引 言
笔者在微信公众号“桥梁检测百问”推送了一系列有关毫米波雷达技术的相关文章。不管是意大利的IBIS系列雷达以及国内现行的微波雷达或毫米波雷达对于微变形测量的产品均需要安装角反射器才能实施微变形的测量。安装角反射器可能要花费大量时间甚至在桥梁净空较高时可能会增加很大的成本。2019年4月笔者提出了基于无线网的毫米波雷达测试系统来针对中小跨径桥梁静动载试验的方案，经过近1年的实践该系统于2020年下半年已成功用于桥梁的静动载试验，极大的提高了检测效率，有很好的应用场景。笔者曾计划参加国内桥梁相关的技术交流，就把近年来的新产品同国内同行分享。由于疫情的原因做好的交流PPT并没有对外交流。本文结合PPT相关内容将最新的实践经验同大家分享，让读者提前了解新一代毫米波雷达的应用情况。在今后有机会参加学术交流会时，再将有关内容进行分享。
第1部分 毫米波雷达在国内外研究现状
1、雷达简介
雷达对目标进行探测的最基本的原理是射频前端发射调频电磁波，雷达系统再将接收到的回波与发射波进行对比或匹配处理，随后通过各种算法处理，可以得到目标的各种信息。
图1 雷达示意图
2、电磁波波段划分
电磁波的波长等于光速除以电磁波的频率，当电磁波的频率很大，大到处于 30 到 300GHz 时，这时的波长就只有毫米量级，这个波段就被称为毫米波段，这种雷达被称为毫米波雷达。
表1 电磁波波段划分
3、毫米波雷达
对于电磁波而言，频率和波长成反比，波长越趋近于直线传播，穿透能力也更强，但能量衰减也会随之变得严重。除此之外，因为波长短的原因，可以很大程度上缩短天线的尺寸，随之雷达模块也能够做的非常小。
图2 毫米波雷达示意
4、国外研究和发展的现状
毫米波雷达在 20 世纪出现，最开始它应用于船用导航，但由于当时无法克服其功率低和传输损耗大的缺陷，并没有被广泛使用。
20 世纪 60 年代，西方发达国家就开展了对车载毫米波雷达的研究，由于当时在技术条件有限，各国研制出的毫米波雷达有较大的差异，加之当时微波元器件的集成水平低，成本高，因此设计出的毫米波雷达尺寸较大，应用有限。
到了 70 年代中期，德国的AEG-Telefunken 和 Bosch 公司开始将毫米波雷达应用在汽车防撞中，但由于成本过于昂贵，这个计划也随之搁浅。20 世纪 70 年代至 80 年代，微波技术快速发展，毫米波相应技术也得到了快速进步，毫米波雷达逐渐运用于军事领域。
20 世纪 90 年代，毫米波汽车防撞雷达技术逐渐成熟，毫米波系列产品被逐步运用于民用汽车领域。90 年代，瑞典 Celsius Tech 公司基于 77GHz 毫米波雷达研制出了适用于高速公路的辅助驾驶系统，其毫米波雷达能实现 200m 内的目标检测功能；1999 年，德国奔驰汽车公司将 77GHz 毫米波雷达用于汽车的自主巡航控制系统。
进入 21 世纪，毫米波雷达高速发展，与 24GHz 毫米波雷达相比，77GHz毫米波雷达凭借在体积功耗、角分辨、测速能力上的优势逐步成为车载雷达的主流频点。奥托拉夫、大陆等企业大力发展 76GHz-77GHz 的毫米波雷达，2009年，欧盟率先发布了 77GHz-81GHz 毫米波雷达的运行标准，四年后又将车载雷达的使用频率于原先的 24GHz 频点调整为 79GHz 频点。
5、国内研究和发展的现状
相较于国外的研究，我国对于毫米波雷达的研究起步较晚，2012 年，工信部发布了《短距离车载雷达使用频率通知》，规定 24.25GHz-26.65GHz 频点用于24GHz短距离车载雷达使用。
