桥梁振动监测雷达的设计与实现

近年来，我国桥梁建设和发展成绩显著，得到了世界的广泛认可。目前，我国桥梁总数位居世界第一，但因桥梁老龄化及服役条件恶化等导致的桥梁安全问题日益突出，因此，桥梁的监测和维护愈发重要[1-2]。桥梁振动时多通过水准仪、经纬仪、GPS等手段对桥梁的特征点进行测量，再通过平差计算处理[3]。这些方法具有成本高、工作环境恶劣、采样困难等缺点。

基于线性调频连续波(linear frequency modulation continuous wave，LFMCW)雷达的微形变检测方法将调频连续波技术和干涉测量技术相结合，能够对某一区域的形变状态进行灵活、直接的观测，具有操作方便、精度高、重复观测周期短等优点[4]。同时，其非接触式的测量方式避免了桥梁检测过程中的高空作业，提高了检测过程的安全性。此外，该系统具有全天时、全天候、携带方便、安装灵活等优点，不但具有很高的应用价值，而且其毫米级的高精度形变检测能力有利于桥梁健康状态的早期评估[5]。

国外在干涉雷达测形变方面都进行了初步的研究，如IDS公司和意大利佛伦萨大学合作研制的IBIS系列雷达系统，其可应用于高层建筑、大型桥梁及矿山等区域的监测中[6-7]。而国内，干涉雷达系统的研究起步比较晚，大多系统仍处于实验室研究的阶段[8]，还未出现能应用于市场的成熟产品。

本文首先给出该桥梁振动检测雷达的原理；然后简要介绍该雷达的系统组成部分及其设计过程；最后通过该雷达对北京地铁13号线北四环桥的振动监测进行试验，以验证该雷达测量桥梁形变状态的准确性和有效性。

1 基本原理

雷达向目标发射电磁波，其波形如图1(a)所示。

在小学科学课程教学过程中，教师要充分地认识到学生是学习的主体，要让他们更好地参与到学习活动中。当教师采取有效的教学方式调动起学生的积极性时，学生就能带着一种探究的理念进行学习，在收获知识的同时获得主动学习的动力。探究式教学充分体现了这种新的育人理念，这场教育变革给我们教师带来了不可多得的机遇，同时也对我们提出了更高的能力要求。针对当前小学科学教学的现实情况和学生素质发展水平，探究式教学将是这次教学改革的主旋律，而我们教师的各种素质又是影响探究教学能否顺利实施的一个重要因素。所以，关于如何在小学科学课程中开展探究式教学，笔者谈谈自己的想法。

发射信号周期为Tp的线性连续调频正弦波，其中心频率为fc，带宽为B，频率变化的斜率为γ。则发射信号的瞬时频率表达式为

f(t)=fc+γt |t|<tp/2

(1)

某一时刻t，该发射信号为

(2)

式中，t′=t-nTp。

发射波到达目标后被反射回接收天线，其信号传输路径如图1(b)所示。雷达根据回波与发射信号之间混频得到的差频，计算目标与雷达的距离[9]。当目标与雷达的距离Rt发生变化时，如目标由距雷达R0的位置移动到距雷达R1的位置时，雷达根据回波之间的相位差可求得目标的位置变化Δr。

图1 信号及其传输路径

在某一时刻t，距雷达Rt处的目标回波为

(3)

此时，回波信号的相位为

(4)

式(4)的最后一项为非线性残余相位，可以通过“去斜”处理加以消除。同时，由于目标移动的距离较小，雷达收到同一目标回波的时刻差近似为0。因此，式(4)可以简化为式(5)，回波相位φ与目标与雷达的距离Rt呈线性关系。

(5)

当Rt不同时，回波之间的相位差与距离差之间的关系如下

(6)

