本發(fā)明涉及橋梁監(jiān)控和射頻測距領(lǐng)域，尤其涉及一種基于射頻相位測量技術(shù)的高精度橋梁形變檢測方法。
背景技術(shù)：
：在橋梁的建設(shè)和運營期間，對大型橋梁進行實時的形變監(jiān)測是非常必要的。通過對大型橋梁結(jié)構(gòu)進行實時形變監(jiān)測，可以掌握橋梁的形變情況及形變規(guī)律，保證橋梁結(jié)構(gòu)能夠安全健康的運營，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生；另一方面通過形變監(jiān)測獲得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息對于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的驗證以及橋梁運營壽命和承載力的評估都具有重大的現(xiàn)實意義。目前，橋梁形變傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有傳感器、加速度計、常規(guī)大地測量技術(shù)、激光干涉儀、常規(guī)大地測量(全站儀、精密水準(zhǔn)儀)等；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及空間技術(shù)的進步，出現(xiàn)了GPS技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)等現(xiàn)代測量方法。這些測量方法盡管有其各自特點和應(yīng)用環(huán)境，但也存在其局限性，不能完全滿足橋梁振動的連續(xù)性(多點)、高頻性(高頻)、實時性(動態(tài))測量的要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于射頻相位測量的可連續(xù)、高頻、實時、高精度橋梁形變檢測方法，滿足橋梁形變實時、全天候、高精度、長期穩(wěn)定自動監(jiān)測的要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：基于射頻相位測量技術(shù)的高精度橋梁形變檢測方法，包括以下步驟：(1)在橋梁每跨一側(cè)橋墩安裝一臺射頻發(fā)射設(shè)備和一臺射頻接收設(shè)備，在另一側(cè)橋墩安裝兩臺射頻發(fā)射設(shè)備和一臺射頻接收設(shè)備，在跨中測量點安裝若干臺射頻接收設(shè)備；(2)橋梁每跨每一側(cè)橋墩的射頻接收設(shè)備接收來自同一跨同一側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號，跨中測量點的射頻接收設(shè)備接收來自同一跨兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號；(3)橋墩上的射頻接收設(shè)備對射頻信號進行相位測量，根據(jù)頻率的特點，確定周整模糊度，從而確定每跨同側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備到射頻接收設(shè)備的距離，根據(jù)此距離計算頻偏；(4)根據(jù)頻偏對兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備分別到跨中測量點的射頻接收設(shè)備的實測距離進行修正；(5)根據(jù)步驟(4)修正后的實測距離計算出跨中測量點的射頻接收設(shè)備的位置坐標(biāo)值；(6)根據(jù)跨中測量點的射頻接收設(shè)備的位置坐標(biāo)值計算橋梁形變值。進一步的，所有射頻發(fā)射設(shè)備均發(fā)射兩種頻率的電磁波，其頻率分別為f1和f2，f1為精頻，f2為粗頻，相應(yīng)的波長分別為λ1和λ2，頻率的選擇原則如下：λ2＞D(1)λ12×M1≤d---(2)]]>λ22×M2<λ1---(3)]]>其中：d是測量要求的最小精度值；D是一個米數(shù)量級的值，此值不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測橋梁最大變形值，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工測量的誤差值；M1是頻率f1對應(yīng)的測相精度，M2是頻率f2對應(yīng)的測相精度。