苏 州 林 杰 甘维兵

(1.湖北交投智能检测股份有限公司 武汉 430070； 2.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室 武汉 430070)

随着各种跨径庞大、结构新颖、体系复杂的大型桥梁不断涌现，桥梁结构健康监测受到越来越广泛关注。在诸多影响桥梁结构健康因素中，线形是评价桥梁安全状态的一项重要指标[1]。随着桥梁健康监测技术的发展，涌现出了许多线形测量方法[2]，常用的方法主要有百分表、全站仪、精密水准仪、连通管、差分GPS、测量机器人、激光图像测量法等[3-7]，其中最具有代表性的测量方法包括水准仪、连通管、测量机器人和三维激光扫描。水准仪测量精度高、点位密，但耗时长、工作量大；连通管测量精度高、易实现自动化、点位密，但安装和维护成本较高；测量机器人操作简单、测量精度高，但测点稀疏；三维激光扫描是一种非接触式测量方法，具有自动化、高精度、高效等特点，但受地形条件限制，其扫描范围有限，易受桥塔遮挡的影响[8]。

综上所述，现有测量方法存在检测周期长、实施成本高、易受环境影响、测量点不连续等不足，容易遗漏结构存在的潜在病害处。为此，王立新等[9-10]于2002年就提出将光纤陀螺用于工程结构形变测量，该方法具有快速、连续、测量精度较高等特点。然而，受外界环境影响，其检测精度很难满足工程测量需求。鉴于检测小车在实际测量过程中可能因桥面的不平整、伸缩缝、减速带等产生振动冲击，给检测系统带来外界噪声干扰，导致检测精度降低。本文提出采用小波分析、经验模态分解(EMD)和独立成分分析(ICA)混合信号处理方法对外界振动引起的噪声进行提取、滤波和重构，达到提高系统检测精度的目的。该方法应用于大跨度新建桥梁荷载试验数据分析中，其检测精度改善明显，效果良好，满足工程测量需求。

1 光纤连续线形检测基本原理

通过光纤陀螺精确测量载体运动时相对惯性空间的转动角速度沿运载体坐标系分量，结合运载体高精度里程仪输出信息，采用捷联矩阵及积分运算方法即可推导出载体运动的轨迹[11-12]，光纤陀螺随载体运动的轨迹即代替待测结构连续线形，其检测原理见图1。

图1 光纤陀螺用于连续线形检测原理

假设运载体从i点运动到i+1点，根据积分极限相似理论，当其运行时间间隔t极限小时，第i+1点的坐标(Xi+1,Yi+1)可以近似表示为

(1)

(2)

式中：运载体的线速度为vi+1；角速度为ωi+1；运载体与结构表面的初始夹角为θi；Xi+1代表桥梁里程；Yi+1为桥梁高程。假设运载体前后轮间距L相对于待测桥梁的长度是可以忽略不计的，可将运载体视为一个质点，根据式(1)和(2)建立的递推函数关系，即可开展运载体沿待测结构表面运行时连续轨迹的计算，质点运行的轨迹即为待测桥梁结构表面连续线形。

2 基于EMD和ICA信号处理方法

2.1 路面冲击噪声特性分析

频域分析方法是研究控制系统的一种经典方法，将传递函数从复域引到频域，利用频率特性作为数学模型来进行研究。本文采用快速傅里叶变换(FFT)对外界振动影响情况下的角速度值进行处理，通过相关、包络和频谱分析，更加直观地了解各种噪声对光纤陀螺输出产生的影响。

对于一个非周期振动函数y(t)，可以用FFT表示为

(3)

用频率表示为

(4)

其中：Y(ω)为角速度函数；Y(f)为频域函数；ω、f分别为外界振动源的角速度和频率，ω=2πf；t为振动时间。

使用FFT分别对路面平整和不平整时的光纤陀螺输出信号进行频谱分析，其结果见图2。

图2 光纤陀螺角速度频谱特性

由图2可见，频谱特性能够更好地观察到测量过程中光纤陀螺受到的影响因素，路面不平整带来的冲击对数据的多个频率段都造成了影响。在对线形检测数据进行分析时，需要对光纤陀螺的频谱特性进行深入讨论，从而挖掘数据中包含的诸多信息，为数据处理提供合理依据。

2.2 路面冲击噪声识别与定位

先利用小波变换方法进行甄别，再有针对性地进行单独分析和处理，确保检测数据的准确性和完整性，同时有效地提取出噪声信号。利用小波变换方法将光纤陀螺在不平整路面时的角速度值进行7层分解，其结果见图3。

图3 光纤陀螺角速度值小波变换分解结果

由图3可见，经过小波变换后，在分解的d1到d5层上均出现了小波变换极大值现象，故可以认为该时刻(虚线框部分)的数据为冲击噪声引起，与实验情况吻合。因此认为小波变换能够准确地识别和定位路面不平整处。

2.3 基于EMD和ICA路面冲击噪声处理

首先，采用EMD对数据进行处理，使得原始信号被分解成若干个包含从高频分量到低频分量的本征模态函数(IMF)；然后，利用ICA盲源分离方法对多个IMF进行二次处理。小波变换方法可将光纤陀螺角速度数据中的奇异值筛选出来，再利用EMD和ICA复合噪声处理方法对筛选出来的奇异值进行处理，将处理后的数据回填到滤波后的空白数据中，确保线形准确性和完整性。

