Generic Radar Processing Methods for Monitoring Tasks on Bridge Infrastructure
Creators: name: Michel, Chris Eric
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: ground-based interferometric radar
remote measurement
structural health monitoring (SHM)
three-dimensional displacement
modal analysis
measurement uncertainty

description: Kritische Verkehrsinfrastrukturen, wie z. B. Brücken, können nur dann sicher betrieben werden, wenn ihr Zustand regelmäßig bewertet wird. Neben visuellen Inspektionen umfasst die Bewertung auch Messungen des Brückenverhaltens auf statische oder dynamische Lasten. Diese Messungen werden in der Regel mit einer Vielzahl von Sensoren durchgeführt, die direkt an der Brücke befestigt sind. Zunehmend werden jedoch auch Fernerkundungssensoren eingesetzt, wie z.B. das bodenbasierte interferometrische Radar (engl.: ground-based interferometric radar - GBR). GBR können aus der Ferne Verschiebungen mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich messen, indem sie eine elektromagnetische Welle aussenden, die von Strukturen an der Unterseite der Brücke reflektiert wird. Im Vergleich zu direkt befestigten Sensoren wird die Installationszeit verkürzt und der normale Betrieb der Brücke wird nicht beeinträchtigt. Vergleichbare Messunsicherheiten lassen sich jedoch nur erreichen, wenn bei der Prozessierung der Messungen bestimmte Herausforderungen berücksichtigt werden. Dabei geht es vor allem um die Entfernung externer Einflüsse wie Störungen des Signals oder Veränderungen atmosphärischer Parameter. Die Messungen werden außerdem durch statischen Clutter und Projektionsfehler beeinflusst, die zu systematischen Abweichungen führen. Statischer Clutter wird mit einer angepassten Kreisschätzung bestimmt, während Projektionsfehler durch die Verwendung mehrerer Sensoren zur Schätzung separater Verschiebungskomponenten vermindert werden. Mit diesen zusätzlichen Prozessierungsschritten erreicht GBR eine ähnliche Unsicherheit wie andere Fernerkundungssensoren, was durch Vergleiche mit Referenzsensoren validiert wird. Verbleibende Unterschiede zu diesen Referenzsensoren lassen sich durch Unsicherheiten bei der Schätzung von Clutter und durch die begrenzte Auflösung einzelner Reflexionen erklären. Die resultierenden Verschiebungsmessungen werden dann zur Schätzung schadensempfindlicher Merkmale wie Eigenfrequenzen und Eigenformen verwendet. Eigenfrequenzen werden bestimmt, indem ein Modell einer gedämpften Sinuskurve für die Schwingung nach einer Fahrzeugüberfahrt geschätzt wird. Mit diesem Ansatz wird jede Fahrzeugüberfahrt separat analysiert, was eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Fahrzeugmassen ermöglicht. Außerdem erlaubt die große Anzahl von Frequenzschätzungen eine zuverlässigere Bestimmung des Temperatureinflusses auf die Eigenfrequenzen. Für die Bestimmung der Eigenformen wird ein alternativer Messaufbau erarbeitet. Dieser Aufbau nutzt die flache Unterseite einer Brücke, um das ausgesendete Signal auf einen Reflektor auf dem Boden zu spiegeln. Eine permanente Installation von Reflektoren an der Brückenunterseite ist daher nicht erforderlich, wodurch die Anwendung von GBR auf eine große Anzahl von Brücken erweitert wird. Darüber hinaus kann die Messung nicht durch andere Verschiebungskomponenten beeinflusst werden, was das Auftreten von systematischen Abweichungen verringert. Folglich sind die Eigenformen empfindlicher gegenüber Schäden, da die Unsicherheiten reduziert werden. Das zugrunde liegende Prinzip dieses alternativen Messaufbaus wird wiederum durch Vergleiche mit Referenzsensoren validiert.