微變形監(jiān)測(cè)雷達(dá)(IBIS系統(tǒng))

王俊宇

(長(zhǎng)春市測(cè)繪院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)介

在過去的十幾年中，國(guó)外學(xué)者開發(fā)出許多地面的傳感器來實(shí)現(xiàn) GBInSAR(Ground－Based Interferometric SAR)，并作了相關(guān)的研究。1999年D Tarchi等利用LISA(Linear Synthe－tic Aperture Radar)對(duì)威脅奧地利的Schwaz鎮(zhèn)的滑坡體進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)研究;G Luzi等對(duì)Belvedere冰川的移動(dòng)進(jìn)行了研究;G Antonello等利用星載SAR和地面SAR研究了Stromboli火山的變形。

IBIS(Image By Interferometric Survey)系統(tǒng)是由意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)經(jīng)過6年合作研發(fā)的結(jié)果，它能夠?qū)δ繕?biāo)物提供連續(xù)、全面的監(jiān)測(cè)［1］。它將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(Stepped－Frequency Continuous Wave)和干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，能夠廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁、高塔、壩體、公路和鐵路邊坡等微小位移變化的監(jiān)測(cè)。IBIS系統(tǒng)分為兩種型號(hào)，IBIS－S(Image By Interferometric Survey of Structures)與 IBIS－L(Image By Interferometric Survey of Landslides and slopes)，其各自功能特點(diǎn)如下:

IBIS－S主要用于對(duì)橋梁、建筑物、高塔等易發(fā)生微小變化的物體進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，得到被測(cè)物每部分的位移變化量，分析建筑物或橋梁上每一個(gè)點(diǎn)的變形、振動(dòng)情況。此外，通過該設(shè)備能夠及其便捷地對(duì)橋梁或建筑物進(jìn)行健康普查和評(píng)估。IBIS－S的測(cè)程為0.01 km～2 km，精度為±(0.1～0.01)mm，最大采樣頻率 200 MHz。

IBIS－L可對(duì)大壩，邊坡，建筑物等易發(fā)生微小位移變化的物體進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，得到被測(cè)物每部分的位移變化量，分析水庫(kù)變形機(jī)理和變形特征，評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害。此外，通過該設(shè)備能夠及時(shí)對(duì)各種危險(xiǎn)區(qū)域做出災(zāi)害預(yù)報(bào)，極大減少或避免災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失。IBIS－L的測(cè)程為0.2 km～4 km，監(jiān)測(cè)精度為±0.1 mm，最小采樣間隔為5 min。

2 IBIS系統(tǒng)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 步進(jìn)頻率連續(xù)波(SF－CW)技術(shù)

IBIS系統(tǒng)的主體設(shè)備是一臺(tái)KU波段(16.6 GHz～16.9 GHz)的步進(jìn)頻率連續(xù)波雷達(dá)。雷達(dá)的距離分辨率△r與單個(gè)雷達(dá)脈沖的持續(xù)時(shí)間τ有以下關(guān)系:

式中，c為光速。雷達(dá)單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間τ與帶寬B的乘積為1，故式(1)可以寫成:

由上述兩個(gè)式子可以看出，要增加雷達(dá)的距離分辨率，我們可以減少τ或者增大帶寬B。減小τ，會(huì)造成脈沖波的頻率增加，作用距離變短。為了保持一定的距離分辨率和一定的作用距離，IBIS的雷達(dá)采用了SF－CW技術(shù)，即在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)射步進(jìn)頻率為△f的一組N個(gè)電磁波(如圖1所示)，采用這樣的發(fā)射方式后，IBIS的雷達(dá)的有效帶寬Beff為:

由于IBIS的雷達(dá)是處于16.6 GHz～16.9 GHz的Ku波段，故其帶寬B為 0.3 GHz，代入式(2)，可以得出，IBIS雷達(dá)的距離分辨率為0.5 m，且該雷達(dá)的距離分辨率與作用距離無(wú)關(guān)。圖2為IBIS雷達(dá)距離分辨率示意圖。分析圖2可見，根據(jù)回波強(qiáng)度，我們可以很好地分辨出目標(biāo)點(diǎn)，很好地得到目標(biāo)點(diǎn)在電磁波傳播方向上的位移變化。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)處于距離IBIS雷達(dá)的統(tǒng)一區(qū)間的時(shí)候，此時(shí)，將無(wú)法準(zhǔn)確地得到目標(biāo)點(diǎn)的信息。

