一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法及系统与流程

1.本发明涉及雷达监测技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法及系统。


背景技术：

2.随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出，目前，已建成的许多桥梁进入了养护维修阶段，国内桥梁突发性、灾难性事故日益增多，给人民生命财产造成了严重损失，为了预防灾难性事件的发生，对大型桥梁进行系统的监测，以实现预测、预报事故，防止灾害的发生，成为保证交通安全的重大课题。现有的桥梁安全监测大部分都是以人工进行监测为主，人工监测需要大量的人力物力，而且不能够及时地发现问题，且无法调节监测器的角度，桥梁周边的环境对监测数据的影响较大，导致监测数据也不够精准，也无法将桥梁的监测情况进行记录，于是科研人员提出了利用毫米波雷达来进行桥梁测距，其基于通过fmcw调制中频信号的频率然后进行成分分析，但是其受限于fft点数限制，测距精度不能深度细化从而导致最终测距结果不够精细，影响工作人员的后续决策。


技术实现要素：

3.针对上述所显示出来的问题，本发明提供了一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法及系统用以解决背景技术中提到的通过fmcw调制中频信号的频率然后进行成分分析受限于fft点数限制，测距精度不能深度细化从而导致最终测距结果不够精细，影响工作人员的后续决策的问题。
4.一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法，包括以下步骤：
5.根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数；
6.利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号；
7.接收每个采样点的角反射器反馈的chirp信号与回波信号混合的中频信号并对其进行预处理；
8.对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数。
9.优选的，所述根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数，包括：
10.获取目标桥梁的初始设计参数，根据所述初始设计参数和目标桥梁的三维视图确定其结构参数；
11.根据所述结构参数计算出包含目标桥梁结构的最小长方形面积；
12.基于所述最小长方形面积和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器的采样数量；
13.根据每个角反射器的工作区域内每个子区域对于毫米波雷达的毫米波反射情况
确定每个采样点的角反射器的最佳安装位置。
14.优选的，所述利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号，包括：
15.计算每个采样点相对前一个相邻采样点的等效相位增量；
16.将所述前一个相邻采样点的第一等效相位与所述等效相位增量的累加和作为每个采样点的第二等效相位；
17.利用预设三角函数表基于每个采样点的等效相位确定与该采样点对应的的chirp信号的实部值和虚部值；
18.根据每个采样点对应的chirp信号的实部值和虚部值利用chirp信号发生器生成该采样点的chirp信号。
19.优选的，所述接收每个采样点的角反射器反馈的的中频信号并对其进行预处理，包括：
20.通过毫米波雷达生成毫米波发送信号；
21.将所述毫米波发送信号辐射到各个采样点并接收每个采样点上的角反射器反馈的回波信号；
22.检测所述回波信号的完整性，根据检测结果判断每个角反射器反馈的回波信号是否合格；
23.当确认合格后，利用每个采样点的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号并对其进行去噪优化预处理。
24.优选的，对每个中频回波信号进行去噪优化预处理，具体为：
25.根据每个中频回波信号和发射该中频回波信号的目标角反射器的信号波辐射参数构建每个中频回波信号的信号辐射轨道矩阵；
26.根据每个中频回波信号的信号值和该中频回波信号的信号辐射轨道矩阵确定矩阵参数；
27.通过所述矩阵参数确定信号辐射轨道矩阵的信号辐射机制；
28.获取每个中频回波信号对应的第一回波信号序列；
29.基于所述信号辐射机制确定每个中频回波信号的第一回波信号序列中的序列极值点到信号辐射机制对应的最高辐射信号点所在信号值区间内的目标序列信号值是否为噪音信号值，若是，对其进行剔除处理，若否，无需进行后续操作；
30.根据处理后的序列信号值生成每个中频回波信号对应的第二回波信号序列。
31.优选的，利用每个采样点的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号，具体为：
32.检测每个回波信号的信号频率，根据所述信号频率确定每个采样点的回波信号的扩频因子；
33.根据每个采样点的回波信号的扩频因子确定该采样点的chirp信号对回波信号的调制值；
