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原文传递多目标毫米波雷达的桥梁结构健康监测研究

论文题名：	多目标毫米波雷达的桥梁结构健康监测研究
关键词：	桥梁结构;健康监测;FMCW毫米波雷达;多目标精密测距
摘要：	科技的进步与社会的不断发展，推动着交通事业的蓬勃发展，桥梁作为基础设施的一部分，对交通运输有着重要的意义，也因此，桥梁结构的安全性与耐久性逐渐成为人们关注的热点。现代桥梁健康监测技术对监测手段的精密、便捷、成本等提出了更高的要求，传统的监测手段难以满足工程的需求，因此，亟需一种新的技术手段来满足现代健康监测的需求。调频连续波（Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW）毫米波雷达技术的快速发展，使得其开始进入人们的视线，其安装简单、测量精度高、能够进行多目标测量等特点，将其运用到桥梁结构健康监测领域有着重要的意义。因此，本文以FMCW毫米波雷达为研究对象，围绕FMCW毫米波雷达的基础理论、多目标精密测距算法、FMCW毫米波雷达结构健康监测系统的构建、健康监测系统在实际工程领域的应用等方面进行展开研究，通过实际工程案例，充分证明了其能够在桥梁结构健康监测领域实现多目标、高精度的应用。论文的主要研究工作及成果包括：　　（1）介绍了毫米波雷达的基础理论，包括雷达体制、探测性能、FMCW雷达调制波形，硬件结构、基本工作原理等。以锯齿形FMCW毫米波雷达为研究对象，对其测距原理进行了详细论述，包括单目标、多目标中频信号数学模型，以及从中频信号中获取目标距离的FFT算法，分析了其算法本身影响测距精度的“栅栏效应”，推导了雷达的距离分辨率，并对频率相位灵敏度进行了对比，最后介绍了FMCW雷达测距的硬件误差来源。　　（2）针对FMCW毫米波雷达多目标精密测距算法中目标识别的问题，介绍了目标识别中的均值类（ML）CFAR和（OS）CFAR算法；针对其精密测距算法问题，介绍并详细推导了频率法精密测距算中的FT频谱细化算法及Rife算法；相位法精密测距中的相位差法和相位法，并从理论上证明了相位法的精度高于频率法。由此提出了基于OS-CFAR目标识别的相位法多目标精密测距的策略，进行了仿真实验。实验结果表明，该算法能够在准确识别目标的基础上，实现多目标的精密测距。　　（3）基于多目标测距算法，利用IWR1843毫米波雷达开发板、DCA1000数据采集板、角反射器、自主开发软件等搭建了FMCW毫米波雷达结构健康监测系统。详细介绍了系统的组成，包括FMCW毫米波雷达信号前端、数据采集板卡、雷达角反射器、供电模块等硬件，mmWave Studio参数配置软件及自主开发mmWave Detection数据处理软件。并对该系统进行了静态和动态测试，实验结果表明本系统在多目标静态测试中的内符合精度能够达到10um；在动态测试中，能够准确探测到50um的微小形变，可以应用于实际工程。　　（4）基于FMCW毫米波雷达结构健康监测系统，提出了多目标雷达布置方案，开展了高速铁路简支梁桥多目标振动监测试验，从监测数据中成功获取了车辆通过时的桥梁的动挠度响应曲线、桥梁振动频率以及分析了冲击系数，结果表明，高速铁路简支梁桥的各项参数均满足现行规范要求；开展了高速公路连续梁桥的多目标振动监测试验，对监测梁段的2#、3#、4#、5#梁进行监测，获取了桥梁的动挠度响应曲线，并从动挠度响应曲线中成功提取到了桥梁的振动频率，其中最大动挠度发生在重型荷载通过时的2#、3#T梁，其满足现行规范要求，所测4榀T梁的自振频率基本一致，对监测梁段的冲击系数进行了计算，满足规范要求，说明该梁段整体结构完好。试验证明了本系统的准确性与可靠性。
作者：	孔毅
专业：	大地测量学与测量工程
导师：	刘志平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022