新型FMCW地基合成孔徑雷達(dá)在大橋變形監(jiān)測中的應(yīng)用

郭 鵬，張昊宇，陳 力,周克勤,王春來

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044； 2. 浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 306022； 3. 北京富斯德科技有限公司，北京 100078； 4. 武警黃金第七支隊(duì)，山東 煙臺 264004)

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新型FMCW地基合成孔徑雷達(dá)在大橋變形監(jiān)測中的應(yīng)用

郭 鵬1，張昊宇2，陳 力3,周克勤1,王春來4

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044； 2. 浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 306022； 3. 北京富斯德科技有限公司，北京 100078； 4. 武警黃金第七支隊(duì)，山東 煙臺 264004)

地基合成孔徑雷達(dá)(GB-SAR)是一種新型的建筑變形監(jiān)測技術(shù),相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段,該方法擁有高精度,覆蓋面大等優(yōu)點(diǎn)?；贔MCW技術(shù)的Fast-GBSAR系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，相較于國內(nèi)已有的基于步進(jìn)連續(xù)波技術(shù)的類似系統(tǒng)，該系統(tǒng)處理速度提高30倍，并擁有更高的可靠性。Fast-GBSAR在國內(nèi)已對多座大橋進(jìn)行了公開測試，監(jiān)測結(jié)果表明Fast-GBSAR測量精度能達(dá)到0.01 mm，在變形監(jiān)測領(lǐng)域極具潛力。

地基合成孔徑雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波；橋梁變形監(jiān)測

地基合成孔徑雷達(dá)(GB-SAR)技術(shù)是近幾年新興的變形監(jiān)測技術(shù)[1]。該技術(shù)將傳統(tǒng)的星載、機(jī)載SAR技術(shù)移植到地面，利用SAR雷達(dá)成像技術(shù)，在距離向和方位向?qū)崿F(xiàn)了高分辨率，能夠?qū)ΦV山邊坡、大壩、橋梁、建筑的微動變形和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行全天候大面積監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)的固定式傳感器和GPS，該技術(shù)具有連續(xù)工作，覆蓋面大，精度高,無損等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)使用的地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)多采用步進(jìn)連續(xù)波技術(shù)(SFCW)，此類系統(tǒng)對目標(biāo)如建筑、邊坡等發(fā)射并接收電磁波，每5 min采集一次數(shù)據(jù)，通過對接收信號的相位進(jìn)行分析用于監(jiān)測目標(biāo)的形變情況[2]。2013年，荷蘭Metasensing公司成功研制一款新型地基合成孔徑雷達(dá)，即快速地基合成孔徑雷達(dá)(Fast-GBSAR),該設(shè)備采用全新的調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(FMCW)設(shè)計(jì)理念，將數(shù)據(jù)采集速度提高到10 s/次。相較于采用步進(jìn)連續(xù)波技術(shù)(SFCW)系統(tǒng)，F(xiàn)ast-GBSAR大大減輕了因環(huán)境快速變化而產(chǎn)生的大氣效應(yīng)誤差，并提高了前后兩組數(shù)據(jù)的銜接性。此外，得益于極高的數(shù)據(jù)采集速度，觀測結(jié)果幾乎可以做到對目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該設(shè)備在近兩年內(nèi)對國內(nèi)多座大橋進(jìn)行了多項(xiàng)監(jiān)測，取得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文選取對某跨海大橋的監(jiān)測案例，對測試過程、監(jiān)測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 地基合成孔徑雷達(dá)原理及Fast-GBSAR系統(tǒng)介紹

1.1 GB-SAR目標(biāo)變形監(jiān)測原理

地基合成孔徑雷達(dá)(GB-SAR)采用電磁波主動探測成像方式[3]，利用差分干涉技術(shù)，通過對目標(biāo)體發(fā)射和接收微波信號并計(jì)算它們之間的相位差來監(jiān)測目標(biāo)體的變形和微動情況。GB-SAR先后兩次發(fā)射并接收電磁波信號，在此期間，目標(biāo)視線方向(LOS)形變量記作dLOS，兩次接收信號的相位記分別作φ1、φ2，則雷達(dá)視線方向(LOS)的形變量可表示為

dLOS=(λ/π)(φ2-φ1)

(1)