34.根据所述调制值确定每个采样点的chirp信号的调制信号带宽；
35.生成每个采样点的调制信号带宽的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号。
36.优选的，对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参
数，包括：
37.根据所述预处理后的中频信号确定回波信号的波长；
38.根据回波信号的波长和回波信号的信号辐射速度以计算出每个回波信号从其对应的采样点到毫米波雷达的信号第一信号传输时长；
39.确定毫米波发送信号到每个采样点的第二信号传输时长；
40.根据所述第一信号传输时长和第二信号传输时长计算出毫米波雷达到每个采样点的信号往返时长；
41.根据所述信号往返时长以及光速计算出毫米波雷达到每个采样点的测绘距离。
42.优选的，所述方法还包括：
43.根据所述测距参数确定目标桥梁上每个点的辐射信号相位变化值；
44.根据每个点的辐射信号相位变化值确定该点的结构位移特征；
45.将每个点的结构位移特征进行整合以获得目标桥梁的桥梁位移特征；
46.基于所述桥梁位移特征，评估出目标桥梁的风险度和潜在安全威胁并将评估结果上传到工作人员所在终端。
47.优选的，所述根据每个点的辐射信号相位变化值确定该点的结构位移特征，包括：
48.对每个点的辐射信号相位变化值进行量化，获取量化结果；
49.将每个点的量化结果输入到预设可视度函数中获得该点的目标结构反演图像；
50.获取每个点的初始结构反演图像，将所述初始结构反演图像和目标结构反演图像进行对比，获取对比结果；
51.根据所述对比结果确定每个点的结构变化情况，基于所述结构变化情况确定该点的结构位移特征。
52.一种基于毫米波雷达的桥梁监测系统，该系统包括：
53.确定模块，用于根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数；
54.生成模块，用于利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号；
55.接收模块，用于接收每个采样点的角反射器反馈的chirp信号与回波信号混合的中频信号并对其进行预处理；
56.解析模块，用于对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数。
57.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
58.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
59.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
60.图1为本发明所提供的一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法的工作流程图；
61.图2为本发明所提供的一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法的另一工作流程图；
62.图3为本发明所提供的一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法的又一工作流程图；
63.图4为本发明所提供的一种基于毫米波雷达的桥梁监测系统的结构示意图。
具体实施方式
64.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
65.随着交通运输事业的快速发展，各种大型桥梁在交通工程中的重要性日益突出，目前，已建成的许多桥梁进入了养护维修阶段，国内桥梁突发性、灾难性事故日益增多，给人民生命财产造成了严重损失，为了预防灾难性事件的发生，对大型桥梁进行系统的监测，以实现预测、预报事故，防止灾害的发生，成为保证交通安全的重大课题。现有的桥梁安全监测大部分都是以人工进行监测为主，人工监测需要大量的人力物力，而且不能够及时地发现问题，且无法调节监测器的角度，桥梁周边的环境对监测数据的影响较大，导致监测数据也不够精准，也无法将桥梁的监测情况进行记录，于是科研人员提出了利用毫米波雷达来进行桥梁测距，其基于通过fmcw调制中频信号的频率然后进行成分分析，但是其受限于fft点数限制，测距精度不能深度细化从而导致最终测距结果不够精细，影响工作人员的后续决策。为了解决上述问题，本实施例公开了一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法。
66.一种基于毫米波雷达的桥梁监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
67.步骤s101、根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数；
68.步骤s102、利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号；
69.步骤s103、接收每个采样点的角反射器反馈的chirp信号与回波信号混合的中频信号并对其进行预处理；
70.步骤s104、对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数。