采用EMD和ICA相结合的方法对某一段线形数据进行深度处理，实现干扰信号的位置甄别、局部优化和数据重构，从而得到准确、完整的线形曲线，见图4。

图4 信号频域解析及线形重构曲线

由图4b)虚线框可见，处理前光纤陀螺经过路面时存在着明显的抖动，处理后曲线变得更加光滑，且整体线形并未受到影响。

3 新建大跨桥梁荷载试验

3.1 桥梁线形测量方法

将装载光纤陀螺连续线形检测系统的运载小车驶入待测桥梁，根据现场实际加载情况，选择大桥上、下游最外侧车道作为检测小车行驶车道。选定桥梁两端的伸缩缝作为检测的起点和终点，系统启动后，令检测小车对准前进的方向，静置3 min，以便光纤惯性系统初始对准；检测完毕后，计算机输出待测桥梁初始线形；随后将已知标定点带入系统，采用EMD和ICA混合噪声处理方法对检测数据进行分析和处理，即可得到准确线形曲线。其主要过程见图5。

图5 光纤惯性桥梁连续线形检测流程图

所有传感检测设备均集成在检测小车内部，不受外界恶劣天气影响；检测过程中，检测小车以30 km/h左右行驶，避免振动幅度过大给系统检测带来误差；在条件允许的情况下，可以通过多次取平均方法消除系统误差。

3.2 主体桥梁荷载试验

湖北省内某长江公路大桥是“953”高速公路网纵五线的控制性工程，主桥采用主跨820 m的双塔不对称混合梁斜拉桥方案，桥跨布置为75 m+75 m+75 m+820 m+300 m+100 m。

本次静载试验主要针对起控制作用的主梁、斜拉索和主塔截面进行加载测试，选取中跨最大挠度(B截面)、跨中(N截面)作为控制截面观测点，其中B截面偏离跨中31.6 m，在各种工况荷载作用下，采取多级加载的方式对主梁进行整体挠曲线观测。采用光纤惯性检测小车对桥梁整体线形曲线进行测试，与此同时，采用气-液耦合压差式挠度仪对主梁关键截面挠度进行对比测试，具体各工况略。

以主试验跨B截面最大正挠度加载工况中跨偏载3为例，加载车辆主要分布在跨中区域，分5级加载，其中二级加载为27辆车，五级加载为54辆车，车重350 kN。受现场时间限制，光纤惯性检测小车只针对二级、五级加载进行测试，采用基于EMD和ICA混合噪声处理方法对检测数据进行分析、处理后得到的主跨整体线形曲线见图6。

图6 分级加载线形曲线

由图6可见，二级加载和五级加载最大下挠点均在B截面，与理论计算是一致的；随着分级加载荷载的增加，B截面下挠变形逐渐增大，且左、右两侧主塔另一端附近出现反拱(翘起来)现象，卸载后大桥整体线形基本恢复至加载前空载状态，与结构受力分析相吻合。

以主试验跨B截面最大正挠度加载工况4为例，工况4为中跨中载，加载车辆主要分布在跨中区域，其中左、右幅各3列加载车队，每列9辆，分5级加载。采用基于EMD和ICA混合噪声处理方法对满载时的检测数据进行分析、处理，得到的主跨整体线形见图7。

图7 主跨中载最大挠度曲线

该工况下，采用2种方法测量N截面、B截面得到的挠度值与理论计算值见表1。

表1 最大荷载下控制截面挠度对比值 m

由图7可见，加载后的上、下游主梁整体挠曲线基本一致，说明主梁整体对称性良好；光纤惯性系统测量的连续线形曲线与高精度挠度仪散点测量值拟合得到的线形曲线基本重合，说明光纤惯性系统测量的线形是可靠的，其测量精度较高；两者测量值均与理论计算值存在一定的偏差，说明实际测量值与理论计算值存在一定的区别。满载时最大下挠点在B(见表1)截面，与理论计算是一致的；在B截面，光纤惯性系统测量的挠度值与高精度挠度仪测量值相差1.5 cm左右，其测量值更接近于理论计算值；对于新建大跨度桥梁，当主跨荷载形变达到米级时，光纤惯性系统检测精度满足工程测量需求。

3.3 试验总结

从以上数据分析可知，对于新建大跨度桥梁荷载试验，无论是偏载还是中载，光纤惯性检测系统均能较好地实现对桥梁整体线形进行连续式测量。通过采用基于EMD和ICA混合噪声处理方法对线形数据进行分析和处理，得到的挠度值与传统差分挠度仪测量结果十分接近，且误差在1 cm左右，满足工程测量需求。

4 结语

基于光纤惯性传感技术的线形检测系统借助运载平台对结构表面进行移动式检测时，待测结构表面无需安装任何传感器，在检测过程中无需封路，不影响交通， 具有方便、快捷、测量点连续、精度高等特点。该系统使用便捷、移植灵活、效率高，特别适合大跨度新建桥梁多工况荷载试验，能够准确定位桥跨最大下挠处，不遗漏任何病害部位。采用小波分析、经验模态分解(EMD)和独立成分分析(ICA)混合信号处理方法对外界振动引起的噪声信号进行提取、滤波和线形数据重构，可以确保线形测量结果的准确性和完整性。该技术已经30多座大、中型桥梁结构健康巡检中得到推广使用，受到用户好评。