進一步的，假設(shè)一側(cè)橋墩的一臺射頻發(fā)射設(shè)備編號為1，一臺射頻接收設(shè)備編號為％1；另一側(cè)橋墩的兩臺射頻發(fā)射設(shè)備編號分別為2、3，一臺射頻接收設(shè)備編號為％2；同一側(cè)的射頻發(fā)射設(shè)備和射頻接收設(shè)備相隔距離D1,％1、D2,％2和D3,％2滿足以下條件：cf2×M2<D1,%1<cf2---(4)]]>cf2×M2<D2,%2<cf2---(5)]]>cf2×M2<D3,%2<cf2---(6)]]>進一步的，射頻信號是由數(shù)據(jù)碼經(jīng)過金碼擴頻調(diào)制后，再經(jīng)過載波BPSK調(diào)制而成。進一步的，步驟(3)中，假設(shè)射頻發(fā)射設(shè)備j(j＝1,2,3)的發(fā)射頻率fi,(j)(i＝1,2)發(fā)生了頻偏Δfi,(j)，射頻接收設(shè)備k(對于射頻發(fā)射設(shè)備1，k＝％1；對于射頻發(fā)射設(shè)備2和3，k＝％2)測量到相位差為則：Δdi,(j,k)=di,(j,k)ac-di,(j,k)ce---(8)]]>其中：c是真空中的光速，是測量的周整模糊度，為以頻率fi,(j)+Δfi,(j)測量的射頻發(fā)射設(shè)備j和射頻接收設(shè)備k之間的距離，為實際距離；用下式計算頻偏：其中：表示實際頻率；由于D是一個米數(shù)量級的值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工測量的誤差值，根據(jù)(4)、(5)和(6)式規(guī)定的條件，由人工測量的方法確定以及進一步的，步驟(4)中兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備j分別到跨中測量點的射頻接收設(shè)備m(m＝#1,#2,#3,…)的實測距離為：其中：為周整模糊度，為相位差。進一步的，對于頻率f2來說，其測相時周整模糊度通過人工的方法獲得，由于測量精度不同以及和有兩種關(guān)系：③此時所以取滿足式(11)的最大值；④此時所以取滿足式(12)的最小值；確定好后，由式(10)計算出進一步的，步驟(5)中，在已知射頻發(fā)射設(shè)備j的坐標(biāo)(xj,yj,zj)的條件下，射頻接收設(shè)備m的坐標(biāo)(xm,ym,zm)可以由下式確定：(x1-xm)2+(y1-ym)2+(z1-zm)2=d1,(1,m)ce(x2-xm)2+(y2-ym)2+(z2-zm)2=d1,(2,m)ce(x3-xm)2+(y3-ym)2+(z3-zm)2=d1,(3,m)ce---(13)]]>本發(fā)明可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高精度橋梁形變測量，解決了現(xiàn)有技術(shù)中橋梁形變監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)復(fù)雜和成本高的問題，具有可連續(xù)、高頻、實時、高精度等優(yōu)點，滿足橋梁形變實時、全天候、高精度、長期穩(wěn)定自動監(jiān)測的要求，實現(xiàn)了橋梁的健康監(jiān)控。附圖說明圖1為設(shè)備安裝俯視圖；圖2是金碼發(fā)生器的原理圖；圖3是射頻發(fā)射設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)碼的組成圖；圖4為載波、金碼和數(shù)據(jù)碼三者之間的關(guān)系圖；圖5是傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)組成圖；圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。具體實施方式下面將結(jié)合附圖以及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明：本發(fā)明所述的基于射頻相位測量技術(shù)的高精度橋梁形變檢測方法，包括以下步驟：(1)在橋梁每跨一側(cè)橋墩(稱為甲邊)安裝一臺射頻發(fā)射設(shè)備和一臺射頻接收設(shè)備，在另一側(cè)橋墩(稱為乙邊)安裝兩臺射頻發(fā)射設(shè)備和一臺射頻接收設(shè)備，在跨中測量點安裝若干臺射頻接收設(shè)備。所有射頻發(fā)射設(shè)備均發(fā)射兩種頻率的電磁波，其頻率分別為f1和f2，f1為精頻，f2為粗頻，相應(yīng)的波長分別為λ1和λ2，頻率的選擇原則如下：λ2＞D(1)λ12×M1≤d---(2)]]>λ22×M2<λ1---(3)]]>其中：d是測量要求的最小精度值；D是一個米數(shù)量級的值，此值不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測橋梁最大變形值，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工測量的誤差值；M1是頻率f1對應(yīng)的測相精度，M2是頻率f2對應(yīng)的測相精度。