71.上述技术方案的工作原理为：根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数，利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号，接收每个采样点的角反射器反馈的chirp信号与回波信号混合的中频信号并对其进行预处理，对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数。
72.上述技术方案的有益效果为：通过利用每个采样点的chirp信号对该采样点的回波信号进行混合处理可以对回波信号进行扩频的同时也极大地提高了回波信号的抗干扰性，既可以使得毫米波雷达快速地接收到回波信号同时也降低了干扰信号的干扰情况，同时也保证了测距结果的精度，提高了信号传输效率和稳定性以及实用性，解决了现有技术中通过fmcw调制中频信号的频率然后进行成分分析受限于fft点数限制，测距精度不能深度细化从而导致最终测距结果不够精细，影响工作人员的后续决策的问题。
73.在一个实施例中，所述根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数，包括：
74.获取目标桥梁的初始设计参数，根据所述初始设计参数和目标桥梁的三维视图确定其结构参数；
75.根据所述结构参数计算出包含目标桥梁结构的最小长方形面积；
76.基于所述最小长方形面积和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器的采样数量；
77.根据每个角反射器的工作区域内每个子区域对于毫米波雷达的毫米波反射情况确定每个采样点的角反射器的最佳安装位置。
78.上述技术方案的有益效果为：通过根据目标桥梁的包围面积来确定角反射器的采样数量可以实现对于目标全方位的测距工作，从而可以更加准确和客观地确定目标桥梁的潜在问题，提高了稳定性和安全性，进一步地，通过根据每个角反射器的工作区域内每个子区域对于毫米波雷达的毫米波反射情况确定每个采样点的角反射器的最佳安装位置可以基于信号反射原理来筛选出对区域内每个位置都可以反射回波信号的采样点位置，提高了精度和实用性，为后续进行测距工作奠定了基础。
79.在本实施例中，根据目标桥梁的初始设计参数和目标桥梁的三维视图确定其结构参数，具体为：
80.根据所述目标桥梁的初始设计参数和目标桥梁的三维视图构建目标桥梁的有限元模型；
81.基于所述有限元模型获取目标桥梁的模态参数；
82.对所述模态参数进行自适应处理，根据处理后的模态参数构建目标桥梁的模态模型；
83.通过所述目标桥梁的模态模型获取目标桥梁的多个独立结构和多个组合结构；
84.根据所述初始设计参数确定每个独立结构和每个组合结构的结构强度；
85.基于每个独立结构和每个组合结构的结构强度以及目标桥梁的材质参数确定每个独立结构和每个组合结构的估计厚度；
86.生成测试光束对估计厚度的每个独立结构和组合结构进行测试，根据测试结果确定每个独立结构和每个组合结构上的光斑分布情况；
87.根据每个独立结构和每个组合结构上的光斑分布情况计算出每个独立结构和每个组合结构上每个点的光斑偏差值；
88.根据每个独立结构和每个组合结构上每个点的光斑偏差值确定该独立结构和组合结构的第一表面模量；
89.将所有独立结构和组合结构的表面模量进行组合以获得目标桥梁的第二表面模量；
90.对所述目标桥梁的第二表面模量进行数据实体化以获得目标桥梁的结构参数。
91.上述技术方案的有益效果为：通过利用光斑折射分布的技术来确定目标桥梁的表面模量参数可以快速准确地获取到目标桥梁的结构参数，参考目标桥梁的初始设计参数可以使得最终获取的结构参数更加客观，提高了数据的准确性和精度，为后续工作奠定了条件。
92.在一个实施例中，如图2所示，所述利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号，包括：
93.步骤s201、计算每个采样点相对前一个相邻采样点的等效相位增量；
94.步骤s202、将所述前一个相邻采样点的第一等效相位与所述等效相位增量的累加和作为每个采样点的第二等效相位；
95.步骤s203、利用预设三角函数表基于每个采样点的等效相位确定与该采样点对应的的chirp信号的实部值和虚部值；
96.步骤s204、根据每个采样点对应的chirp信号的实部值和虚部值利用chirp信号发生器生成该采样点的chirp信号。
97.上述技术方案的有益效果为：可以针对相邻采样点的相位关系来确定每个采样点的chirp信号的实部值和虚部值从而使得每个采样点的chirp信号可以对该采样点的回波信号进行自适应处理，进一步地提高了实用性。
98.在一个实施例中，如图3所示，所述接收每个采样点的角反射器反馈的的中频信号并对其进行预处理，包括：
99.步骤s301、通过毫米波雷达生成毫米波发送信号；
100.步骤s302、将所述毫米波发送信号辐射到各个采样点并接收每个采样点上的角反射器反馈的回波信号；
101.步骤s303、检测所述回波信号的完整性，根据检测结果判断每个角反射器反馈的回波信号是否合格；
102.步骤s304、当确认合格后，利用每个采样点的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号并对其进行去噪优化预处理。
