应用
2021年3月1日，交通运输办公厅印发了《公路长大桥梁结构健康监测系统建设试试方案》的通知，交通部要求在“十四五”期间组织开展跨江跨海下路等长大桥梁结构健康监测系统建设，桥梁结构健康监测的重要性进一步提升。
毫米波雷达作为结构健康监测中动位移、索力检测、沉降监测的重要手段，其应用越来越广泛，尤其是毫米波雷达，由于其具有全天候、非接触、高精度、高效率、低功耗、多普勒分辨率高
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的优势，受光线、灰尘、刮风等恶劣天气影
响小，一致性好，位移测量精度可达0.02mm，频率测量精度可达2‰F.S，测量精度高，可以多目标同步测量，提高工作效率等优点，可以广泛用于桥梁、涵洞位移监测和检测。与其他传感器系统比较，毫米波雷达有如下优点：
（1）高分辨率，小尺寸；由于天线和其他的微波元器件尺寸与频率有关，因此毫米波雷达的天线和微波元器件可以较小，小的天线尺寸可获得窄波束。
（2）干扰，大气衰减虽然限制了毫米波雷达的性能，但有助于减小许多雷达一起工作时的相互影响。
（3）与常常用来与毫米波雷达相比的红外系统相比，毫米波雷达是可以直接测量距离和速度信息。
所谓毫米波雷达是使用工作频段为30~300GHz、毫米波波长为1~10mm的雷达。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。
毫米波雷达微波雷达检测仪能够实现对结构动位移的高精度检测，采样速率可达1000Hz，动位移精度可达（0.01+L/1500）mm, L:(0-350mm)，且能够实现多
点同时测量，在桥梁、涵洞和高层建筑工程中可用于结构的变形监测和动静位移监测。
波段代号 标称波长（cm） 频率（GHz） 波长范围（cm）
P L S C X KU K KA U V 22 10 5 3 2 1.25 0.8 0.6 0.4 0.23-1 1-2 2-4 4-8 8-12 12-18 18-27 27-40 40-60 60-80 130-30
30-15 15-7.5 7.5-3.75 3.75-2.5 2.5-1.67 1.67-1.11 1.11-0.75 0.75-0.5 0.5-0.375 W 0.3 80-100 0.375-0.3 毫米波雷达在结构监测中的应用主要涉及几个方面：结构基频分析，阻尼比分析，动力冲击系数分析，挠度影响线测试分析，以及应用前景分析。
1.
结构基频分析
将动挠度时程曲线进行傅立叶变换，提取基频。结构基频就是结构本身最小的那个固有频率。一个连续体结构原则上有无穷多固有频率，但我们计算固有频率时，通常将结构离散成有限阶数的进行求解，而求出的最低的那个固有频率就是结构基频。结构基频关系到是不是易于遭受某种频率外载荷的共振破坏；在有限元分析中，结构基频也关系到你的某种设置的计算是否能够收敛。在最近发生的华强北赛格大厦的晃动问题，虎门大桥的涡激共振，均有机构基频有重要关系。将动挠度时程曲线进行傅里叶变换，可以提取基频。
1. 阻尼比分析
阻尼比是结构抗震设计时必须使用的结构特性指标，也是高层建筑设计中相当重要的设计参数，采用微波雷达可监测得到多阶自振信号，这些多阶自振信号叠加的波形通常首先分离为单一频率的自振信号，可计算阻尼比。
1.
桥梁索力分析
微波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，对测试时程曲线进行傅里叶变换得出拉索振动频率，进而计算拉索的索力。雷达发出的微波呈扇形分布，在一定距离范围，若有多个测点在扇形区域内即可同时测得多根拉索的索力。该种测试方法最大的优点是非接触测量、测试效率高、同时实现多根拉索同步测量、测试精度高等。
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图1：同时进行索力检测示例
图2：索力检测采集软件示例
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结构变形监测
结构变形监测就是利用专用的仪器设备和方法对结构物的变形情况进行持续观测、对结构物变形形态进行分析、变形的发展态势进行预测等各项工作。结构变形监测首先要建立变形监测基准系统，然后进行位移、沉降、倾斜、裂缝、挠度、振动、应力等监测。
结构变形监测主要由挠度测试、应变测试和振动测试，挠度测试有静态挠度测试和动态挠度测试，其中静态和动态挠度测试和振动测试均可以采用毫米波雷达进行监测。
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结构主动防撞监测
近些年来，随着我国交通事业的大力发展，车辆、船舶的超载超限导致撞桥事故频频发生，对桥梁造成了严重危害。对于撞桥事故的处理，第一时间获知事
故信息从速处置，以免造成其他连带后续事故发生显得尤为重要，桥梁防撞自动监测系统为处理此类事故提供了可行方案。
激光雷达在车辆的主动防撞没主动安全控制系统人机交互领域有着比较好的应用，但是在结构主动防撞方面，毫米波雷达越来越广泛的应用与桥梁桥墩防撞系统，船舶主动防撞系统，当船舶与桥梁之间的距离达到某个阈值时，可以实时告警，以达到主动安全的目的。
桥梁防撞自动监测系统，通过碰撞监测、视频监控、无线传输和远程控制等技术手段，确保管理部门能在桥梁被撞第一时间接收到短信和图片信息，以便立刻采取封锁桥梁通行和航道通行等紧急措施，避免次生灾害事故发生，同时事后可通过该系统查看视频记录，作为凭证，追究肇事车辆或肇事船舶的法律责任。在主动防撞算法中，后端算法占整个毫米波雷达成本的比例高。针对毫米波雷达，毫米波雷达防撞系统，国内研究人员从频域、时域、时频分析多个角度提出了大量的算法，离线实验的精度也较高。但是，国内的雷达产品主要采用基于频域的快速傅里叶变换及其改进算法进行分析，测量精度和适用范围有一定局限性而国外算法受严格保护。
图三：雷达测试船只防撞图
1.
地铁沉降检测
建筑物沉降观测方法有很多，一般土体分层沉降应采用钻孔埋设分层沉降标或杆式多点位移计进行监测。埋设测点时，在隧道两侧的钻孔深度应超过隧道底
板2-3m，而位于隧道顶部的钻孔深度应在隧道拱顶之上1-2m，测点的埋设稳定期应视不同地层情况在10天~30天之间。采用毫米波雷达可以进行地铁沉降检测，测量隧道顶部到测点之间的动态位移，生成时间位移曲线，结合实际状态，采用大数据分析的方法，分析地铁隧道的收敛情况和结构安全情况。
1.
机场滑行跑道跨线桥动位移监测
飞机滑行对于跨线桥的影响，需要实时的监测方法，我们采用毫米波雷达技术用于机场滑行跑道跨线桥的动位移监测，得到飞机场滑行跑道跨线桥动位移测量图，如图四所示。
图四：飞机场滑行跑道跨线桥动位移测量
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应用前景分析
毫米波雷达在构筑物在线监测中的应用是十分广泛的，可以用于桥梁涵洞，高层建筑，地铁施工，人防工程中的结构分析，隧道收敛分析，边坡检测，在应用过程中关于传统仪器相比不仅精度可以满足要求，而且操作方便，适合于结构定期监测和评估工作。
参考文献
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