1.2 Fast-GBSAR系統(tǒng)介紹

Metasensing公司研制的Fast-GBSAR采用FMCW技術(shù)。與傳統(tǒng)的雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW SAR采用全新的信號處理方式，對回波信號進(jìn)行去調(diào)頻處理，將回波的射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號并進(jìn)行后期處理。這一方式大大簡化了雷達(dá)射頻結(jié)構(gòu)，同時(shí)FMCW發(fā)射功率低，避免了使用高功率器件，使雷達(dá)整體成本和重量降低，并提高了數(shù)據(jù)獲取和處理速度。此外，傳統(tǒng)雷達(dá)的距離向分辨率隨信號帶寬的增大而提高，因而需要更高的采樣率，這加重了儀器采樣速率的需求。而FMCW對差頻帶寬進(jìn)行處理，這一處理方式在確保信號大帶寬、高分辨率的同時(shí)，極大地降低了對信號采樣率的要求。

Fast-GBSAR可以在兩種模式下工作：SAR模式(合成孔徑模式)和RAR模式(真實(shí)孔徑模式)。SAR模式下，F(xiàn)ast-GBSAR安置在2 m長的軌道上并沿著導(dǎo)軌循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，每10 s間隔Fast-GBSAR可以完成一次往返運(yùn)動并采集一組數(shù)據(jù)和獲取二維圖像。該二維圖像的距離向分辨率和角度分辨率分別為0.75 m和4.5 m/rad，目標(biāo)形變量測量精度為0.1 mm，如圖1(a)所示。工作在RAR模式時(shí)，將Fast-GBSAR放置在三腳架上，持續(xù)發(fā)射并接收信號，此時(shí)Fast-GBSAR位置不變，因此回波信號只具有距離分辨率，如圖1(b)所示。工作在RAR模式時(shí)，形變測量精度能達(dá)到0.01 mm。

圖1

2 大橋形變監(jiān)測案例

2015年下半年，為了對某跨海大橋進(jìn)行安全監(jiān)測，結(jié)合常規(guī)周期性檢測，對大橋采取了短時(shí)間臨時(shí)性封閉，并進(jìn)行承載能力荷載試驗(yàn)。該大橋分為東西航道，將監(jiān)測設(shè)備Fast-GBSAR設(shè)置于西航道橋下，對該航道承重負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測。觀測點(diǎn)位布設(shè)如圖2所示，圖2中的陰影部分為雷達(dá)發(fā)射波的覆蓋范圍。當(dāng)載重卡車從橋上通過時(shí)，能夠監(jiān)測荷載變化引起的橋梁變形情況，尤其是橋梁垂直向的形變量。

圖2 觀測位置

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

監(jiān)測期間，雷達(dá)持續(xù)對橋面發(fā)射并接收FMCW波。發(fā)射信號的基本參數(shù)如下：頻率為Ku波段,17.2 GHz;帶寬為-199.9 MHz；PRF為375.1 Hz；距離向分辨率為0.75 m。由于信號是持續(xù)發(fā)射并接收，為避免單個(gè)信號存儲文件過大，信號每724 s被切割一次。所有采集的數(shù)據(jù)存儲在雷達(dá)內(nèi)嵌的FPGA中，雷達(dá)的動作由連接在雷達(dá)上的筆記本電腦進(jìn)行控制。

圖3為其中一組接收數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)為接收信號強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為視線方向(LOS)距離。由于雷達(dá)附近的干擾物會對回波信號產(chǎn)生強(qiáng)干擾，首先利用漢明窗對回波信號采用濾波處理，濾除近距離強(qiáng)散射信號。

圖3 回波能量

圖4為濾波后的回波能量圖，在近距離處的反射雜波強(qiáng)度明顯被減弱，而遠(yuǎn)距離處的橋梁散射信號被保留。

隨后對雷達(dá)與大橋的相對位置和信號信噪比進(jìn)行了計(jì)算。其中圖5(a)顯示了雷達(dá)的位置，黑線為橋梁，圓圈為雷達(dá)位置，灰線為雷達(dá)波束覆蓋面。圖5(b)為雷達(dá)接收信號的信噪比，縱坐標(biāo)是雷達(dá)信噪比大小，橫坐標(biāo)依然是視線方向(LOS)距離。

圖4 濾波后的回波能量

圖5

2.2 永久散射點(diǎn)(PS)選取

永久散射點(diǎn)(PS)是指監(jiān)測目標(biāo)上具有較高穩(wěn)定性和強(qiáng)反射特性的點(diǎn)，PS會對雷達(dá)波進(jìn)行強(qiáng)反射。而通過監(jiān)測橋梁上PS點(diǎn)的形變量可以對橋梁在通行卡車重力作用下的變形情況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。圖6(a)顯示了回波信號經(jīng)過預(yù)處理后的信噪比，其中橫坐標(biāo)為視線方向(LOS)距離，縱坐標(biāo)為信噪比(SNR)。通過選取SNR曲線中的峰值點(diǎn)可以得到PS點(diǎn)的位置和SNR大小，其中PS點(diǎn)均用黑色×予以標(biāo)注。隨后，這些PS點(diǎn)在極化圖中進(jìn)行了繪制。如圖6(b)所示，極化圖中不同的點(diǎn)代表了不同的PS點(diǎn)，其中，每個(gè)點(diǎn)所在位置的半徑代表了SNR大小，而角度代表了PS點(diǎn)的相位。能夠看出，一些PS點(diǎn)含有較大的噪聲，通過刪除較大的噪聲點(diǎn)能夠選取低噪聲的PS點(diǎn)做下一步處理，如圖6(c)所示。

