铁路桥梁非接触检测技术发展

2022-02-12苏永华袁磊董亮孟鑫董振升

铁道建筑 2022年1期

苏永华袁磊董亮孟鑫董振升

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

截至2020年底，我国铁路总运营里程已经达到14.63万km［1］。以高速铁路为例，其运营里程3.79万km中桥梁结构占比50%以上，京沪铁路等部分线路桥梁占比超过85%。同时，铁路桥梁结构不断创新，除了常见的预制简支T梁、简支箱梁、连续箱梁、连续刚构，以及简支钢桁梁、钢桁拱外，连续刚构拱桥、系杆拱桥、大跨度钢桁斜拉桥、悬索桥等结构也在铁路桥梁中有了越来越多的应用。大量跨越大江大河、深沟峡谷以及采用高墩的大跨长联结构是铁路桥梁养护面临的一大挑战。采用人工目视检查和在结构表面设置传感器进行检测的传统方式已不能满足我国铁路高效运营的需求，针对桥梁结构的非接触检测技术亟待发展。

近年来，结构非接触测试技术得到了长足发展，测试方法与检测精度不断提升，测试仪器设备不断推陈出新，并逐步应用于实际工程检测领域。本文对非接触检测技术的测试原理、方法和精度进行了介绍，分析了相关方法的主要误差来源，指出了其在铁路桥梁检测中应用的局限性与技术发展方向。

1 铁路桥梁非接触检测方法

运营阶段桥梁结构检测主要包括结构变形与振动测试，是评价桥梁结构运营状态的重要手段。传统的桥梁结构测试需要在结构物表面布设一定数量的传感器。以斜拉桥为例：在测定斜拉索索力和梁体振动时，为了准确获得测试目标的振动参数，需要在斜拉索和梁体上安装相应规格型号的振动传感器；在测定梁体动位移时，需要在梁底吊设钢丝、安装动位移计；采用有线或无线传输的方式获取结构的振动信号，对其振动特性进行分析。采用非接触式检测方法不需要在结构上安装测振装置，减少了对铁路运营天窗点的需求和高空作业的风险，不会干扰线路运营，而且测站可以设置在距测试目标一定距离的河岸或陆地上，不受河道等客观条件的限制。

桥梁结构非接触式变形与振动测试主要通过星载变形监测技术和测站式光电图像、微波雷达、激光测振技术实现。

1.1 卫星遥感测试技术

利用卫星搭载信号发射与地面信号采集设备，实现对桥梁结构的变形监测，包括基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的变形监测技术和基于合成孔径雷达干涉技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）的变形监测技术。

1）全球导航卫星系统

全球导航卫星系统包括美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯Glonass、欧洲Galileo和中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统。利用GNSS信号接收器可以计算其与卫星间的距离，确定结构物的三维绝对坐标和测量时间，实现对结构三维变形的监测。理论上，还可以从采集的变形数据中分析出结构振动频率、阻尼、振型等动力特征参数。

以GPS为例，其采样频率在10～20 Hz，根据Nyquist理论，采集数据的识别频率在5～10 Hz，适用于大跨度悬索桥和斜拉桥低频振动的测量，进而分析其动力特性。当前的GPS位移测量精度为水平位移±10 mm、竖向位移±20 mm。

2）合成孔径雷达干涉技术

合成孔径雷达干涉技术是合成孔径雷达技术（Synthetic Aperture Radar，SAR）和干涉测量技术的综合应用。在地震、火山、滑坡、地面沉降等地质灾害的地表变形监测领域逐步开始扮演重要角色。

InSAR是一种微波探测地表目标的主动式成像技术，其微波信号有星载和机载两种载体。目前的研究主要集中于星载InSAR技术。利用星载雷达向地面发射电磁波信号，通过接收目标反射的回波产生的相干图像获得地表地形、地貌的微小变化，生成大规模的数字高程模型。