我国对于车载毫米波雷达产品的研究主要集中在以华域汽车为首的高新汽车企业、中科院以及部分国内高校，其中华域汽车已经能够实现 24GHz 毫米波雷达的国产化，但受限于英飞凌、飞思卡尔等国外芯片厂商没有放开对 77GHz 毫米波雷达的相关知识产权，因此国内对 77GHz 毫米波雷达的研究还处于起步阶段，部分高校如南京理工大学、哈尔滨工业大学等对毫米波雷达天线模组与信号处理算法都进行了研究并取得了诸多成果。
第2部分 毫米波雷达原理
1、差分干涉测量原理
差分干涉测量技术主要通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量。雷达第一次发射和接收雷达波，确定了目标物所在的位置和波形相位信息；第二次发射和接收雷达波确定了第二个位置和相位信息，通过相位差确定精确的位移变化。理论上最小辨识的位移变化可达1mm，这个精度完全满足桥梁、建筑、高塔监测等业内的需求。
图3 雷达干涉测量原理示意图
图4 桥梁挠度测试几何示意图
通过该原理能够得到目标物在径向上的位移d，然后再依几何投影关系计算整个区域的位移。式中,dp为径向位移；r是从雷达发射接收器到测点的径向直线距离；h为被测点至雷达发射接收器单元的垂直高度。
2、振动频谱分析
毫米波雷达发射电磁波，遇到目标点后反射回来，得到相位变化；通过不断发射、反射得到一系列变化相位，从而计算出目标点的振动变化位移，经过FFT变换后，得到频域特征值。位移时程曲线经过时频变换，分析目标点的振动特征。
图5 振动频谱分析
第3部分 传统毫米波雷达在桥梁静载试验中的应用
1、在连续梁静载试验中的应用
峪道河大桥位于京加线，引桥为预应力混凝土连续箱梁(6×30m)。对引桥进行静载试验，引桥静挠度采用百分表和毫米波雷达分别测量。为了更好的与传统测量技术对比，在测点处安装角反射器，角反射器布置在连续箱梁底面，下图为连续梁采用毫米波雷达进行静载试验的现场照片，在桥下对各级加载过程进行连续测试。
图6 毫米波雷达在连续梁静载测试的照片
静载加载过程分为四级加载后一次卸载的方式，在测试过程中雷达法能实时显示整个加载过程中的挠度值。在加载测试过程中能明显发现各级加载后时程曲线呈明显的台阶状分布，选取对应时间点附近稳定波动曲线的平均值作为该级静载的挠度读数。
表2 静载试验结果精度对比表
由测试结果对比可知，各级加载挠度最大差值为-0.33mm，最小差值为0.06mm。此外最大加载4级的弹性挠度值两者之间的差值为0.06mm，以百分表的弹性挠度值为基准，相对误差为1%。
2、在斜拉桥静载试验中的应用
峪道河大桥位于京加线，主桥为预应力钢筋混凝土矮塔斜拉桥(30+60+120+60+30m)。对主桥进行静载试验，主桥静挠度采用桥梁挠度仪和毫米波雷达分别测量。为了更好的与传统测量技术对比，在测点处安装角反射器，角反射器布置在斜拉桥横梁侧面，桥梁挠度仪的靶标安装位置与角反射器位置相同。
图7 毫米波雷达在斜拉桥静载测试中的照片
峪道河大桥主桥斜拉桥的静载挠度测试采用雷达法和桥梁挠度仪法进行了对比试验。表中雷达测点3#点和4#点为跨中附近对称点，其挠度理论计算值相同，桥梁挠度仪靶标布置在3#测点。
表3 斜拉桥静载试验数据精度对比表
3#测点在4级加载下挠度仪测得的弹性挠度值为70.19mm，对应雷达测点弹性挠度值为70.19mm，两种方法测得的弹性挠度值相同; 3#和4#两对称测点的弹性挠度值相差0.14mm。说明对于大桥的静挠度测量，雷达同样能够获得较好的结果。
第4部分 新一代毫米波雷达发展及特点
