基于射频相位测量技术的高精度桥梁形变检测方法

摘要

本发明涉及一种桥梁形变检测方法，包括：在桥梁每跨一侧桥墩安装一台射频发射设备和一台射频接收设备，在另一侧安装两台射频发射设备和一台射频接收设备，在跨中测量点安装若干台射频接收设备；桥梁每跨每一侧桥墩的射频接收设备接收来自同跨同侧桥墩的射频发射设备的射频信号，跨中测量点的射频接收设备接收来自同跨两侧桥墩的射频发射设备的射频信号；射频接收设备对射频信号进行相位测量，确定每跨同侧桥墩的射频发射设备到射频接收设备的距离，根据此距离计算频偏；根据频偏对射频发射设备到跨中测量点的射频接收设备的实测距离进行修正；根据修正后的实测距离计算跨中测量点的射频接收设备的位置坐标值；根据位置坐标值计算桥梁形变值。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁监控和射频测距领域，尤其涉及一种基于射频相位测量技术的高精度桥梁形变检测方法。

背景技术

在桥梁的建设和运营期间，对大型桥梁进行实时的形变监测是非常必要的。通过对大型桥梁结构进行实时形变监测，可以掌握桥梁的形变情况及形变规律，保证桥梁结构能够安全健康的运营，避免灾难性事故的发生；另一方面通过形变监测获得桥梁结构状态信息对于桥梁结构设计合理性的验证以及桥梁运营寿命和承载力的评估都具有重大的现实意义。目前，桥梁形变传统的监测方法主要有传感器、加速度计、常规大地测量技术、激光干涉仪、常规大地测量(全站仪、精密水准仪)等；随着科学技术的发展以及空间技术的进步，出现了GPS技术、合成孔径雷达干涉技术等现代测量方法。这些测量方法尽管有其各自特点和应用环境，但也存在其局限性，不能完全满足桥梁振动的连续性(多点)、高频性(高频)、实时性(动态)测量的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于射频相位测量的可连续、高频、实时、高精度桥梁形变检测方法，满足桥梁形变实时、全天候、高精度、长期稳定自动监测的要求。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：

基于射频相位测量技术的高精度桥梁形变检测方法，包括以下步骤：

(1)在桥梁每跨一侧桥墩安装一台射频发射设备和一台射频接收设备，在另一侧桥墩安装两台射频发射设备和一台射频接收设备，在跨中测量点安装若干台射频接收设备；

(2)桥梁每跨每一侧桥墩的射频接收设备接收来自同一跨同一侧桥墩的射频发射设备的射频信号，跨中测量点的射频接收设备接收来自同一跨两侧桥墩的射频发射设备的射频信号；

(3)桥墩上的射频接收设备对射频信号进行相位测量，根据频率的特点，确定周整模糊度，从而确定每跨同侧桥墩的射频发射设备到射频接收设备的距离，根据此距离计算频偏；

(4)根据频偏对两侧桥墩的射频发射设备分别到跨中测量点的射频接收设备的实测距离进行修正；

(5)根据步骤(4)修正后的实测距离计算出跨中测量点的射频接收设备的位置坐标值；

(6)根据跨中测量点的射频接收设备的位置坐标值计算桥梁形变值。

进一步的，所有射频发射设备均发射两种频率的电磁波，其频率分别为f₁和f₂，f₁为精频，f₂为粗频，相应的波长分别为λ₁和λ₂，频率的选择原则如下：

λ₂＞D>

$\frac{{\lambda }_1}{2}\times M_1\le d---\left(2\right)$

$\frac{{\lambda }_2}{2}\times M_2<{\lambda }_1---\left(3\right)$

其中：d是测量要求的最小精度值；D是一个米数量级的值，此值不仅远远大于被测桥梁最大变形值，而且远远大于人工测量的误差值；M₁是频率f₁对应的测相精度，M₂是频率f₂对应的测相精度。

进一步的，假设一侧桥墩的一台射频发射设备编号为1，一台射频接收设备编号为％1；另一侧桥墩的两台射频发射设备编号分别为2、3，一台射频接收设备编号为％2；同一侧的射频发射设备和射频接收设备相隔距离D_1,％1、D_2,％2和D_3,％2满足以下条件：

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{1,\%1}<\frac{c}{f_2}---\left(4\right)$

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{2,\%2}<\frac{c}{f_2}---\left(5\right)$

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{3,\%2}<\frac{c}{f_2}---\left(6\right)$

进一步的，射频信号是由数据码经过金码扩频调制后，再经过载波BPSK调制而成。

进一步的，步骤(3)中，假设射频发射设备j(j＝1,2,3)的发射频率f_i,(j)(i＝1,2)发生了频偏Δf_i,(j)，射频接收设备k(对于射频发射设备1，k＝％1；对于射频发射设备2和3，k＝％2)测量到相位差为则：

${\mathrm{\Delta d}}_{i,(j,k)}=d_{i,(j,k)}^{ac}-d_{i,(j,k)}^{ce}---\left(8\right)$