星载InSAR技术用于差分模式（Differential InSAR，D⁃InSAR）可以探测地表位移，通过雷达卫星在相邻重复轨道上不同时间获取同一地区雷达影像，利用两幅影像进行差分干涉，获取该地区于该时段地表与卫星间的距离变化形成的雷达波相位差。其理论精度可达厘米甚至毫米级。然而，雷达卫星有固有的运行周期，时间分辨率不满足运营桥梁结构变形监测的需求，主要用于桥梁墩台沉降等监测［2］。

1.2 测站式测试技术

采用架设于地面或河岸的测站设备，利用光电图像、微波雷达和激光测振技术，可实现对桥跨结构位移和振动的非接触检测。

1）光电图像技术

光电测挠仪采用光电图像技术，根据高清图像采集设备采集的目标图像，通过光电图像解析实现结构静动态挠度的测量。因此，光电测挠仪包括高清图像采集系统和光电图像处理系统两部分。

根据图像解析算法的不同，将光电图像技术测挠路径分为：①在目标构筑物表面设置靶标灯，通过采集测试过程中靶标灯在线阵CCD（Charge Coupled Device）上成像光斑的位置变化解析目标点的平面变位。现场测量前需先对已知距离的两靶标灯或同一靶标灯上两个点光源进行标定，然后对目标靶标灯进行测试。图像解析采用灰度重心法，对经阈值分割、中值滤波降噪等预处理的图像采用形心法计算图像光斑的形心位置，根据标定结果换算得到目标测点变形［3］。②采用数字图像相关方法（Digital Image Correlation，DIC），也称为数字散斑相关方法，理论上无需在结构物表面进行额外的标识，利用结构物表面的自然纹理实现结构变形的量测。基本原理如下：将采集到的结构物变形前后的散斑图进行转换，离散为若干个子区域的数字灰度图，见图1。基于散斑分布的随机性和离散性，每个子区域的散斑点分布各不相同。对于图像上任意点P（x，y）形成的子区域S，当其变形或位移至中心点为P′（x′，y′）的子区域S′时，对两个子区域的相关系数取极值，通过搜索和分析变形前后子区域的相关系数可得到P点的位移和变形［4］。

图1 数字图像相关法变形测量原理示意

光电图像法测试精度与采用的数字图像处理算法以及测试距离、测试角度、光照条件等因素有关。光电测挠仪在实验室环境下理论测试精度可达±0.02 mm（测试距离10 m）、±0.10 mm（测试距离100 m），室外一般环境条件下测试精度可优于±1.0 mm。

2）微波雷达技术

测站式微波雷达用于结构物形变测量，主要基于相位差分干涉测量技术，有地基真实孔径雷达（Ground⁃based Real Aperture Radar，GB⁃RAR）和地基合成孔径雷达（Ground⁃based Synthetic Aperture Radar，GB⁃SAR）两种模式，桥梁线性结构物测量时主要采用GB⁃RAR模式［5］。地基干涉雷达通过对比不同时刻雷达反射信号的相位差来分析目标的位移变化。测试目标在雷达视线方向的位移ds与雷达信号相位差φD的关系式为

式中：λ为雷达发射电磁波波长。

与一般的测站式测试方法不同，雷达电磁波波束较宽，一次测量可获得多个目标点的反射信号，从而实现多目标同步测试。根据雷达测试原理，其距离分辨率∆R主要与雷达信号带宽Bw有关，即

式中：c为光速。

由式（2）可知，雷达信号带宽越大，可分辨的多目标间距越小，当雷达信号带宽为0.5 GHz时，可分辨间距为0.3 m的多个目标。

根据微波雷达测试得到的目标位移特征对结构振动特性进行分析，从而获得自振频率等参数，对于斜拉桥拉索、拱桥吊杆还可推算其索力。

影响雷达法测试精度的因素较多，包括雷达设备功率，雷达信号带宽、波长，以及测试距离、环境噪声、数字滤波处理方法等，在视场较好的短时间、近距离测量中，其测试精度可达0.01 mm，一般情况下可达0.10 mm。

3）激光测振技术

激光测振仪通过测试专用激光下结构物形变过程中反射光的相频特征来分析结构的振动特性，其装置包括激光发射装置、激光走行和接收装置、信号处理装置，可用于不同结构微小振动的测试，如位移、速度、加速度等振动特性。

