[发明专利]一种基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法

说明书

本发明公开了一种基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法，通过对连续多帧的场景成像结果进行静止杂波抑制处理得到每个像素点对应的一组时间相位序列，之后经过振动检测获得场景振动区域分布图，并分别采用MUSIC算法和最小二乘估计算法得到振动区域的振动频率和振动幅度的估计值；之后在振动幅度图基础上进行连通域分析以获得图像中桥体标记；最后对桥体进行旋转，统计桥体延伸方向的振幅并拟合得到桥体振型曲线；本发明能在不接触待检测建筑或桥体的前提下得到整个场景的振动分布图，并通过提取桥体各个位置的振幅信息得到更精确的振型曲线，从而为桥体振动信息获取与自振振型检测提供了一种简洁、高效、精确的测量方法。

技术领域

本发明属于MIMO雷达的技术领域，具体涉及一种基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法。

背景技术

基于动力特性分析的结构损伤识别是桥梁健康监测的主要内容之一。通过分析桥体动力特性参数可以识别结构损伤和评估结构健康状态，其中自振振型分析是识别桥梁基础或桥墩缺陷的有效方法。现有获得桥体自振振型的方法包括对桥体进行有限元建模得到实际振型和采用加速度等点测量传感器获得桥体部分节点的振型参数并进行拟合等方法。其中有限元模型方法基于桥体结构自重等信息，适用于分析桥体初建后的理论振型，但无法做振型分析从而监测识别结构损伤；加速度等传感器可以获得测点位置的振动信息而解算出振型参数，是目前用于获取振型进行损伤识别的主要方法，然而此类点测量传感器只能获得孤立测点的振动信息，具有布放方案复杂、检测信息有限的明显缺陷。同时，现有监测桥体的微波雷达主要为实孔径雷达，由于实孔径雷达不具备方位向分辨能力，无法区分不同方位上振动信息，因此无法实现自振振型分析。

MIMO雷达是近年来雷达领域中引入的一种新体制雷达，采用多个发射天线与多个接收天线形成远多于实际收发阵元数目的观测通道。这种空间并行的多通道采样可以在非常短的时间内获得大量目标回波,实现场景的二维高分辨快速成像。MIMO雷达数据采集帧频可以达到几十甚至上百赫兹，从而能够实现二维场景的振动监测和动力特性参数的提取。

因此，为了解决基于MIMO雷达的桥体自振振型获取问题，有必要研究基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法，能够解决传统实孔径雷达无法分析桥体振动振型和传统加速度传感器检测信息有限的问题，获得桥体自振振型。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于MIMO雷达的桥梁自振振型获取方法，包括以下步骤：

步骤一、利用MIMO成像雷达对待检测桥梁场景发送和接收电磁波，对接收的回波信号进行成像处理得到连续的雷达图像序列；选取连续雷达图像序列中某一像素点，得到在离散时间采样下的相位序列，并采用MTI(Moving Target Indication，动目标显示)静止杂波抑制方法，滤除回波中的静止物体回波；

步骤二、利用基于马尔可夫的振动区域检测方法，计算频率分量的信噪比实现场景中非振动目标的滤除和抑制，得到振动区域；

步骤三、利用MUSIC方法对各像素时间序列进行处理，得到振动频率估计值，进而得到二维振动频率分布图；采用最小二乘估计方法对时间序列进行处理，得到振动幅度估计值，进而得到二维振动幅度分布图；

步骤四、利用图像学中的膨胀处理方法模糊振动幅度分布图中的振动区域，通过连通域分析标识出桥体，从而获得桥体位置；

步骤五、采用最小外接矩形法框选桥体，获得桥体倾斜角度并将图像旋转至桥体处于水平位置，统计桥体延伸方向的振动幅度；

步骤六、采用桥型对应的振型函数对桥体延伸方向的振幅值进行拟合，获得最终振型曲线。

进一步地，步骤二中，利用马尔可夫随机场方法对振动相似度图像进行建模分析得到振动区域，所述振动相似度VS的表达式为：