假設(shè)甲邊的一臺射頻發(fā)射設(shè)備編號為1，一臺射頻接收設(shè)備編號為％1；乙邊的兩臺射頻發(fā)射設(shè)備編號分別為2、3，一臺射頻接收設(shè)備編號為％2；同一側(cè)的射頻發(fā)射設(shè)備和射頻接收設(shè)備相隔距離D1,％1、D2,％2和D3,％2滿足以下條件：cf2×M2<D1,%1<cf2---(4)]]>cf2×M2<D2,%2<cf2---(5)]]>cf2×M2<D3,%2<cf2---(6).]]>(2)橋梁每跨每一側(cè)橋墩的射頻接收設(shè)備接收來自同一跨同一側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號，跨中測量點的射頻接收設(shè)備接收來自同一跨兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號。射頻接收設(shè)備可同時接收f1和f2的頻率信號，處于甲邊的射頻接收設(shè)備每個頻率只有1個信號通道，只接受甲邊的射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號，處于乙邊的射頻接收設(shè)備每個頻率有2個信號通道，只接受乙邊的2臺射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號。在跨中測量點固定安裝相應(yīng)的射頻接收設(shè)備(設(shè)備編號：#1，#2，#3，…)可同時接收f1和f2的頻率信號，每個頻率有3個信號通道，分別接收3臺射頻發(fā)射設(shè)備的射頻信號。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確同步，射頻信號數(shù)據(jù)由同步碼、設(shè)備識別碼和時間標(biāo)示碼組成。設(shè)計金碼產(chǎn)生器，每臺射頻發(fā)射設(shè)備的產(chǎn)生的金碼不同，金碼產(chǎn)生后，對數(shù)據(jù)碼進行擴頻調(diào)制，然后用f1和f2頻率信號做載波，對擴頻調(diào)制信號進行BPSK調(diào)制，再發(fā)射出去。(3)橋墩上的射頻接收設(shè)備對射頻信號進行相位測量，根據(jù)頻率的特點，確定周整模糊度，從而確定每跨同側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備到射頻接收設(shè)備的距離，根據(jù)此距離計算頻偏。射頻接收設(shè)備收到射頻信號后，通過混頻剝離數(shù)字中頻信號，根據(jù)金碼確定信號通道，進行相關(guān)運算剝離信號中的金碼，剩下的便是經(jīng)BPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)碼；在解調(diào)的同時進行相位測量，得到f1和f2頻率對應(yīng)的相位差和將接收到的數(shù)據(jù)碼再加上射頻接收設(shè)備本身的設(shè)備識別碼、和組成新的數(shù)據(jù)碼，通過通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控模塊進行數(shù)據(jù)處理。假設(shè)射頻發(fā)射設(shè)備j(j＝1,2,3)的發(fā)射頻率fi,(j)(i＝1,2)發(fā)生了頻偏Δfi,(j)，射頻接收設(shè)備k(對于射頻發(fā)射設(shè)備1，k＝％1；對于射頻發(fā)射設(shè)備2和3，k＝％2)測量到相位差為則：Δdi,(j,k)=di,(j,k)ac-di,(j,k)ce---(8)]]>其中：c是真空中的光速，是測量的周整模糊度，為以頻率fi,(j)+Δfi,(j)測量的射頻發(fā)射設(shè)備設(shè)備j和射頻接收設(shè)備k之間的距離，為實際距離；用下式計算頻偏：其中：表示實際頻率。由于D是一個米數(shù)量級的值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工測量的誤差值，根據(jù)(4)、(5)和(6)式規(guī)定的條件，可由人工測量的方法確定(4)根據(jù)頻偏對兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備分別到跨中測量點的射頻接收設(shè)備的實測距離進行修正。兩側(cè)橋墩的射頻發(fā)射設(shè)備j分別到跨中測量點的射頻接收設(shè)備m(m＝#1,#2,#3,…)的實測距離為：其中：為周整模糊度，為相位差。