103.上述技术方案的有益效果为：通过检查每个回波信号的完整性可以为后续对目标桥梁的结构测距提供稳定可靠的参照基础，进一步地提高了实用性，进一步地，通过对每个中频信号进行去噪预处理可以进一步地降低干扰信号所带来的干扰性，进一步地提高了抗干扰性。
104.在一个实施例中，对每个中频回波信号进行去噪优化预处理，具体为：
105.根据每个中频回波信号和发射该中频回波信号的目标角反射器的信号波辐射参数构建每个中频回波信号的信号辐射轨道矩阵；
106.根据每个中频回波信号的信号值和该中频回波信号的信号辐射轨道矩阵确定矩阵参数；
107.通过所述矩阵参数确定信号辐射轨道矩阵的信号辐射机制；
108.获取每个中频回波信号对应的第一回波信号序列；
109.基于所述信号辐射机制确定每个中频回波信号的第一回波信号序列中的序列极值点到信号辐射机制对应的最高辐射信号点所在信号值区间内的目标序列信号值是否为噪音信号值，若是，对其进行剔除处理，若否，无需进行后续操作；
110.根据处理后的序列信号值生成每个中频回波信号对应的第二回波信号序列。
111.上述技术方案的有益效果为：通过确定噪音信号特性进而对其进行剔除处理可以更加快速和稳定地进行去噪处理，提高了稳定性和实用性。
112.在一个实施例中，利用每个采样点的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号，具体为：
113.检测每个回波信号的信号频率，根据所述信号频率确定每个采样点的回波信号的
扩频因子；
114.根据每个采样点的回波信号的扩频因子确定该采样点的chirp信号对回波信号的调制值；
115.根据所述调制值确定每个采样点的chirp信号的调制信号带宽；
116.生成每个采样点的调制信号带宽的chirp信号对该采样点的回波信号进行载波频率调制以生成该采样点的中频信号。
117.上述技术方案的有益效果为：通过确定每个采样点的chirp信号对回波信号的调制值可以根据每个采样点的回波信号的信号扩频参数来选择合适的调制参数进行调制，既兼顾了回波信号的扩频工作又避免了回波信号的过度调制导致的重复调制情况的发生，提高了工作效率和实用性。
118.在一个实施例中，对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数，包括：
119.根据所述预处理后的中频信号确定回波信号的波长；
120.根据回波信号的波长和回波信号的信号辐射速度以计算出每个回波信号从其对应的采样点到毫米波雷达的信号第一信号传输时长；
121.确定毫米波发送信号到每个采样点的第二信号传输时长；
122.根据所述第一信号传输时长和第二信号传输时长计算出毫米波雷达到每个采样点的信号往返时长；
123.根据所述信号往返时长以及光速计算出毫米波雷达到每个采样点的测绘距离。
124.上述技术方案的有益效果为：可以根据光速参数和信号传输时长快速地计算出每个采样点所在区域的每个点的测绘距离，提高了测距稳定性和测距效率和测距精度。
125.在一个实施例中，所述方法还包括：
126.根据所述测距参数确定目标桥梁上每个点的辐射信号相位变化值；
127.根据每个点的辐射信号相位变化值确定该点的结构位移特征；
128.将每个点的结构位移特征进行整合以获得目标桥梁的桥梁位移特征；
129.基于所述桥梁位移特征，评估出目标桥梁的风险度和潜在安全威胁并将评估结果上传到工作人员所在终端。
130.上述技术方案的有益效果为：可以智能地计算出目标桥梁的位移特征从而供工作人员进行观看和后续决策，一定程度上降低了安全事故的发生概率，提高了工作人员的体验感和安全性。
131.在一个实施例中，所述根据每个点的辐射信号相位变化值确定该点的结构位移特征，包括：
132.对每个点的辐射信号相位变化值进行量化，获取量化结果；
133.将每个点的量化结果输入到预设可视度函数中获得该点的目标结构反演图像；
134.获取每个点的初始结构反演图像，将所述初始结构反演图像和目标结构反演图像进行对比，获取对比结果；
135.根据所述对比结果确定每个点的结构变化情况，基于所述结构变化情况确定该点的结构位移特征。
136.上述技术方案的有益效果为：通过利用每个点的结构反演图像的变化来确定变化
特征可以从视角和数据的多角度出发来更加精确地确定每个点的结构变化特征，提高了评估结果的客观性和准确性。
137.本实施例还公开了一种基于毫米波雷达的桥梁监测系统，如图4所示，该系统包括：
138.确定模块401，用于根据目标桥梁的结构参数和毫米波雷达的信号测距范围确定角反射器在目标桥梁上的多个采样点以及每个采样点的位置参数；
139.生成模块402，用于利用chirp信号发生器生成每个采样点的chirp信号；
140.接收模块403，用于接收每个采样点的角反射器反馈的chirp信号与回波信号混合的中频信号并对其进行预处理；
141.解析模块404，用于对预处理后的中频信号进行解析，根据解析结果获取目标桥梁的测距参数。
142.上述技术方案的工作原理及有益效果在方法权利要求中已经说明，此处不再赘述。
143.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
144.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。