根据测试原理将激光测振方法分为干涉法、散斑法和三角法三种方法。激光散斑法和激光三角法有效测距一般小于2 m，主要用于机械构件、电子器件、生物学等领域的测振，激光干涉法更适用于土木结构测振。激光干涉法以激光本身的干涉特性为基础，利用激光波长作为主要参数进行构件测振。基于该方法的激光多普勒测振技术已在桥梁、建筑等结构的振动测试中有了一定应用［6］。

由于激光高相干性、高能量的特点，激光多普勒测振具有空间分辨率高、测量时间短、响应频带宽、速度分辨率高等优点。其基本原理是：含一定频率成分的激光以某种速度照射在移动的物体上，其反射光的频率与移动物体的速度成比例变化。物体速度v与入射光和反射光频率差fD的关系式为

式中：λ0为入射光波长；θ为入射光与物体移动方向的夹角。

除了直接测量得到目标物振动速度外，激光多普勒测振仪还可通过对干涉亮/暗条纹计数直接得到位移。

激光多普勒测振仪的测试精度同样和激光信号强度、测试距离、环境噪声、数字处理方法等有关，使用合适的插值和数字解调技术，理论上速度分辨率可达5μm/s，位移分辨率可达纳米级。

2 桥梁非接触测试方法对比与误差分析

基于不同测试原理的非接触测试方法适用场景和测试精度存在较大差别。

基于GNSS的变形监测技术数据识别频率低，测试精度不满足中小跨度桥梁变形测试的需要，一般适用于大跨度桥低频振动与变形的观测；基于InSAR的变形监测技术时间分辨率低，对于桥梁结构来说仅适用于桥墩区域沉降的观测。综合考虑，星载遥感测试技术并不适用于铁路沿线大量分布的常用跨度桥梁结构变形与振动的测试。

基于光电图像、地基干涉雷达和激光测振技术的测站式测试方法在一定程度上弥补了星载遥感测试技术的不足，但受测试原理、测试精度等影响，其适用范围也存在局限性。因测试原理不同，测站式测试设备的系统性误差来源各不相同，可分为测试信号误差、测试目标误差、测试环境误差和测试系统误差。

2.1 测试信号误差

测试信号直接影响非接触测试的精度。地基干涉雷达和激光多普勒测振仪分别采用雷达电磁波和激光作为测试信号，通过解析发射信号和接收反射信号的相位差或频率差分析结构变形与振动，其测试信号强度受信号源、反射源、测试距离等影响。

地基干涉雷达采用发射功率低而分辨率高、具有多目标分辨能力的连续波信号宽带雷达，包括调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）雷达和步进频率连续波（Stepped Frequency Continuous Waveform，SFCW）雷达。FMCW雷达可同步测量目标速度和距离，其性能指标取决于发射信号的选择，距离分辨率随信号带宽的增加而提高，速度分辨率随信号帧持续时间的增加而提高，参数估计的精度由雷达回波信号的信噪比决定。其缺点是测距量程较短，距离与速度耦合导致实际分辨力下降，信号收发隔离难。SFCW雷达具有较好的距离分辨率和穿透能力，可利用窄的瞬时带宽实现大的系统带宽，与大时宽的线性调频信号相比，最小探测距离对步进频率限制较小。

激光多普勒测振仪中作为信号源的激光类型在不断升级，从早期的氦氖激光发展为现阶段主流的红外激光。红外激光可适用于不反射可见光的表面（如黑色或粗糙表面），其功率为氦氖激光系统的10倍以上，反射信号强度明显提高，信噪比大幅改善，更适用于长距离测量。对于表面反射率较低的被测物，采用在被测物表面附着反光物质的方式来增强其表面反射率，从而提高反射信号的强度和信噪比［6］。

