地基干涉雷达IBIS-S桥梁变形监测应用研究初探开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，随着我国经济和科技的发展，建筑材料、设备、建筑技术也取得较快的发展，为广大工程技术人员提供了快速、高精度的计算分析手段从而使得交通建设事业得到不断的发展。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利建设中，为了跨越各种障碍(如河流、沟谷或其他线路等)将路与路之间进行连通，桥梁成为其中必不可少、非常重要的组成部分。一般桥梁工程不仅工程的规模和造价十分巨大，而且由于其地理位置的特殊性以及便捷性，使得其往往成为交通运输的咽喉，是保证全线通车的关键。目前在我国经济发展迅速、工程技术条件、施工技术力量大幅进步的情况下，各种类型、跨度的桥梁被广泛修建。截止2011年底，我国累计建设公路桥粱总数达68.94万座，已超越美国(约62万座)，成为世界第一桥梁大国。根据规划，到2020年左右，我国公路桥梁将达到80万座。中国的桥梁事业已融入世界桥梁事业的整体发展格局，正在成为中国“走出去”的新名片。 然而，由于交通运输的压力大，造成任何桥梁在运营过程中都会受到损害。造成的原因是多方面的，外在环境的影响比如车辆的荷载过重、风力、气温以及自然灾害等外界因素。同时桥梁结构体系的复杂性，材料自身的质量问题，桥梁内在混凝土的收缩、老化，钢筋锈蚀也会使桥梁出现各种病害和损伤。如果这些损害超过了桥梁工程承载的安全范围，就会引起事故的发生。为了确保桥梁结构使用的安全性和耐久性，保证桥梁安全运营，建立完整合理的桥梁状态评估体系是十分必要和紧迫的。其中最重要的手段就是对桥梁进行变形监测，及时对桥梁的结构变化数据进行采集，分析桥梁内部结构的改变，分析导致变形的因素，从而实施桥梁维护，寻找修葺的方法与措施，减少不必要的损失保证人们的生命财产安全。 变形监测技术本身就是一种测量技术，采用该项技术对监测对象进行精准的定位，找到目标的空间位置，同时还可以研究该技术下桥梁内部结构形态随时间变化的规律，每隔一段时间就可以对桥梁的水平方向和竖直方向的变形程度进行监测。传统的桥梁变形监测常采用常规大地测量方法及物理传感器方法，获取点状信息，信息量少。所以传统的变形监测方法已经不能满足当代社会变形监测的要求了。近年来迅速发展起来的3S技术（GPS技术、地理信息系统技术、摄影测量与遥感技术）及IBIS －S 遥测系统技术为现代桥梁变形监测提供了新技术。 IBIS－S 测量系统是一种基于微波干涉技术的高级远程监测系统，是意大利ⅡDS公司与佛罗伦萨大学经6年合作研制的结果。可对目标物体进行连续精确的监测，得到被测物体上每部分的位移变化量，从而对被测物体上每一个点的变形，振动等情况进行分析，可广泛应用于大型建筑物、桥梁、高塔、坝体、公路和铁路边坡等易发生微小位移变化的物体的监测。 IBIS－S 系统的特点：1)可不与目标物直接接触，能够对目标物进行动态和静态测量，遥测距离：静态1KM、动态500M。2)测量精度较高，达0.01mm--0.1mm，可以捕捉目标物微小变形，实现高精度的微变形测量。3)高频数据采集，采样频率最高可达200Hz。4)能够准确分析目标物0--50Hz的振动情况。5)全天候全天时的工作，在所有的天气条件下都能工作。6)直接实时监测，可以得到目标物整体变形量。 基于上述特点,IBIS－S 系统凭借其高精度、观测快捷非接触、多点同时全天候观测、高频观测等特点已在桥梁变形监测上得到了应用，对桥梁健康监测的影响数据采集具有重要的应用价值。

2. 研究内容和预期目标

IBIS-S 系统的硬件主要由四部分组成：数据采集单元（雷达传感器），用于固定采集单元的三脚架，能量供应单元(电源部分)以及数据记录处理单元。利用干涉测量原理，同时发射连续频率的电磁波，对包含目标信息的回波信号进行分析，从而得到目标的一维距离像，分析目标物的变形程度。对桥梁结构损害程度和承载能力做出一个及时初步的评判，为桥梁的安全维护和管理提供合理的依据。 本课题主要研究地基干涉雷达 IBIS-S 系统变形监测的基本原理和方法，总结其变形提取的关键步骤。应用 IBIS-S 开展桥梁变形监测实验，分析地基干涉雷达技术在桥梁变形监测中的应用效果。围绕上述研究目标，论文主要从以下几个方面展开研究：（1）了解地基干涉雷达变形监测技术的发展历史、应用现状以及使用的目的和意义。（2）学习研究地基干涉雷达变形信号处理与变形提取的基本原理与基本算法。（3）学习 DataViewer 软件，能够对地基干涉雷达变形监测数据进行基本处理和初步分析，提取变形信息。（4）了解地基干涉雷达IBIS-S 设备与变形监测精度检测实验。（5）处理地基干涉雷达高架桥、跨江大桥的监测数据，基于 Matlab 实现部分处理和分析算法，对时空域以及频域的变形特征和规律进行初步分析。（6）对实验数据进行分析总结。 研究预期实现的目标为：采用地基干涉雷达 IBIS-S 系统对桥梁进行监测，利用DataViewer 软件对数据进行初步处理，结合 Matlab 对时空域以及频域的变形特征和规律进行分析。得到同一时段不同地点的变形情况、同一地点不同时段的变形情况，还可以进一步得到不同外界条件下（如:气温、风力）同一地点的变形情况，较为全面的分析桥梁变形的因素。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：利用地基干涉雷达 ibis-s 系统对桥梁进行动态和静态监测，得到变形监测数据。利用dataviewer 软件结合一系列的计算方法对实验数据进行初步分析。结合 matlab进行更进一步的分析，得到对应桥梁位置变形情况，为桥梁健康检测提供重要依据。

步骤：1)了解研究背景，学习基本原理与基本算法2)安装处理软件，学习使用软件3)收集监测数据4)利用dataviewer 对实验数据进行初步处理5)用matlab编写适量相关数据处理程序，完善数据处理 分析体系6)对数据处理结果进行对比，全面分析7)总结，得出引起桥梁变形的主要原因

4. 参考文献

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5. 计划与进度安排

1.第 01 周～第 03 周，论文主题研究现状分析，毕业论文相关规定、规范和要求学习。该阶段与毕业实习同时进行。2、第 04 周，论文正式开始的第一周，继续完成寒假期间布置的任务。汇报前期调研学习的成果。搜索大量相关参考文献，认真书写开题报告，并即时与导师沟通。3、第 04 周～第 05 周，书写第一章绪论部分，主要论述研究背景和论文计划做的全部内容以及章节安排。4、第 06 周～第 07 周，学习地基干涉雷达变形信号处理与变形提取的基本算法，书写论文第二章基础理论部分。5、第 08 周～第 10 周，书写论文第三章。重点学习研究地基干涉雷达 IBIS-S 设备使用方法，进行 IBIS-S 变形监测精度监检测实验及数据分析。6、第 11 周～第 12 周，处理实验数据，利用 IBIS-S 桥梁监测数据对变形的时空规律、频域特征开展分析。7、第 13 周，书写论文第五章总结与展望，补充、完善、修改毕业论文。8、第 14 周，修改毕业论文。9、第 15 周，打印装订毕业论文，制作答辩 PPT，进行预答辩。