2 系统设计

2.1 系统组成

线形调频连续波雷达由天线、射频模块、数据处理模块和频率合成器等构成，其系统组成如图2所示。为实现系统的小型化，系统采用了ka波段的调频连续波，其中心频率为36.05 GHz，带宽为300 MHz。与脉冲雷达相比，该信号体制下的雷达系统体积小，质量轻，抗干扰能力强。此时，由式(6)可求得一个相位周期内系统能够测得的桥梁形变范围。当相位差为360°时，该桥梁的形变约为4.6 mm。在实际应用中，桥梁的形变大小受列车重量、速度等因素的影响。因此，为扩展雷达的适用范围，数据处理过程中需要进行相位解缠的处理。

同时，系统测量相位差的精度与其信噪比(signal noise ratio，SNR)有关，二者之间的关系如下[10]

当k＜0，表示两物元处于相斥关系；当k=0，表示两物元处于相容关系；当k＞0，表示两物元处于关联关系。

Δφ2=1/(2·SNR)

(7)

当该雷达系统的信噪比在19 dB以上时，即其测量相位差的精度小于4.5°时，此雷达测量微位移的精度可达到50 μm。

以江西省井冈山市和抚州市南丰县军峰山作为研究地点，选择4个样地(表1)。研究区域均属于亚热带季风气候，年均温14.2 ～ 17℃，最低温-10 ～ -6℃，最高温38 ～ 39℃，年均降水量为1852.6 ～ 1875 mm。土壤为黄壤，一般为酸性[13]。区域内的典型植被为亚热带常绿阔叶林，优势种为马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)、长柄双花木和狗脊蕨(Woodwardia japonica(L. f.) Sm.)等[14]。

2.2 子模块及其关键技术

2.2.1 天 线

[2] 中国公路学会桥梁和结构工程分会.面向创新的中国现代桥梁[M].北京：人民交通出版社,2009.

1∶250 000比例尺图上面积大于2 mm2(实地面积125 000 m2)的水库依比例尺表示(按面采集)[2]。

由于雷达信号的发射和接收同时进行，因此，系统采用了分置的发射天线和接收天线，它们之间的隔离度为60 dB。同时，由于波导缝隙阵天线具有波束窄、指向性好、效率高、性能稳定、结构紧凑等优点，因此，系统采用了增益为25 dB的波导缝隙阵天线。

2.2.2 射频模块

[3] 曲世勃,王彦平,谭维贤,等.地基SAR形变监测误差分析与实验[J].电子与信息学报,2011,33(1):1-7.

图2 系统框架

接收模块主要由低噪声放大器、下变频器、带通滤波器、低通滤波器(low pass filter，LPF)、中频放大器和视频放大器等部分组成。低噪声放大器能够使得系统在含有复杂噪声的外界环境中接收到微弱的回波信号。下变频器完成“去斜”处理，生成无载波的信号。中频放大器采用自动增益控制，将不同幅度的回波信号放大到近似一致的范围，从而增大系统的检测范围。最后，信号经视频放大器传输给数据处理模块。

2.2.3 数据处理模块

综上，文中所提出的雷达系统能够对桥梁振动状态进行准确有效的监测。

从对表1 和表2 的分析归纳，可以看出，各企业开展领导人员网络培训所面临的问题和困惑有很多共同之处，而改进的意见建议也多是针对这些问题和困惑提出来的。通过这些分析，可以得出国有企业领导人员网络培训的关键要素，包括平台（Platform）、内容（Content）、工具（Tools）和管理（Management）四个方面，如图1 所示。

频率综合模块为系统生成稳定可靠的频率源。其基准为100 MHz的振荡源，后经分频器或锁相介质振荡器(phase locked dielectric resonator oscillator，PDRO)分成不同模块所需要的振荡信号。它不仅为发射链路的DDS信号发生器提供本振信号，也为上变频器提供载波信号。同时，其为数据处理模块提供中频信号，从而实现数据的间隔采样。图3(b)为频率综合模块的结构框图。其输出9.2 GHz的信号给射频模块，10 MHz的信号给外部仪器作为参考信号，100 MHz的信号给数据采样处理模块，1 GHz的信号给DDS作为本振信号。