基于数字图像相关法的光电测挠仪器利用自然光下结构物表面纹理形成的散斑，不需要额外的信号源，但散斑图的质量对测试结果有直接影响。优质散斑图应具有各向同性、非周期性、细节丰富、良好的对比度且散斑颗粒分布均匀的特点［7］。结构表面纹理特征（如粗糙度、明度、色度等），以及设备采用的长焦镜头和高清CCD相机均对散斑图像质量有直接影响。对于表面自然纹理不满足测试需求的结构，须制造人工散斑进行测试。

2.2 测试目标误差

测站式非接触测试得到的结果为测试方向上的结构响应，实际测试中测试目标变形与测试方向往往不一致，对测试结果的影响应从测试方向角、非测试方向结构运动和测试目标点偏差三方面分析。

1）测试方向角

将测试设备架设在地面并对准目标测试点，结构响应方向与仪器测试方向往往不一致，如对跨越道路或障碍物的桥梁挠度进行测试时，测试设备无法置于桥梁的正下方，使得测试方向与梁体竖向挠度产生一定的夹角，测试中需对其进行修正，见图2。

图2 测站式非接触测试角度修正

测站式测试设备通过内置的角度传感器来实时记录测试方向与结构振动方向的夹角θ，对测试结果VL（t）进行角度修正，即

当然，方向角测量误差也会带来测试结果误差。

2）非测试方向结构运动

对于仅存在平面内变形的墩梁结构，经角度修正即可测试某个方向上的结构变形与振动。对于铁路桥梁来说，实际结构的振动是多方向的，梁体竖向和横向振动、墩柱纵向和横向振动在实际工程中均不可忽略。当测试目标振动方向与测试方向夹角较大时，结构非测试方向的振动分量将对测试目标振动方向的测试结果产生明显影响。

对测站A和测站B处梁体横向振动Vz对其竖向振动Vy测试结果的影响进行理论分析，见图3。图中梁体跨中测点垂直高度为H，测站A、B在与桥梁垂直距离为D的平行线上，测站A正对梁体跨中，测站B与测站A距离为L，测站A测试方向A G与y轴和z轴的夹角分别为α1和β1，测站B测试方向B G与y轴和z轴的夹角分别为α2和β2。

图3 非测试方向结构运动对测站式非接触测试的误差分析示意

对设备测试方向与y轴的夹角进行修正，则测站A、B处测得的竖向振动V m y（包括V m yA，V m yB）与实际双向振动V y、V z的关系分别为

根据三角函数关系得到两测站的测试相对误差∆y均为

由此可见，梁体横向振动对竖向振动测试结果的影响主要与两向振动比Vz/V y和D/H有关，即V z和D越大，测试误差越大。采用测站式设备进行大跨度结构的远距离测量时，若D/H>1.0，非测试方向结构运动带来的测试误差将被明显放大。

3）测试目标点偏差

对于地基干涉雷达和激光多普勒测振来说，测试方向角带来的另一个问题是测试目标点偏差。以计算跨径为L0的简支梁（图4）为例，测站布置在结构立面内，梁体横向变形对竖向测试结果无影响，测试过程中保持方向角θS不变，当梁体跨中由M点变形至M′点时，设备接收的实际反射信号为N点信号。假定变形后梁底竖曲线f(x)近似为二次抛物线，其表达式为

图4 结构测试目标点偏差分析

式中：f0为跨中M点竖向变形。

采集信号N点与M点的水平距离即测点偏差xMN为

普速铁路度为32、48 m的普通高度预应力混凝土简支梁挠跨比通常值为1/1800，不同测试方向角下测试目标点偏差见表1。可知，当测试方向与结构变形方向一致，即θS=90°时，不存在测点偏差。随着测试方向角的减小，测点偏差逐渐增大。

表1 不同测试方向角的测点偏差

对于净空高度为17.6 m的简支梁，当受现场条件限制需要在100 m外对其跨中变形进行测试时，θS=10°，则跨度为32、48 m梁测点偏差分别为10.1、15.1 cm。对于大跨度结构，测试目标点偏差会更明显。