對于頻率f2來說，其測相時周整模糊度可以人工測量的方法獲得，由于測量精度不同以及和有兩種關(guān)系：①此時所以取滿足式(11)的最大值；②此時所以取滿足式(12)的最小值；確定好后，由式(10)計算出(5)根據(jù)步驟(4)修正后的實測距離計算出跨中測量點的射頻接收設(shè)備的位置坐標(biāo)值。在已知射頻發(fā)射設(shè)備的j坐標(biāo)(xj,yj,zj)的條件下，m的坐標(biāo)(xm,ym,zm)可以由下式確定(x1-xm)2+(y1-ym)2+(z1-zm)2=d1,(1,m)ce(x2-xm)2+(y2-ym)2+(z2-zm)2=d1,(2,m)ce(x3-xm)2+(y3-ym)2+(z3-zm)2=d1,(3,m)ce---(13)]]>(6)根據(jù)跨中測量點的射頻接收設(shè)備的位置坐標(biāo)值計算橋梁形變值。實施例一如圖1所示，考慮一座橋梁的某一跨，其跨度為300m，在橋跨的一邊固定安裝1臺射頻發(fā)射設(shè)備(甲邊，編號：1)，另一邊就固定安裝2臺(乙邊，編號：2，3)，兩個公用射頻頻率為315MHz和433MHz，兩個頻率可以組合成f1＝748MHz為精頻，f2＝118MHz為粗頻；兩邊橋墩各邊固定安裝1臺射頻接收設(shè)備(甲邊編號：％1，乙邊編號：％2)，射頻接收設(shè)備離射頻發(fā)射設(shè)備距離大于0.4m，甲邊的射頻接收設(shè)備有2個信號通道，甲邊的射頻接收設(shè)備有1個信號通道；在跨中安裝1臺射頻接收設(shè)備(編號：#1)，此接收機有3個信號通道。射頻發(fā)射設(shè)備1根據(jù)圖2原理圖產(chǎn)生金碼，此時最左邊開關(guān)合上，其余斷開，射頻發(fā)射設(shè)備2根據(jù)圖2原理圖產(chǎn)生金碼，此時左邊第2個開關(guān)合上，其余斷開，射頻發(fā)射設(shè)備3根據(jù)圖2原理圖產(chǎn)生金碼，此時左邊第3個開關(guān)合上，其余斷開；按圖3填寫數(shù)據(jù)碼，射頻發(fā)射設(shè)備1的射頻發(fā)射設(shè)備識別碼為00000001，射頻發(fā)射設(shè)備2的射頻發(fā)射設(shè)備識別碼為00000010，射頻發(fā)射設(shè)備3的射頻發(fā)射設(shè)備識別碼為00000011；時間標(biāo)識碼從00000000開始按順序加1填寫，到11111111加1重新變成00000000。按照圖4用金碼對數(shù)據(jù)碼進行擴頻調(diào)制，然后用f1和f2頻率信號做載波，對擴頻調(diào)制信號進行BPSK調(diào)制，再發(fā)射出去。由于射頻發(fā)射設(shè)備1和射頻接收設(shè)備％1距離固定，根據(jù)式(9)可以確定射頻發(fā)射設(shè)備1的f1和f2的頻偏；同樣原理可以確定射頻發(fā)射設(shè)備2和3的f1和f2的頻偏。射頻接收設(shè)備#1對粗頻率的測相精度M＝1/100，對精頻率的測相精度M＝1/100，粗頻測量的尺度范圍0.0125-2.5m，精頻測量的尺度范圍0.002-0.4m。由于λ2≥2.5m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋梁的最大變形(橋梁的最大變形為毫米數(shù)量級，而且也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工檢測的誤差值)，所以射頻發(fā)射設(shè)備1、2、3用粗頻f2測量射頻接收設(shè)備#1距離時的周整模糊度可通過人工測量方法獲得，據(jù)此得到的距離為粗距；然后用精頻測量距離，可以得到值，最終得到亞毫米級的距離。根據(jù)圖5，填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其中射頻接收設(shè)備#1的射頻接收設(shè)備識別碼為00000001。按照圖6，將數(shù)據(jù)通過通信設(shè)備傳到管理設(shè)備，管理設(shè)備根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，按照設(shè)備標(biāo)識碼、時間標(biāo)識碼對數(shù)據(jù)進行分組，然后根據(jù)公式(13)計算出射頻接收裝備#1的坐標(biāo)位置，得到橋梁形變值。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其他各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3