其中：c是真空中的光速，是测量的周整模糊度，为以频率f_i,(j)+Δf_i,(j)测量的射频发射设备j和射频接收设备k之间的距离，为实际距离；

用下式计算频偏：

其中：表示实际频率；

由于D是一个米数量级的值，远远大于人工测量的误差值，根据(4)、(5)和(6)式规定的条件，由人工测量的方法确定以及

进一步的，步骤(4)中两侧桥墩的射频发射设备j分别到跨中测量点的射频接收设备m(m＝#1,#2,#3,…)的实测距离为：

其中：为周整模糊度，为相位差。

进一步的，对于频率f₂来说，其测相时周整模糊度通过人工的方法获得，由于测量精度不同以及和有两种关系：

③此时

所以取满足式(11)的最大值；

④此时

所以取满足式(12)的最小值；

确定好后，由式(10)计算出

进一步的，步骤(5)中，在已知射频发射设备j的坐标(x_j,y_j,z_j)的条件下，射频接收设备m的坐标(x_m,y_m,z_m)可以由下式确定：

$\left(\begin{array}{c}\sqrt{{(x_1-x_m)}^2+{(y_1-y_m)}^2+{(z_1-z_m)}^2}=d_{1,(1,m)}^{ce}\\ \sqrt{{(x_2-x_m)}^2+{(y_2-y_m)}^2+{(z_2-z_m)}^2}=d_{1,(2,m)}^{ce}\\ \sqrt{{(x_3-x_m)}^2+{(y_3-y_m)}^2+{(z_3-z_m)}^2}=d_{1,(3,m)}^{ce}\end{array}\right)---\left(13\right)$

本发明可实现远距离的高精度桥梁形变测量，解决了现有技术中桥梁形变监测系统布设复杂和成本高的问题，具有可连续、高频、实时、高精度等优点，满足桥梁形变实时、全天候、高精度、长期稳定自动监测的要求，实现了桥梁的健康监控。

附图说明

图1为设备安装俯视图；

图2是金码发生器的原理图；

图3是射频发射设备传送的数据码的组成图；

图4为载波、金码和数据码三者之间的关系图；

图5是传输给远程监控模块数据组成图；

图6是本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的说明：

本发明所述的基于射频相位测量技术的高精度桥梁形变检测方法，包括以下步骤：

(1)在桥梁每跨一侧桥墩(称为甲边)安装一台射频发射设备和一台射频接收设备，在另一侧桥墩(称为乙边)安装两台射频发射设备和一台射频接收设备，在跨中测量点安装若干台射频接收设备。

所有射频发射设备均发射两种频率的电磁波，其频率分别为f₁和f₂，f₁为精频，f₂为粗频，相应的波长分别为λ₁和λ₂，频率的选择原则如下：

λ₂＞D>

$\frac{{\lambda }_1}{2}\times M_1\le d---\left(2\right)$

$\frac{{\lambda }_2}{2}\times M_2<{\lambda }_1---\left(3\right)$

其中：d是测量要求的最小精度值；D是一个米数量级的值，此值不仅远远大于被测桥梁最大变形值，而且远远大于人工测量的误差值；M₁是频率f₁对应的测相精度，M₂是频率f₂对应的测相精度。

假设甲边的一台射频发射设备编号为1，一台射频接收设备编号为％1；乙边的两台射频发射设备编号分别为2、3，一台射频接收设备编号为％2；同一侧的射频发射设备和射频接收设备相隔距离D_1,％1、D_2,％2和D_3,％2满足以下条件：

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{1,\%1}<\frac{c}{f_2}---\left(4\right)$

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{2,\%2}<\frac{c}{f_2}---\left(5\right)$

$\frac{c}{f_2}\times M_2<D_{3,\%2}<\frac{c}{f_2}---\left(6\right).$

(2)桥梁每跨每一侧桥墩的射频接收设备接收来自同一跨同一侧桥墩的射频发射设备的射频信号，跨中测量点的射频接收设备接收来自同一跨两侧桥墩的射频发射设备的射频信号。射频接收设备可同时接收f₁和f₂的频率信号，处于甲边的射频接收设备每个频率只有1个信号通道，只接受甲边的射频发射设备的射频信号，处于乙边的射频接收设备每个频率有2个信号通道，只接受乙边的2台射频发射设备的射频信号。在跨中测量点固定安装相应的射频接收设备(设备编号：#1，#2，#3，…)可同时接收f₁和f₂的频率信号，每个频率有3个信号通道，分别接收3台射频发射设备的射频信号。

为实现数据的精确同步，射频信号数据由同步码、设备识别码和时间标示码组成。设计金码产生器，每台射频发射设备的产生的金码不同，金码产生后，对数据码进行扩频调制，然后用f₁和f₂频率信号做载波，对扩频调制信号进行BPSK调制，再发射出去。

(3)桥墩上的射频接收设备对射频信号进行相位测量，根据频率的特点，确定周整模糊度，从而确定每跨同侧桥墩的射频发射设备到射频接收设备的距离，根据此距离计算频偏。

射频接收设备收到射频信号后，通过混频剥离数字中频信号，根据金码确定信号通道，进行相关运算剥离信号中的金码，剩下的便是经BPSK调制的数据码；在解调的同时进行相位测量，得到f₁和f₂频率对应的相位差和将接收到的数据码再加上射频接收设备本身的设备识别码、和组成新的数据码，通过通信模块传输到远程监控模块进行数据处理。