2.3 测试环境误差

测试环境对非接触测试结果的影响比较明显，影响因素包括环境振动、大气扰动、温度变化、光照条件等。

地基干涉雷达GB⁃RAR测得的视向变形差分干涉相位∆φ［8-10］表达式为

式中：φa为微波受雷达与目标物间大气扰动产生的相位分量；φn为包括设备热噪声在内的噪声相位分量；k为相位模糊度，用来表征差分干涉相位因其周期性产生的缠绕特征。

由式（10）可知，大气扰动和环境噪声对GB⁃RAR测试相位差存在直接影响。大气会影响电磁波的传输速率及路径，不同时刻大气条件（温度、湿度、大气压）的改变会造成不同的传输延迟，由于大气扰动的随机性与多样性，即使小尺度空间上的大气扰动也会极大地影响检测精度，且随测试距离增大呈线性变化的趋势。因此，根据监测得到的区域气象数据建立大气扰动模型进行大气相位补偿，或通过布设与选择区域内若干强散射体目标控制点，对控制点干涉相位进行分析后插值消除其他像素点的大气相位。环境噪声主要通过干涉相位滤波处理进行滤除，一般采用低通滤波、小波分析等方法。

对于激光多普勒测振仪来说，激光在大气中的传播受大气扰动的影响较小，其环境噪声主要是指大地振动及风荷载作用产生的测振仪自身振动，可采用灵敏度和相位特性与测振仪相同的内置振动传感器进行自动修正。

数字图像相关方法对环境稳定性有一定的要求。在远距离高放大倍数的测试中，环境振动会放大结构实测振幅，应对设备采取必要的减振措施。同时，光照条件对散斑图质量存在明显影响，光照太强或太弱均不利于散斑图成像。此外，相机温度变化也会产生一定的测量误差，因此测试前应预热设备［11］。

2.4 测试系统误差

测试系统误差是指由测试原理和数据处理方法产生的误差。

基于数字图像相关法的光电测挠仪系统误差主要来自于图像解析算法。数字散斑图的解析以像素为基本单位，为了提高解析精度得到亚像素级的位移测量结果，研究人员提出了十多种亚像素位移测量方法［12-14］，应用较多的有亚像素曲面拟合法、迭代法和梯度法。其中，Newton⁃Raphson迭代法解算精度最高，且解算结果稳定，但存在解算速度较慢的问题。

地基干涉雷达测试信号的处理涉及目标点选择、相位解缠、静杂波去除等［5，15］。目标点选择是进行差分干涉图像分析的基础，应将信噪比高、散射稳定且发生了形变的像素点作为目标点。由于干涉相位图是缠绕的，需对其进行相位解缠，即从式（10）中解析出相位模糊度k。常用的方法有路径跟踪法和最小范数法，涉及经典的枝切树和最小二乘、最小费用流、统计费用流等算法。静杂波的产生主要是由于雷达将同一距离分辨单元的多个散射体视为单个目标，而实际上测试结果是单元内所有散射体后向散射信号的矢量叠加，使得接收信号产生一个常矢量偏移。静杂波的存在使得测量相位偏小，导致监测形变量偏小。通过拟合处理的雷达复信号在极坐标下离散点轨迹的圆心位置可得到静杂波偏移常矢量。常用的拟合方法有几何拟合法和代数拟合法，涉及梯度加权法、Hough变换法、最小二乘法等。

激光多普勒测振仪对被测物体进行测量时，激光和被测物表面之间的相对移动，以及激光束的方向变换都会产生色斑噪声，属于无法消除的系统误差［16］。测试振动信号的解析包括解调、滤波和频谱分析，其中频谱分析多采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）法。受谱线干涉、栅栏效应等影响，在频谱分辨率不足时测试结果会产生明显偏差，直接的解决方法是降低采样频率和增加采样点数，但降低采样频率会减少最大可测频率，增加采样点数则会增大计算量，降低计算速度。通过频谱细化和频谱校正，既能提高计算效率和分析频率的范围，又能减少分析误差［17］。

