地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

，，

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098; 2.河南城建學(xué)院 測繪工程學(xué)院， 河南 平頂山 467036)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國水利工程建設(shè)發(fā)展迅速，興建了一大批水利重點(diǎn)工程項(xiàng)目，如：小浪底、紫坪鋪等水利樞紐工程。為了掌握水利工程建筑物的穩(wěn)定性，必須對其進(jìn)行有效的變形觀測。目前變形觀測方法主要有地面測量、空間測量、攝影測量和地面三維激光掃描4種，但這些方法存在如下一些不足：地面測量野外工作量大；空間測量易受外界環(huán)境限制；攝影測量精度較低，無法滿足變形監(jiān)測要求；激光掃描技術(shù)遙測距離短。相較于以上傳統(tǒng)的觀測方法，地基InSAR技術(shù)以其測量范圍大、精度高、操作自動化等優(yōu)點(diǎn)開辟了一條變形觀測的新道路[1]。

1 地基合成孔徑雷達(dá)測量原理及IBIS-L系統(tǒng)介紹

地基合成孔徑雷達(dá)干涉( Ground Based Radar, GB雷達(dá)) 技術(shù)基于微波探測主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像,通過合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高空間分辨率,克服了星載SAR 影像受時空失相干嚴(yán)重和時空分辨率低的缺點(diǎn), 通過干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于毫米級的變形監(jiān)測精度。采用GB雷達(dá)技術(shù)能精確測定被測物表面沿雷達(dá)視線向( Line of Sight，LOS) 的微量變形信息，其基本原理是:通過合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像,利用SF-CW(Stepped Frequency Continuous Wave)技術(shù)提高雷達(dá)的距離向分辨率,通過比較影像中目標(biāo)點(diǎn)的電磁波相位信息,采用干涉技術(shù)求取監(jiān)測區(qū)域的變形量[2]。

IBIS ( Image by Interferometric Survey )是用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測目標(biāo)位移且具有成像能力的陸基微波干涉儀, IBIS-L是一種基于微波干涉技術(shù)的創(chuàng)新雷達(dá)(見圖1)。遙測距離可達(dá)4 km，測量精度達(dá)0.1 mm, 與GPS、全站儀等技術(shù)相比, 具有空間連續(xù)覆蓋的優(yōu)勢, 對分析監(jiān)測對象的變形規(guī)律和原理, 預(yù)防安全事故的發(fā)生有重要的作用。該系統(tǒng)將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)、干涉測量技術(shù)相結(jié)合,通過合成孔徑技術(shù)獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像，通過干涉技術(shù)提取相位變化量。下面分別對步進(jìn)頻率連續(xù)波(SF-CW)及合成孔徑雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行簡要說明。

圖1 地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L

1.1 SF-CW技術(shù)

步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)是系統(tǒng)以不同的頻率在Tsweep時間內(nèi)發(fā)射出一組電磁波，通過這項(xiàng)技術(shù)用來保證電磁波的長距離傳輸。步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)還為雷達(dá)提供了很高的距離向分辨率，雷達(dá)能夠提供的頻率帶寬最大為3×108，通過公式Δr=C/2B得到的距離向分辨率Δr為0.5 m。這就意味著在雷達(dá)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，沿徑向每0.5 m被分割成一個單元。

1.2 合成孔徑(SAR)技術(shù)

合成孔徑技術(shù)實(shí)際上是一種多普勒分析技術(shù)。這種技術(shù)是利用運(yùn)動的雷達(dá)在同一距離單元中不同的方位向散射體之間小的多普勒頻移的差別來提高方位維的分辨率的。簡單地說，合成孔徑技術(shù)就是用一個小的真實(shí)天線的運(yùn)動來等效一個長的天線，因此稱之為“合成孔徑”。

2 大氣擾動影響分析

由于干涉雷達(dá)是通過干涉相位信息來提取被測區(qū)域的微小變形，因此干涉相位的質(zhì)量就是變形觀測的關(guān)鍵因素。在星載InSAR技術(shù)中，造成去相干的原因主要有以下幾種：①基線去相干；②頻譜質(zhì)心不一致造成的去相干；③時間去相干，包含重訪周期內(nèi)，受溫度、大氣條件等造成的去相干[3]。盡管地基InSAR與星載InSAR提取地表形變技術(shù)的本質(zhì)是一致的，但是由于地基InSAR技術(shù)不存在基線，因此前2種去相干影響可以忽略不計，則大氣條件所造成的時間去相干就成為地基InSAR提高變形觀測精度的關(guān)鍵[4-6]。

3 隔河巖大壩變形監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)概況

本次變形監(jiān)測區(qū)域?yàn)楦艉訋r大壩，大壩位于湖北省長陽縣附近的清江干流上，水庫總庫容34億m3，裝機(jī)容量121.2萬kW，于1994年建成。此大壩為雙曲重力拱壩，最大壩高151 m，壩頂長653.5 m，壩頂高程206 m。大壩基礎(chǔ)為寒武系石龍洞灰?guī)r，兩岸壩肩上部為平善壩組灰?guī)r、頁巖互層。