图3 不同模块的结构框图

3 桥梁监测试验

3.1 试验条件

该桥梁监测雷达主要由以下部分组成：LFMCW一体化收发机、数据反演工作站等。本文以北京地铁13号线跨越北四环路的高架桥为研究对象，通过观测地铁通过该桥时的桥梁振动情况，验证该桥梁监测雷达的有效性。

该雷达采用了中心频率为36.05 GHz的调频连续波为发射信号，其带宽为300 MHz。同时，13号线地铁列车为B型地铁列车，其由4个长度为19 m的B型拖车和2个长度为19.5 m的带司机室的动车共同组成，车身总长度近似为116 m。

近日，国家医疗保障局印发了《关于将17种抗癌药纳入国家基本医疗保险、工伤保险和生育保险药品目录乙类范围的通知》，并同步确定了这些药品的医保支付标准。

2017年4月17日在13号线北四环桥附近，用该雷达监测系统对桥梁过车时的振动进行了监测。该桥梁竖向高度为14 m，横向跨度为84 m。桥梁监测系统安装在桥梁的一侧，观测区域为桥梁的中间。因此，雷达与观测区域的距离约为45 m。从列车即将到达桥梁开始，到桥梁趋于稳定，每次桥梁过车的监测时间约为70 s。由于每次桥梁过车时列车载重的不同，桥梁振动状态会产生变化，因此试验中分别监测不同时间多次桥梁过车的振动状态，再进行平均处理。

2.2.4 频率综合模块

3.2 试验结果

当列车通过桥梁时，桥梁受到列车给予的移动负荷激励，从而产生强迫振动[11]。该振动与列车对该桥的冲击系数、桥梁的结构及材料有关。同时，作为一个具有多个自由度的弹性系统，该桥梁存在自振现象。桥梁自振的频率可以通过车辆余振法测得[12]。

由雷达回波数据的相位信息求得桥梁过车时的竖向振动形变，如图4(a)所示。同时，通过傅里叶变换得到桥梁过车时的振动频谱，如图4(b)所示。

在评估刑事立法政策时，也应当按照刑事立法价值的三个层次的梯级结构逐步逐层进行。首先必须具有现实指导性和可行性，其次要有利于维持社会秩序，维护社会稳定。而最终要评价这一政策是否更多地从社会个体的角度去考虑政策施行的目的性和有效性，有利于维护社会和谐。如果特定的刑事立法政策有助于社会秩序的维护和公民权利的保障，使人们在日常生活中具有安全感，对自己及家人的人身及财产方面没有担忧，能够正常地开展日常生活和工作，社会管理井然有序地进行，那么这样的刑事立法政策就是一个“良策”，反之，则为“恶策”。

句(1)涉及的下雨地点是隐含的。就话语本身来说，这个地点在逻辑上可以是任何地方，但就交际意图来说，小王同学要“突显”的只能是语用上的一个地方。小王认为某地下雨这件事对本次旅行至关重要，必须告知有关同学，此时，小王就产生了交际意图，而且是真诚的意图。这一意图进而激发了他的言语行为，即用口头形式将含有其交际意图的语言编码传递给有关同学，即“It is raining”这一所言。

若分别对第10～20 s间的桥梁振动和第60～70 s的桥梁振动分别作线性调频Z变换，可得到如图5所示的振动频谱。

科技人员既是科技成果开发者，也是加快转化的促进者，虽然已出台政策明确保障科技人员在成果转化中的权益，但实际操作依然面临制度难点。高校和研究开发机构对科技成果转化人员的评价和管理制度不完善，“重论文、轻成果”“重立项申请、轻成果转化”等现象依然存在，一定程度影响了科技人员从事成果转化的积极性。