假设射频发射设备j(j＝1,2,3)的发射频率f_i,(j)(i＝1,2)发生了频偏Δf_i,(j)，射频接收设备k(对于射频发射设备1，k＝％1；对于射频发射设备2和3，k＝％2)测量到相位差为则：

${\mathrm{\Delta d}}_{i,(j,k)}=d_{i,(j,k)}^{ac}-d_{i,(j,k)}^{ce}---\left(8\right)$

其中：c是真空中的光速，是测量的周整模糊度，为以频率f_i,(j)+Δf_i,(j)测量的射频发射设备设备j和射频接收设备k之间的距离，为实际距离；

用下式计算频偏：

其中：表示实际频率。

由于D是一个米数量级的值，远远大于人工测量的误差值，根据(4)、(5)和(6)式规定的条件，可由人工测量的方法确定

(4)根据频偏对两侧桥墩的射频发射设备分别到跨中测量点的射频接收设备的实测距离进行修正。

两侧桥墩的射频发射设备j分别到跨中测量点的射频接收设备m(m＝#1,#2,#3,…)的实测距离为：

其中：为周整模糊度，为相位差。

对于频率f₂来说，其测相时周整模糊度可以人工测量的方法获得，由于测量精度不同以及和有两种关系：

①此时

所以取满足式(11)的最大值；

②此时

所以取满足式(12)的最小值；

确定好后，由式(10)计算出

(5)根据步骤(4)修正后的实测距离计算出跨中测量点的射频接收设备的位置坐标值。

在已知射频发射设备的j坐标(x_j,y_j,z_j)的条件下，m的坐标(x_m,y_m,z_m)可以由下式确定

$\left(\begin{array}{c}\sqrt{{(x_1-x_m)}^2+{(y_1-y_m)}^2+{(z_1-z_m)}^2}=d_{1,(1,m)}^{ce}\\ \sqrt{{(x_2-x_m)}^2+{(y_2-y_m)}^2+{(z_2-z_m)}^2}=d_{1,(2,m)}^{ce}\\ \sqrt{{(x_3-x_m)}^2+{(y_3-y_m)}^2+{(z_3-z_m)}^2}=d_{1,(3,m)}^{ce}\end{array}\right)---\left(13\right)$

(6)根据跨中测量点的射频接收设备的位置坐标值计算桥梁形变值。

实施例一

如图1所示，考虑一座桥梁的某一跨，其跨度为300m，在桥跨的一边固定安装1台射频发射设备(甲边，编号：1)，另一边就固定安装2台(乙边，编号：2，3)，两个公用射频频率为315MHz和433MHz，两个频率可以组合成f₁＝748MHz为精频，f₂＝118MHz为粗频；两边桥墩各边固定安装1台射频接收设备(甲边编号：％1，乙边编号：％2)，射频接收设备离射频发射设备距离大于0.4m，甲边的射频接收设备有2个信号通道，甲边的射频接收设备有1个信号通道；在跨中安装1台射频接收设备(编号：#1)，此接收机有3个信号通道。

射频发射设备1根据图2原理图产生金码，此时最左边开关合上，其余断开，射频发射设备2根据图2原理图产生金码，此时左边第2个开关合上，其余断开，射频发射设备3根据图2原理图产生金码，此时左边第3个开关合上，其余断开；按图3填写数据码，射频发射设备1的射频发射设备识别码为00000001，射频发射设备2的射频发射设备识别码为00000010，射频发射设备3的射频发射设备识别码为00000011；时间标识码从00000000开始按顺序加1填写，到11111111加1重新变成00000000。按照图4用金码对数据码进行扩频调制，然后用f₁和f₂频率信号做载波，对扩频调制信号进行BPSK调制，再发射出去。

由于射频发射设备1和射频接收设备％1距离固定，根据式(9)可以确定射频发射设备1的f₁和f₂的频偏；同样原理可以确定射频发射设备2和3的f₁和f₂的频偏。

射频接收设备#1对粗频率的测相精度M＝1/100，对精频率的测相精度M＝1/100，粗频测量的尺度范围0.0125-2.5m，精频测量的尺度范围0.002-0.4m。由于λ₂≥2.5m，远远大于桥梁的最大变形(桥梁的最大变形为毫米数量级，而且也远远大于人工检测的误差值)，所以射频发射设备1、2、3用粗频f₂测量射频接收设备#1距离时的周整模糊度可通过人工测量方法获得，据此得到的距离为粗距；然后用精频测量距离，可以得到值，最终得到亚毫米级的距离。

根据图5，填写相应的数据，其中射频接收设备#1的射频接收设备识别码为00000001。

按照图6，将数据通过通信设备传到管理设备，管理设备根据接收到的数据，按照设备标识码、时间标识码对数据进行分组，然后根据公式(13)计算出射频接收装备#1的坐标位置，得到桥梁形变值。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变和变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。