传统毫米波雷达需要安装角反射器，需要大量时间和费用成本。笔者提出基于无线局域网、采用无角反射器的组建新一代毫米波雷达测试系统。
图8 传统毫米波雷达存在的问题？
图10 新一代毫米波雷达在地铁桥梁测试现场布置图
新一代毫米波雷达测试系统的现场操作步骤：
(1)在梁底测试截面下方布置毫米波雷达，调整雷达面对梁底面并打开电源开关；
(2)打开无线路由器，将雷达信号和笔记本电脑通过无线局域网连接；
(3)打开测试软件，设置串口并打开，选择采样频率；
(4)从雷达接收数据中选取一个信号最强的测点，该测点作为动挠度测试点；
(5)设置存储路径，开始采集。
图11 新一代毫米波雷达测试及结果展示图
第5部分 新一代毫米波雷达在桥梁检测中的应用
1、在桥梁静载试验中的应用
在桥梁静载试验中采用新一代毫米波雷达测试系统，通过无线局域网在桥下组成多点联网的挠度测试系统。下图是某简支梁桥采用新一代毫米波雷达测试过程中1个测点在静载加载、卸载过程中的时程曲线，时程曲线不仅可以动态反映整个试验过程中挠度的动态变化，同时可以很方便的提取各级加载、卸载稳定后的挠度值。
图12 新一代毫米波雷达测试静载试验的数据分析结果
2、桥梁动载试验中的应用
新一代毫米波雷达由于采样频率最大为50Hz，因此可以用于桥梁动态测试。
利用某种激振方法激起桥梁结构的振动，测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数、动力响应(加速度、动挠度)等参量的试验项目，从而宏观判断桥梁结构的整体刚度、运营性能。
图13 桥梁动载试验中跑车、跳车示意
(1)固有频率分析
通过对桥梁动挠度时程曲线进行FFT分析，可以得到桥梁频谱图，通过滤波的方法可以得到桥梁的固有频率。
图14 毫米波雷达动挠度数据的FFT变换
(2)时程曲线的变换
通过位移、速度、加速度之间的积分、微分关系，可以从挠度时程曲线很方便的变换成速度时程曲线和加速度时程曲线。相反传统的振动方法测得的速度、加速度时程曲线很难准确的通过积分得到真实的位移时程曲线，这有一个限制条件：加速度和速度传感器必须具有低频的特性，否则车辆通过时准静态位移变化(低频量)不能积分得到，仅能得到高频的位移信息；此外还需要特定的算法才能实现。
图 15 毫米波雷达的挠度时程曲线转换成速度时程曲线
图 16 毫米波雷达的挠度时程曲线转换成加速度时程曲线
(3)阻尼比分析
通过桥梁挠度时程曲线的滤波得到单一频率下的波形图，可以利用阻尼比的定义对桥梁某一频率下的阻尼比进行分析。
图17 毫米波雷达动挠度数据进行阻尼比分析示意图
(4)冲击系数分析
利用新一代毫米波雷达在跑车工况下的挠度时程曲线，首先对挠度时程曲线进行拟合得到准静态作用下分量的分析，根据冲击系数的概念可以很方便的计算桥梁的冲击系数。
图18 毫米波雷达动挠度数据进行冲击系数分析示意图
(5)挠度影响线的分析
微信公众号已经推送了多篇文章介绍影响线的测试、提取的方法，下图为北京市某桥梁通过新一代毫米波雷达系统的测试数据提取的多片梁的挠度影响线。
图19 新一代毫米波雷达数据分析得到的4片梁挠度影响线
第6部分 新一代毫米波雷达应用展望
(1)运营状态下中小桥梁的动挠度定期监测，研究桥梁结构的退化性能；
(2)定期监测结合车辆统计，估算桥上通过的车辆重量；
(3)桥梁承载能力快速评定研究；
(4)桥梁动挠度振动幅值研究。
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