯齿信号，见图A.3-2。从图中可以看到,除了在各个时间点的工作频率不同外，雷达的发射信号和雷达回波的形式基本上是一致的。类似于“多普勒-脉冲”雷达的测距基本原理，目标反射回波会有一定的延时，但线性调频连续波(LFMCW)信号系统不再使用极易出错的数据—时间差来测距，而是使用易于计算的频率差来计算距离。雷达发射频率的变化已知，即按一定速度由低到高的频率差和单向不停地扫测，图中“锯齿”形频率发生变化。

图A.3-2线性调频连续波信号及回波信号

A.4雷达的干涉测量原理

毫米波雷达采用干涉技术可以准确地检测目标的位移，这种方法主要是利用雷达的相位改变来完成。每次测量时，传感器都包含了幅度和相位两个方面的信息。雷达首次发射、接收后，得到了目标的位置及相位信息。在此基础上，对目标进行了第二发射与接收，得到了目标第二次测量时的位置和相位信息，并利用它的相位差来确定目标准确的位移变化量，见图A.4-1。

图A.4-1雷达干涉测量原理

毫米波雷达对监测目标区域进行连续动态的采集，通过相邻采样信号间的干涉测量来提取形变相位，进而计算形变量。雷达视线向（lightofsight，LOS）的形变量dlos与形变相位Δφ满足以下关系：

dlos=-(

式中：dlos—

λ—电磁波的波长；

Δφ—两次测量形变的相位差。

A.5索力的测量原理

毫米波雷达测试索力也是基于频率法的基本原理来实现索力测量的，属于非接触式测量，测试时不需要在拉索上安装角反射器。测试时，毫米波雷达发射微波信号，遇到拉索后反射回来，得到位置与相位；通过不断发射、反射得到一系列变化相位，从而计算出拉索的振动位移，经过快速傅立叶变换(FFT)，可以得到频域特征值。振动位移时程曲线经过时频变换计算出振动频率或倍频特征，根据拉索的参数来计算其索力，见图A.5-1。

图A.5-1毫米波雷达测试索力示意图

毫米波雷达测试是利用电磁波的原理，电磁波对于拉索索体反射的信号能量较强，而对于拉索索体护套HDPE等材料的信号反射较弱，因此电磁波可以穿透索体护套而直接反射索体的信号。

附录B雷达法桥梁变形计算方法

B.1概述

根据毫米波雷达变形干涉测量原理可知，其测试的变形是在雷达波束角范围内目标体相对于雷达视线方向的变形量dlos。而桥梁变形测试通常是测试桥梁在竖向方向的变形。采用毫米波雷达测试时得到的雷达视线方向的形变量需要通过数据的处理计算才能得到桥