圖1 SF－CW雷達(dá)波示意圖

圖2 距離分辨率剖面圖

2.2 合成孔徑雷達(dá)(SAR)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)是利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一個(gè)較大的等效天線孔徑的雷達(dá)［2］。合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)是分辨率高，能全天候工作，能有效地識(shí)別偽裝和穿透掩蓋物［3］。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)主要用于IBIS－L上，該技術(shù)主要是為了提高IBIS系統(tǒng)的角度分辨率，可以在保持現(xiàn)有雷達(dá)天線不變動(dòng)的情況下，使雷達(dá)的角度分辨率大大的提高。IBIS－L型號(hào)儀器有一條長(zhǎng)為2 m的線形掃描器軌道，故雷達(dá)天線可以在電腦的控制下，直線沿著軌道運(yùn)動(dòng)，使雷達(dá)從不同的角度發(fā)射電磁波，從而提高雷達(dá)的角度分辨率。IBIS－L的角度分辨率可以達(dá)到4.5 mrad。角度分辨率對(duì)應(yīng)著的空間的橫向分辨率=角度分辨率×距離。于是，在雷達(dá)具有距離向分辨率和角度向分辨率之后，能夠?qū)⑦@個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域分割成很多單元，采集每一個(gè)單元的位移信息，再將所有信息結(jié)合起來。距離向以0.5 m為一單元進(jìn)行分割，角度向以4.5 mard為一個(gè)單元進(jìn)行分割。雷達(dá)最大的監(jiān)測(cè)區(qū)域可達(dá)7 km2，最大分割單元數(shù)量可達(dá)200000個(gè)。IBIS－L系統(tǒng)的空間分辨率示意圖如圖3所示。

圖3 IBIS－L空間分辨率示意圖

2.3 干涉測(cè)量技術(shù)

干涉測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)用途十分廣泛的測(cè)量技術(shù)，其通過比較在不同時(shí)刻的反射回來的電磁波的相位變化來獲取物體位移的變化。IBIS系統(tǒng)中，雷達(dá)通過干涉測(cè)量獲取目標(biāo)體在電磁波傳播方向的位移變化dr。

式中，λ為波長(zhǎng)，△φ為相位差。

3 IBIS系統(tǒng)的可靠性與精度

由于IBIS系統(tǒng)標(biāo)稱能達(dá)到亞毫米的精度，在該系統(tǒng)正式用于工程項(xiàng)目變形監(jiān)測(cè)之前，為了保證IBIS系統(tǒng)測(cè)量的可靠性與精度，國(guó)外學(xué)者已作了大量的對(duì)比試驗(yàn)，以下簡(jiǎn)要列舉幾個(gè)有代表性的試驗(yàn)。

3.1 彈簧振動(dòng)試驗(yàn)［4］

該試驗(yàn)由Bernardini于2007年進(jìn)行的。試驗(yàn)的主要設(shè)施有兩部分，第一部分為一個(gè)加裝了主動(dòng)反射裝置(角反射器)的彈簧，如圖4所示，第二部分為一臺(tái)IBISS儀器。IBIS－S雷達(dá)發(fā)射天線距離主動(dòng)反射裝置的距離為7 m，如圖5所示。將IBIS－S儀器的最大測(cè)量距離設(shè)置為50 m，采樣頻率設(shè)置為50 Hz。儀器相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢后，振動(dòng)彈簧，開始測(cè)量。圖6顯示的是該試驗(yàn)的距離剖面圖，從圖中，我們可以看到在距離為7 m處，反射波的強(qiáng)度最大，很好地反映出主動(dòng)反射裝置所在的位置。圖7是IBIS－S儀器所測(cè)量到的，在1000 s內(nèi)反射體的唯一變化情況，可以看出，其位移變化完全符合小阻尼單自由度機(jī)械系統(tǒng)的變化規(guī)律。為了更加準(zhǔn)確的顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的特性，將圖7的780 s～820 s以及870 s～910 s兩個(gè)部分進(jìn)行放大，分別得到圖8與圖9。

圖4 主動(dòng)反射裝置

圖5 IBIS－S儀器與主動(dòng)反射裝置安放示意圖

圖6 距離剖面圖

圖7 位移變化過程線

圖8 局部放大(780 s～820 s)

圖9 局部放大(870 s～910 s)

從圖8，我們可以看出，即使是在位移僅僅有0.1 m～0.2 m的時(shí)候，IBIS－S系統(tǒng)還是很好的探測(cè)到位移的變化，很好的顯示了阻尼運(yùn)動(dòng)的振幅變化。分析圖9，我們可以看到，只有當(dāng)唯一變化小于0.01 m的時(shí)候，IBISS所探測(cè)到的位移才發(fā)生不符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的情況。

從上述實(shí)驗(yàn)，可以得出，在實(shí)驗(yàn)室的條件下，測(cè)程為7 m的情況，IBIS－S對(duì)位移變化的監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于0.02 mm。

3.2 Capriaet大橋的環(huán)境振動(dòng)測(cè)試［5］

Gentile與Bernardini于2008年在Capriaet大橋上進(jìn)行了環(huán)境振動(dòng)測(cè)試(AVT)，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)者在大橋上布設(shè)了32個(gè)WR731A型傳感器，這些傳感器可以記錄速度(mm/s)或加速度信息，是一種識(shí)別橋梁的動(dòng)態(tài)特征的傳統(tǒng)手段。為了使IBIS－S得到更精確的結(jié)果，在一些測(cè)試點(diǎn)上安裝了6個(gè)主動(dòng)反射裝置，為了使傳感器與雷達(dá)所得到的數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果更精確，安裝的時(shí)候，使主動(dòng)反射裝置的安裝位置離WR731A型傳感器盡可能近。在實(shí)驗(yàn)的過程中，由IBIS－S系統(tǒng)得到了距離剖面圖，如圖11所示。

