가속도계–FMCW 밀리미터파 레이더 융합을 이용한 고속철도 교량 변위 계측 기법
High-Speed Railway Bridge Displacement Estimation using Accelerometer and FMCW Millimeter-Wave Radar
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초록
본 연구에서는 고속철도 교량의 변위를 정밀 계측하기 위해 FMCW 밀리미터파 레이더와 가속도계를 융합한 변위 계측 기법을 적용하였다. 기존 가속도계 기반 2중 적분 방식은 저주파 드리프트가 크게 발생하며, 레이더 기반 변위는 노이즈, 시선방향(LOS) 제약, 위상 래핑등의 문제가 존재한다. 본 연구는 자동 타깃 선정과 변환계수 산정을 통해 신뢰도 높은 반사면을 선택하였으며, 가속도계 기반 위상 연속화를현장 적용해 대변위 조건에서도 위상 불연속을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 FIR 기반 융합을 통해 레이더 저주파 변위와 가속도계 고주파 변위를 결합해 잡음과 드리프트를 최소화하였다. 국내 고속철도 교량 현장 실험 결과, 제안된 센서는 LDV 변위와 높은 일치도를 보였으며 최대 RMSE는 0.1 mm 이하였다. 이를 통해 본 연구의 계측 시스템이 고속열차 통과 시 발생하는 동적 변위를 실시간으로 정확하게 추정할 수 있음을 검증하였다.
Abstract
This study proposes a displacement estimation method for high-speed railway bridges by integrating measurements from a collocated accelerometer and a frequency-modulated continuous-wave (FMCW) millimeter-wave radar. Conventional accelerometer-based double integration is highly susceptible to low-frequency drift, whereas radar measurements often suffer from noise, line-of-sight limitations, and phase wrapping when the structural displacement exceeds half the radar wavelength. To address these issues, the proposed system automates radar target selection and determines an optimal conversion factor by comparing low-pass-filtered radar displacements with high-pass-filtered accelerometer-based displacements. An accelerometer-aided phase-unwrapping algorithm is then employed to reconstruct continuous phase histories, enabling accurate displacement estimation even under large-amplitude vibrations. Finally, a finite impulse response (FIR) filter is used to fuse low-frequency radar displacement with high-frequency accelerometer displacement, producing a refined displacement signal with reduced noise and drift. Field tests conducted on an operational high-speed railway bridge in South Korea demonstrate strong agreement with laser Doppler vibrometer measurements, with a maximum root mean square error below 0.1 mm. These results confirm the accuracy and robustness of the proposed sensing system and highlight its suitability for real-time structural monitoring under dynamic train loads.