3 铁路桥梁非接触检测技术的应用与发展

测站式非接触检测技术无需在桥梁结构上布置传感器，且不受铁路线运营和天气干扰、检测效率高，是铁路桥梁远程静动态测试的有力手段，在我国铁路桥梁检测中已有了一定的应用。叶肖伟等［18］于2012年采用自主研发的光电图像测挠仪对主跨1377 m的香港青马大桥运营挠度进行了测试，测试距离约1000 m，实测悬索桥主跨最大挠度726.3 mm，与GPS测试结果一致。刘春等［19］于2015年采用3台地基干涉雷达对主跨580 m的安庆长江铁路大桥的运营动挠度进行了测试，测试方向角分别为6°、22°和24°。刘小阳等［20］于2018年采用地基干涉雷达对京沪高铁某32 m简支箱梁运营挠度和振动进行了测试，测试距离5.2 m、方向角42°。王翔等［21］于2019年采用地基干涉雷达对主跨504 m的武汉天兴洲长江大桥的运营挠度和斜拉索频率进行测试，测试距离大于1000 m。但文献［19-21］均未对地基干涉雷达的测试误差进行对比。董振升［6］于2015年采用激光多普勒测振仪对某高速铁路32 m简支箱梁和主跨120 m连续箱梁运营动挠度进行了测试，测试方向角分别为80°和65°，测试相对误差小于5%。

从实际应用的情况来看，基于数字图像相关法的光电测挠仪、GB⁃RAR地基干涉雷达和激光多普勒测振仪均可在一定条件下实现铁路桥梁的远程非接触测试，但现阶段应用范围有限。主要原因有：

1）设备有效测试距离有限。光电测挠仪和地基干涉雷达有效测试距离可达到或超过1000 m，而远距离激光多普勒测振仪有效测试距离为100～200 m，前者可满足部分跨越深沟峡谷及江河的桥梁现场测试需要，而后者不能满足大多数远距离测试场景的需求。

2）测试效果受测试方向角影响明显。分析和现场测试均表明，虽然角度修正可减小测试方向角与测试目标运动方向不一致的影响，但因测试方向角带来的非测试方向结构运动误差和测试目标点偏差却无法完全消除。工程中大多将测试设备布置在结构变形平面内，避免了旁向运动的影响，但无法普遍应用。对于大跨度结构远距离测试来说，测试方向角产生的测试目标点偏差会显著影响地基干涉雷达和激光多普勒测振仪的测试结果。

3）未实现完全意义上的非接触测试。测站式非接触检测技术理论上无需在结构物表面布设标志点就可实现对铁路桥梁运营零干扰的非接触测试，但在现场实际应用中，受环境光、测试距离以及测试目标表面反射率等影响，往往需要通过布设信号增强装置来提高反射信号的信噪比，如在结构物表面布置人工散斑、角反射器、反光膜等。

4）高精度检测设备价格较高。受限于国内雷达和激光测试技术的发展水平，高精度的检测设备多依赖于国外引进，且价格高昂。GB⁃RAR地基干涉雷达有荷兰MetaSensing公司的FastGBSAR⁃R系统、意大利IDS公司的IBIS⁃FS系统；国内的中国科学技术研究院、国防科技大学、北京理工大学也进行了一些研发工作，但尚未形成成熟的商业化产品。激光多普勒测振仪有德国Polytec公司的RSV⁃150远距离激光测振仪，以及国内舜宇光学的LV⁃RFS01远距离激光测振仪。光电测挠仪在早期引进吸收的基础上已实现了国产化，其价格在三种设备中市场接受度较高，应用相对较多。

总体来看，测站式非接触检测技术为铁路运营阶段的动态检测提供了较好的技术手段，同时存在较大的发展空间，包括硬件设备性能提升与国产化、测试原理与解析算法改进优化、信号补偿与降噪功能完善等。其中，以有效测试距离远、可实现多目标位移和振动同步非接触测试的地基干涉雷达GB⁃RAR应用前景更为广阔。另外，远距离测试中，固定式测站设备因测试方向角和测试距离增加带来的误差难以消除，采用移动测试设备如负重无人机搭载激光多普勒测振仪，在结构物侧面或底面以零方向角进行近距离的振动和位移测试，可避免这种系统误差，是桥梁非接触检测技术的发展方向之一。