圖10 傳感器與主動(dòng)反射裝置安裝位置示意圖

圖11 距離剖面圖

由圖11可以看出，圖上信號(hào)最強(qiáng)的點(diǎn)，很好地對(duì)應(yīng)了安放主動(dòng)反射裝置的位置，而且說明回波強(qiáng)度最高的點(diǎn)能獲取較高的精度。

接下來，在26號(hào)點(diǎn)上，比較由WR731A傳感器所獲得的速度信息與通過IBIS－S系統(tǒng)獲得的速度信息，如圖12所示。比較兩幅圖，我們可以得出，用IBIS－S系統(tǒng)所測(cè)的速度跟用傳統(tǒng)的傳感器所測(cè)得的速度吻合度很高。兩幅圖上的細(xì)微不吻合的地方，主要由于兩種傳感器的SNR不同。

接下來，為了保證測(cè)試的普遍性，在22、25、27號(hào)點(diǎn)上，進(jìn)行同樣的比較，所得到的對(duì)比圖像分別如圖13、14、15。分析這三個(gè)圖，可以得出相同的結(jié)論，即IBIS－S系統(tǒng)所測(cè)的速度跟用傳統(tǒng)的傳感器所測(cè)得的速度吻合度很高，充分說明了IBIS－S系統(tǒng)的可靠性。

圖12 26號(hào)點(diǎn)上不同傳感器所測(cè)得的速度

圖13 22號(hào)點(diǎn)上不同傳感器所測(cè)得的速度對(duì)比圖

圖14 25號(hào)點(diǎn)上不同傳感器所測(cè)得的速度對(duì)比圖

圖15 27號(hào)點(diǎn)上不同傳感器所測(cè)得的速度對(duì)比圖

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明了 IBIS系統(tǒng)的精度優(yōu)于0.02 mm，且其在長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的情況下，穩(wěn)定性也可以得到保證。

4 IBIS系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

IBIS在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用是在CCTV新臺(tái)地上所做了一個(gè)動(dòng)態(tài)性試驗(yàn)［6］，如文獻(xiàn)［4］所示，在該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，IBIS對(duì)CCTV新臺(tái)址做了持續(xù)時(shí)間為59 min 57 s，采樣率為1 Hz的，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析表明，在最大變形不超多1.2 mm的時(shí)候，IBIS系統(tǒng)仍然能夠檢測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律，可以證實(shí)IBIS系統(tǒng)的高精度。在對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析［7］，并用其得到的振動(dòng)頻率與理論計(jì)算得出的振動(dòng)頻率［8］相比，一階振型自振頻率的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值差異稍大，為6%，第二、三階的自振頻率的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值很吻合，誤差不超過1%。由此可以表明，IBIS系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)高層建筑的動(dòng)態(tài)特性上也是可行的。

除了上述之外，IBIS系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用我國(guó)其他的工程項(xiàng)目中。目前，IBIS－S系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于四川金沙江大橋(靜態(tài)撓度測(cè)量、動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量、自振模態(tài)分析)，寶成鐵路清江七號(hào)橋(動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量)，漳龍高速石崆山大橋(橋梁撓度與振動(dòng)測(cè)試)，杭州錢塘江大橋(靜態(tài)撓度測(cè)量)，京津高速鐵路楊村大橋(動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量)。IBIS－L系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于龍頭石水電站大壩監(jiān)測(cè)。

5 IBIS系統(tǒng)存在的不足

IBIS系統(tǒng)作為一種全新技術(shù)，以其高精度，實(shí)時(shí)性以及高穩(wěn)定性，在變形監(jiān)測(cè)，特別是需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，我們同樣要看到IBIS系統(tǒng)目前存在的不足。就目前而言，IBIS系統(tǒng)主要有兩點(diǎn)不足:

(1)IBIS雷達(dá)獲取的只是一維的圖像，距離分辨率為0.5 m，這就意味著，當(dāng)測(cè)量的目標(biāo)物體到儀器的距離相差不大的時(shí)候，IBIS系統(tǒng)很有可能無(wú)法正確識(shí)別目標(biāo)物體。

(2)IBIS系統(tǒng)獲取的位移變化信息是位于電磁波傳播方向上的，因此，如果我們需要獲取目標(biāo)點(diǎn)真實(shí)的三維位置變化情況，就必須要知道測(cè)量時(shí)儀器以及電磁波的方位信息。

［1］IBIS－S儀器設(shè)備介紹［EB/OL］.www.Pt－cn.com

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