通過對低噪聲PS點(diǎn)的選取，可以對每個(gè)PS點(diǎn)的形變情況進(jìn)行分析，并進(jìn)而得出橋梁在載重卡車通過時(shí)的形變量，用于分析橋梁健康狀況。其中，雷達(dá)視線方向(LOS)形變量dLOS的計(jì)算公式為

dLOS=λ·Δφ/π

(2)

式中，λ代表發(fā)射信號波長；Δφ代表發(fā)射與接收信號相位差。由于采用Ku波段發(fā)射信號，因此dLOS的精度可以達(dá)到0.01 mm。

圖6

通過式(2)計(jì)算得出每個(gè)PS點(diǎn)的形變量(displacement)隨時(shí)間變化的特性曲線，并在垂直方向進(jìn)行投影計(jì)算出大橋垂直方向的形變量，如圖7(a)所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為PS點(diǎn)的形變量?？梢钥闯?，大橋西段在卡車通過時(shí)的形變量范圍在±0.5 mm之間，而且Fast-GBSAR的形變監(jiān)測精度也達(dá)到亞毫米級(0.01 mm)。

對PS點(diǎn)形變曲線進(jìn)行頻域分析可以得到該跨海大橋的本征頻率、阻尼系數(shù)等橋梁信息。如圖7(b)所示，對圖7(a)做FFT之后得出頻域的形變曲線，在2.15 Hz處形變量取得最大值，可以得出大橋的本征頻率為2.15 Hz。此外，阻尼系數(shù)也可以計(jì)算得出，如圖7(c)所示，其中阻尼系數(shù)ζ=0.108 74%。

圖7

通過以上分析可知，該跨海大橋西側(cè)在通過載重卡車時(shí)的荷載形變范圍為±0.5 mm，小于安全形變量閾值，橋體形變狀況滿足安全要求。

3 結(jié) 語

本文介紹了利用Fast-GBSAR對某跨海大橋進(jìn)行形變監(jiān)測的情況。通過對雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)的分析處理，得出了大橋西段在載重汽車通行下的形變量范圍為±0.5 mm,雷達(dá)測量精度達(dá)到亞毫米級(0.01 mm)。采用模態(tài)分析計(jì)算得出大橋本征頻率為2.15 Hz。監(jiān)測成果表明了采用Fast-GBSAR對橋梁變形安全監(jiān)測的有效性、可靠性和精確性。

地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)目前正處于蓬勃發(fā)展的階段，雖然在應(yīng)用中還存在著一些不完善，但通過更多的實(shí)踐和改進(jìn)，將會在橋梁安全監(jiān)測和結(jié)構(gòu)安全評估領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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A Novel FMCW GB-SAR Based Bridge Deformation Measurement Campaign

GUO Peng1,ZHANG Haoyu2,CHEN Li3,ZHOU Keqin1,WANG Chunlai4

(1. Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. Zhejiang Ocean University, Zhoushan 306022, China; 3. Beijing FSD Technology Co. Ltd., Beijing 100078, China; 4. Armed Police Gold of The Seventh Detachment, Yantai 264004, China)

Ground-based synthetic aperture radar (GB-SAR) is a new type of building deformation monitoring technologies. Compared with the traditional monitoring methods, this method features high precision and large area. Fast-GBSAR is designed based on the frequency modulated continuous wave (FMCW) technology. Compared with the similar system based on the stepping continuous wave technology in China, the processing speed of the system is increased by 30 times and the reliability is higher. Fast-GBSAR has carried on the public test to many bridges in the country, the monitoring result indicated that Fast-GBSAR measurement precision can achieve 0.01 mm. Fast-GBSAR has the great potential in the deformation monitoring domain.

ground-based synthetic aperture radar; frequency modulated continuous wave; bridge deformation monitoring

郭鵬，張昊宇，陳力,等.新型FMCW地基合成孔徑雷達(dá)在大橋變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(6)：94-97.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0198.

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金(41501494)；浙江海洋大學(xué)科研啟動經(jīng)費(fèi)(21045012815)

郭 鵬(1993—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榈鼗鵖AR技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail:2531232650@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)06-0094-04