基于地基SAR的水壩實時監(jiān)測系統(tǒng)

張昊宇+胡豪杰

摘 要：目前國內(nèi)對小型水壩的監(jiān)控尚未做到自動化與智能化。惡劣天氣出現(xiàn)時只能依靠傳統(tǒng)的人工巡檢，效率低下且危險系數(shù)高。本文提出一種基于FMCW地基合成孔徑雷達（GB-SAR）的水壩實時監(jiān)測方法，通過該技術(shù)可以對壩面的變形進行實時監(jiān)測，預(yù)測潰堤風(fēng)險。文中利用GB-SAR對一座人工壩進行了測試，成功預(yù)測了水壩的位移。實驗證明了基于GB-SAR技術(shù)的水壩監(jiān)測的可靠性。

關(guān)鍵詞：地基合成孔徑雷達；水壩監(jiān)測；變形監(jiān)測

中圖分類號：TN99 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）01-0072-02

目前國內(nèi)的航道和湖泊分布著數(shù)量眾多的水壩，很多水壩缺乏有效的監(jiān)管，在惡劣天氣下存在垮塌的危險。傳統(tǒng)的水壩監(jiān)測大多依靠人力巡檢，這在應(yīng)對天氣快速變化時引起的大壩變形缺乏及時有效的監(jiān)控，導(dǎo)致潰堤的隱患較高。目前，基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)的地基合成孔徑雷達（GBSAR）監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為最有潛力的水壩監(jiān)測手段之一。該技術(shù)利用差分干涉合成孔徑雷達原理，對壩體表面持續(xù)發(fā)射并接收電磁波獲取二維圖像信息。通過對獲取圖像序列的分析可以獲得壩面整體的變形情況。由于采用最新的FMCW技術(shù)，圖像序列的獲取時間可以低至5秒，這與傳統(tǒng)的SFCW-GBSAR相比，時效性大大提高，幾乎可以做到實時處理。本文利用GB-SAR對一座人工水壩進行持續(xù)掃描和數(shù)據(jù)自動分析，準(zhǔn)確地監(jiān)測了大壩的移動。

1 FMCW-GBSAR系統(tǒng)原理與算法

1.1 FMCW-GBSAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FMCW-GBSAR將合成孔徑雷達的原理從機載和星載平臺移植到地面上，利用大帶寬獲取距離維的高分辨率，并利用雷達在導(dǎo)軌上的往復(fù)運動獲取方位維的高分辨率。通過對目標(biāo)持續(xù)發(fā)射和接收電磁波信號，并實時處理計算發(fā)射接收信號之間的相位差，可以獲取目標(biāo)的變形與微動狀態(tài)。

1.2 干涉測量算法

2 人工水壩實驗

2.1 人工水壩結(jié)構(gòu)

為了對堤壩的變形進行觀測，四川大學(xué)構(gòu)建了一套人工壩用以進行大壩監(jiān)測實驗。FMCW-GBSAR利用該人工壩進行了大壩變形測試。由于水壩中存在的高壓，水壩的底部及其容易出現(xiàn)滲透和撕裂，尤其是國內(nèi)分布較多的小型水壩。在水壩底部由于高壓會在攔水壩內(nèi)部形成管道型的裂縫，并開始擴散增大。隨著裂縫的增大，水壩將產(chǎn)生潰堤的危險。本實驗試圖在準(zhǔn)確獲取大壩微形變的前提下，分析蓄水、泄洪對壩體本身的影響及安全性評估。在壩體前方大約50米處放置FMCW-GBSAR并工作在SAR模式下，以持續(xù)觀測壩體的變形情況。

FMCW-GBSAR被放置在距離壩體50米，長2米的導(dǎo)軌上，并在控制器的作用下往復(fù)運動，每7秒采集一副圖像。雷達波束方位向-3B寬度為32°，在50米處的覆蓋范圍26米，可以覆蓋大部分壩體寬度，如圖1（a）。該雷達最大作用距離為4千米，因此方位向的最大覆蓋范圍為2080米。

2.2 實驗過程與結(jié)果分析

通過對獲取的二維圖像與壩體的高程模型進行數(shù)據(jù)融合獲取了壩體的持續(xù)變化，如圖1所示。本實驗首先利用反射的信號獲取能量反射圖尋找到固定PS點，如圖1（c）（d），通過對這些PS點的位移進行跟蹤監(jiān)測獲取整個大壩的變形情況。FMCW-GBSAR將持續(xù)發(fā)射并接收電磁波，每7秒獲取一張二維圖像，并通過對回波信號的實時處理獲取壩體的變形情況用以預(yù)測潰堤風(fēng)險。整個實驗（蓄水）過程持續(xù)2小時，在初始階段圖像采樣率設(shè)置為1分鐘/張，這大大節(jié)約了雷達的內(nèi)存空間和耗電量。在雷達觀測到較為明顯的壩體變形之后，系統(tǒng)會自動提高雷達圖像的獲取間隔，達到7秒/張的最高速度。

整個實驗獲取的各個PS點的曲線圖如圖2所示。從實驗開始直到0.125天時，由于整個大壩沒有任何放水與蓄水的活動，因此所有的PS點保持穩(wěn)定，沒有明顯的變化。但注意到即使沒有明顯的變化，這些曲線依然分布著一些類似于噪聲一樣的“毛刺”，這是由于雷達系統(tǒng)自身的熱噪聲引起的。從0.125天到0.19天，大壩開始放水。在這些曲線中，橙色曲線代表了大壩消力池部分，可以觀察到在放水之后，橙色曲線出現(xiàn)了較為明顯的位移，大約2mm左右。這是因為大壩放水之后對消力池進行了沖擊，造成了消力池的位移。本次使用FastGBSAR監(jiān)測模擬壩數(shù)據(jù)共計723景，測區(qū)未有發(fā)現(xiàn)異常，在遠程觀測的數(shù)據(jù)中，經(jīng)過計算，主壩體從一端到另一端依次選擇的點位中，所有點位變化量在±1 mm之間，主壩體以外其他點位中，大壩下游左岸岸邊和消力池外延位置移動量略大，約為0.5～2 mm。觀測過程中變化較大點位處可能是由于人員走動引起（合成孔徑雷達屬于高精度高靈敏度監(jiān)測設(shè)備），但最終結(jié)果又恢復(fù)到初始位置。

3 結(jié)論

基于FMCW-GBSAR的水壩監(jiān)測技術(shù)可以對水壩進行無接觸式的持續(xù)監(jiān)測。通過對回波信號的分析可以做到壩體表面微動變形的實時監(jiān)測。通過在四川大學(xué)對人工水壩的潰堤實驗驗證了FMCW-GBSAR技術(shù)的可靠性，這為我國的潰堤預(yù)警提供了重要的思路。

參考文獻：

[1] Rodelsperger， S.， et al. "Introduction to the new metasensing ground-based SAR： Technical description and data analysis." Geoscience and Remote Sensing Symposium （IGARSS）， 2012 IEEE International IEEE， 2012：4790-4792.endprint