[发明专利]基于微波雷达的穹顶结构健康监测方法及系统

权利要求书

1.一种基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：向待测穹顶结构发射并接收线性调频连续波微波信号，产生多通道中频基带信号；

步骤2：根据多通道中频基带信号得到待测穹顶结构的距离-角度像热图，从距离和角度的联合维度对穹顶结构关键测点进行定位，并通过全场测点干涉相位演变估计方法同步提取各关键测点的形变与振动位移时域信息；

步骤3：根据各测点的形变与振动位移时域信息，通过索力监测、形变监测和振动监测，提取待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数；

步骤4：根据待测穹顶结构各组成结构在静动载荷下的特征参数，通过多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全评估。

2.根据权利要求1所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1、选取某一个扫频周期的多通道中频基带信号，通过二维快速傅里叶变换得到穹顶结构的距离-角度像热图，对穹顶结构全场测点进行定位；

步骤2.2、估计穹顶结构关键测点在每个扫频周期的相位演变信息，估计方法为：

表示位置信息为(k_q,p_q)，q＝1,2，...Q，的穹顶结构第q个测点在第i个发射周期的相位信息，k_q和p_q分别为第q个测点对应的距离-角度像热图矩阵的距离维度索引和角度维度索引，T为线性调频信号的重复发射周期，arg[·]为取复数相位操作，s_i(·)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N_fft为步骤2.1中沿每个通道方向作快速傅里叶变化的离散点数，M_fft为步骤2.1中沿多通道方向进行快速傅里叶变化的离散点数，M为等效的接收通道个数，N为单个发射周期每个通道的中频基带信号的离散点数，j为虚数单位，e为指数形式，π是圆周率；

步骤2.3、形变与振动位移时域信息提取：

λ_c为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，为的平均值，φ_q为第q个测点形变与振动方向与雷达视线方向之间的夹角；

x9q,iT)为第q个测点在第i个发射周期的形变与振动位移提取值。

3.根据权利要求2所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤2.1包括：

首先沿每个通道方向对单扫频周期多通道的中频基带信号进行快速傅里叶变换得到待测穹顶结构的距离维度信息，然后沿多通道方向再次进行快速傅里叶变换得到穹顶结构的角度维度信息，从而实现穹顶结构在距离维度和角度维度的联合全视场定位。

4.根据权利要求2所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1、索力监测，对步骤2.3测得的拉索振动位移时域信息进行频谱分析，提取所测拉索振动的一阶固有频率f_p，并根据拉索的索力与拉索一阶固有频率的数学关系计算索力大小为：

F_p为监测范围内第p根拉索的索力大小，p＝1，2，...P，ρ为拉索的线密度，L_p为第p根拉索的长度；

步骤3.2、形变监测，通过步骤2.3，提取穹顶结构中钢杆类结构在静载荷作用下的位移形变量；

步骤3.3、振动监测，监测穹顶钢杆类结构在自然激励下的振动位移时域信息，并通过模态分析，辨识结构的模态参数。

5.根据权利要求1所述的基于微波雷达的穹顶结构健康监测与安全评估方法，其特征在于，所述步骤4包括：

对步骤3提取的穹顶结构在静动载荷下的特征参数通过经验类比、理论分析和规范要求进行多特征融合分析，对穹顶结构进行健康监测与安全性评估；

安全性评估的准则包括：拉索索力是否超出拉索的承力极限，钢杆类结构在载荷作用下发生形变是否超出设计范围，以及是否因疲劳或损伤而导致结构固有频率超出阈值范围和模态振型的变化。