觀測時間為2013年7月30日12時至31日12時，共計24 h，獲取SAR影像共267幅，數(shù)據(jù)采樣間隔約為5 min。圖2描述了IBIS-L設(shè)備裝置與大壩之間的相對位置，設(shè)備最大的遙測距離為4 km，實(shí)驗(yàn)最大觀測距離約為1 300 m，設(shè)備安置點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。觀測點(diǎn)位于壩體正前方，設(shè)備與隔河巖大壩間無任何遮擋物，觀測區(qū)域可覆蓋整個壩體及周邊坡岸。

圖2 IBIS-L設(shè)備裝置及觀測區(qū)域

圖3 IBIS-L雷達(dá)信號特征分析

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理前，首先對IBIS-L系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3(a)為觀測區(qū)域的雷達(dá)反射功率圖，圖上可以看出監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取整個大壩的雷達(dá)反射信息，并且同時也能夠從圖中清晰地辨別出基巖、江岸以及廠房的輪廓。從信號特征分析圖中可以看出，大壩整個壩體表面的信噪比均在15 dB以上(見圖3(b))，壩表面的相干系數(shù)均在0.7以上(見圖3(c))，相位穩(wěn)定性均在3.0以上(見圖3(d))。依據(jù)以上的分析，IBIS-L系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取隔河巖大壩壩體表面的雷達(dá)反射信息，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)可靠性較高。

實(shí)驗(yàn)選擇位于大壩左側(cè)基巖處點(diǎn)gcp1為地面控制點(diǎn)，認(rèn)為此點(diǎn)在觀測時間內(nèi)穩(wěn)定無形變。在壩體上均勻選取13個特征點(diǎn)，分別位于壩體的上部、中部以及下部位置(可參見圖4)。由于gcp1點(diǎn)不存在形變量，因此其觀測得到的位移變化量主要是因?yàn)榇髿鈹_動所造成的。利用該點(diǎn)的位移變化量可以對壩體進(jìn)行氣象校正，得到整個壩體表面的變形情況。這里主要是抽取壩體表面13個特征點(diǎn)進(jìn)行位移變化情況分析。

圖4 大壩壩體視線向位移假彩色圖

由圖5可以看出，在起始觀測時間至17:38，除個別點(diǎn)外壩體基本穩(wěn)定，其他的形變量均在4 mm以內(nèi)。在此之后的18:05時刻，壩體整體有靠近雷達(dá)方向約4 mm的線性形變，隨后至19:12時刻大壩壩體恢復(fù)至初始狀態(tài)。至19:58時刻，大壩壩體又出現(xiàn)靠近雷達(dá)方向約為3 mm的線性形變，至31日10:21時刻壩體整體出現(xiàn)遠(yuǎn)離雷達(dá)方向約1 mm的線性形變，壩體趨于穩(wěn)定。隨后至10:53時刻，大壩受外力作用產(chǎn)生了靠近方向5.3 mm的形變。在11:20后開始恢復(fù)到初始狀態(tài)，相對起始狀態(tài)壩體產(chǎn)生不到1 mm的位移。依據(jù)干涉測量的形變數(shù)據(jù)分析，可認(rèn)為大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 壩體特征點(diǎn)視線向時間-位移關(guān)系

為了對地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，在進(jìn)行監(jiān)測的同時，也對大壩實(shí)施了垂線監(jiān)測。由于垂線監(jiān)測時，是假設(shè)壩底底點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行變形觀測，而IBIS系統(tǒng)獲取得到的是視線向的位移值。首先將視線向轉(zhuǎn)換為相對徑向，再計算得到壩體與壩底底點(diǎn)間的位移差，最后進(jìn)行2種觀測結(jié)果的比較(見圖6)。通過對比驗(yàn)證，2種觀測方法結(jié)誤差不超過±2 mm，這是由于大氣擾動等殘余誤差的存在所造成的。驗(yàn)證結(jié)果表明利用地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS進(jìn)行大壩的變形監(jiān)測的技術(shù)方法是可靠的，能夠應(yīng)用于大壩等大型水利工程的變形監(jiān)測。

圖6 IBIS-L變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與大壩垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 語

地基合成孔徑雷達(dá)是利用干涉測量技術(shù)來獲取微小形變的有效手段，已應(yīng)用在大壩、橋梁、邊坡工程等方面的變形監(jiān)測工作中。與傳統(tǒng)的形變觀測方法相比，由于GBInSAR具有精度高、二維成像、實(shí)時監(jiān)控、全天時全天候等技術(shù)優(yōu)勢，是一種極具潛力的監(jiān)測新技術(shù)。本文通過對隔河巖大壩進(jìn)行24 h的不間斷觀測，得到壩體表面的視線向位移變化圖。最后通過垂線監(jiān)測結(jié)果的驗(yàn)證，表明地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的形變監(jiān)測精度完全能夠用于大壩的變形監(jiān)測。

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