由图4(a)可得，桥梁的竖向震动幅度约为5 mm。该试验结果与文献[13]的研究结果一致。同时，桥梁约在10～20 s间振动明显，共用时10 s。由列车时速约为75 km/h得，该段时间内列车运行距离为200 m，即桥梁横向长度和列车车身长度的和。因此，该段时间为列车从车头接触桥梁到车尾离开桥梁的时间。由图4(b)可得，桥梁的振动频率有两处峰值，分别是较小的强迫振动频率(约0.2 Hz)和较高的桥梁自振频率(2 Hz)。根据相关桥梁振动研究，桥梁的强迫振动频率为列车经过车身长度所需要时间的倒数[14]，相应的频率为f=v/l。当列车速度为75 km/h时，桥梁的强迫振动频率约0.18 Hz。这与图4(b)中的试验结果一致。因此，该雷达能够准确测量桥梁的振动状态。

图4 桥梁振动测量结果

图5 桥梁在不同时间段的振动频谱

由图5(a)可得，在第10～20 s间，桥梁振动的主要成分为频率较小的桥梁强迫振动。由图5(b)可得，在第60～70 s间，桥梁振动的主要成分为频率较高的桥梁自振，这符合列车通过中等跨度桥梁时桥梁振动的特点[15-16]。

数据处理模块实现了雷达信号的采样及处理功能，不仅为发射链路的DDS提供触发控制信号，也为接收链路的中频放大器提供触发控制信号。采用现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)为控制器的数据处理模块能够监测信号幅度，控制中频放大器，实现自动增益控制(automatic gain control，AGC)功能。图3(a)为数据处理模块的结构框图。

2)市外电源方面，形成了2+X格局：(1)华东电网内的安徽煤电基地，(2)华东电网外的三峡和金沙江等西南水电，并在华东电网内参与建设核电、抽水蓄能等项目。

4 结 语

本文设计了一种基于雷达回波相位反演桥梁形变信息的桥梁振动监测系统。试验表明，所设计的雷达不仅能够准确有效地测量桥梁的振动状态，还能准确区分桥梁的强迫振动和自振。这为桥梁状态的精确监测提高了一种有效的手段。此外，该雷达不仅能够应用于桥梁状态的监测中，也适用于大坝、边坡、高层建筑等其他领域。

乡村旅游与精准扶贫融合发展模式，是不断探索、发展、创新、完善的迭代过程。很多贫困乡村地区由于信息交流不畅、地域相隔较远等原因，至今没有形成产业融合发展意识，主要体现在：乡村政府宣传不到位，引导力有限，内部分工也不明确，乡村旅游电子商务发展思路不清晰等。与此同时，乡村旅游与精准扶贫融合发展过程中还存在诸多问题，如资本限制、资金限制、权利限制、信息限制、人口素质限制、发展限制、基础设施限制等问题。这些都是由于乡村地区缺乏联动性造成的。

参考文献：

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在听说朱迪丝要结婚的消息后， 罗莎似乎也感受到了朱迪丝的幸福。她觉得日子“都浓缩为一个春天和一个夏天：这春夏属于每个呼吸在尘世上的女性”[2]136，尽管她不曾拥有一只花朵甚至一片树叶。她为了替朱迪丝准备嫁妆，甚至不惜从父亲的店铺里偷拿衣料，因为侄女的婚约也唤醒了她对爱的渴望。尽管她从未见过朱迪丝的未婚夫——邦，却对他产生了一种“替身式”的爱。连她自己都没有意识到，对邦的爱其实是她想要拥有婚姻和家庭这样欲望的觉醒，是她对生活中一直被否认的种种身份的渴求。

射频模块包括发射链路和接收链路两部分。其中，发射链路由直接数字式频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)、变频器、带通滤波器(band pass filter，BPF)、功率放大器和信号耦合器组成。基于专用DDS芯片的数字频率合成器设计灵活、功耗小，因此，系统采用了专用DDS芯片生成源信号。为了获得发射信号，系统将源信号经上变频，加入载频信号；然后经功率放大器，增大了信号的能量；最后通过耦合器，将大部分信号传输至发射天线，少量信号则传输至接收机，作为接收信号下变频时解调的参考信号使用。

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另外，政府及行业协会还应该积极举办低碳环保宣传活动，增强国民低碳意识，使企业、游客、社区居民能够在旅游的各个环节自觉践行节能减排的行动，真正实现旅游的绿色低碳可持续发展目标。

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