地基SAR在建筑基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

陳耀輝

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300143)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種超大型建筑不斷涌現(xiàn)，這就對超大型建筑的安全施工和安全運(yùn)營提出了更高的要求，對其施工過程進(jìn)行高精度監(jiān)測就顯得尤為重要[1]。常規(guī)的形變監(jiān)測手段有全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS、三維激光掃描儀等[2]，這些常規(guī)測量手段雖然適用性廣，但缺點(diǎn)也十分顯著，如野外工作強(qiáng)度大、效率低、危險性高等[3]；受多路徑效應(yīng)、電磁波干擾等影響，GPS定位精度不穩(wěn)定；三維激光掃描技術(shù)施測方便快捷，但測量精度較低。

近年來，隨著SAR(Synthetic Aperture Radar)技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。龍四春[4]從地基SAR的基本原理出發(fā)，介紹了該技術(shù)在形變監(jiān)測中的發(fā)展前景；劉學(xué)敏[5]和黃其歡[6]以實(shí)際工程為例，認(rèn)為地基SAR在水利工程變形監(jiān)測中可以獲得優(yōu)于毫米級的連續(xù)形變信息；王鵬[7]以某酒店大樓的變形監(jiān)測為例，論證了地基SAR可以獲取目標(biāo)區(qū)域的高精度形變信息。地基SAR采用新型主動微波遙感技術(shù)，可以獲得監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域微小的形變量[8-9](亞毫米級或者0.01 mm)，不需要接觸目標(biāo)區(qū)域，儀器安放簡單，數(shù)據(jù)采集方便[10]。以某地下停車場的建筑基坑工程為例，使用Fast GBSAR對該建筑基坑壁進(jìn)行持續(xù)觀測，而后使用改進(jìn)后的限幅濾波法對觀測結(jié)果進(jìn)行處理分析。

1 Fast GBSAR基本工作原理

Fast GBSAR由意大利MetaSensing研發(fā)，是一個高精度、高分辨率的地基SAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩種監(jiān)測模式，即SAR模式和RAR模式。RAR模式下，可以進(jìn)行橋梁、高塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等建筑物的靜態(tài)監(jiān)測以及動態(tài)結(jié)構(gòu)變形健康監(jiān)測。SAR模式下，設(shè)備安裝于可以滑動的導(dǎo)軌上，可提供距離向和方位向的雷達(dá)影像，用于露天礦、大壩、滑坡等人工設(shè)施及自然邊坡的變形監(jiān)測[11-12]。

距離向分辨力是地基SAR監(jiān)測目標(biāo)形變時一個非常重要的指標(biāo)，更高的距離向分辨力可以更高效地了解監(jiān)測目標(biāo)的位移情況[13-14]。Fast GBSAR采用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)來提高監(jiān)測影像的距離分辨力。步進(jìn)頻率連續(xù)波由一系列線性變化的連續(xù)信號組成，可以提高影像的分辨力，降低信號處理機(jī)瞬時帶寬要求[15]。

圖1 步進(jìn)頻率連續(xù)波示意

Fast GBSAR的主機(jī)設(shè)備采用16.6 ～16.9 GHz的Ku波段雷達(dá)，由式(1)可知，F(xiàn)ast GBSAR的距離分辨力為0.5 m，也就是說，對于待監(jiān)測目標(biāo)，在雷達(dá)觀測方向相距0.5 m以上的監(jiān)測點(diǎn)可以在雷達(dá)影像上區(qū)分。

(1)

式中，c為光速，τ為單個脈沖的持續(xù)時間，B為帶寬。

在觀測過程中，對監(jiān)測目標(biāo)連續(xù)采樣，通過計算相鄰反射波的相位差推算出監(jiān)測目標(biāo)的位移量，相位差與位移變化關(guān)系如式(2)所示。通過這種干涉測量技術(shù)，可以使Fast GBSAR比較容易的探測到亞毫米乃至0.01毫米的形變量。

(2)

2 Fast GBSAR基坑監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

2.1 監(jiān)測設(shè)備安裝及參數(shù)設(shè)置

如圖2所示，F(xiàn)ast GBSAR監(jiān)測設(shè)備安裝于被監(jiān)測基坑壁對面兩個固定的石墩上，在基坑壁上均勻安裝了5個永久反射體裝置，以便于在影像上可以快速找到監(jiān)測點(diǎn)并了解其形變信息。施測前應(yīng)調(diào)整安裝角度以及安置位置，確保永久反射體裝置在雷達(dá)觀測區(qū)域內(nèi)。

圖2 Fast GBSAR設(shè)備工作圖

采集參數(shù)如表1所示。

表1 Fast GBSAR采集參數(shù)指標(biāo)

在監(jiān)測期間，基坑依然處于施工階段，并且有混凝土泵車不斷地向基坑內(nèi)注入混凝土。為了得到真實(shí)有效的監(jiān)測效果，觀測過程中的影響因素及時點(diǎn)都需要記錄下來，以便于在數(shù)據(jù)處理階段分析剔除。

2.2 Fast GBSAR數(shù)據(jù)處理

Fast GBSAR監(jiān)測設(shè)備自11月30日12:07開始觀測，歷經(jīng)一個晝夜的不間斷持續(xù)觀測，至第二日6:32結(jié)束，歷時18 h25 min。在此觀測期間，自采集工作開始至11月30日19:00，基坑一直處于施工狀態(tài)，工人的來往以及施工器具會對觀測造成影響。自19:00至觀測結(jié)束(次日6:32)，建筑基坑屬于未施工狀態(tài)，在此時間段內(nèi)得到的觀測數(shù)據(jù)無人為干擾。

使用Fast GBSAR的配套軟件SePSI進(jìn)行處理分析，處理流程如圖3所示。首先將采集到的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行聚焦處理并提取觀測相位，而后對不同時刻相位的變化進(jìn)行干涉處理，分析處理后的時間相干性圖、振幅離散度圖(如圖4)，選取質(zhì)量效果最好的PS點(diǎn)進(jìn)行固定點(diǎn)氣象矯正，得到5個永久反射體的位移變化(如圖5)。

圖3 Fast GBSAR基坑監(jiān)測流程

圖4 時間相干和振幅離散

圖5 PS點(diǎn)位移變化

3 改進(jìn)的限幅濾波法應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)限幅濾波法

傳統(tǒng)的限幅濾波法又叫程序判斷濾波法，如式(3)所示，通常指根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣值允許的最大偏差為A，每次檢測到新值時判斷如下：如果本次采樣值與上次觀測值之差小于等于A，則保留本次值為有效值，如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效，用上次觀測值代替。

(3)

利用Matlab，將傳統(tǒng)的限幅濾波法編程實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于圖5所示的5個PS點(diǎn)，濾波前后PS點(diǎn)的位移變化如圖6所示，可見限幅濾波后PS點(diǎn)的位移變化失真。限幅濾波法的優(yōu)點(diǎn)是可以克服因?yàn)榕既徽`差引起的干擾，但圖6的對比表明，限幅濾波法并不能達(dá)到理想的效果。

圖6 PS點(diǎn)原始位移(上)和限幅濾波后的位移(下)

分析原因可知：若X(1)…X(t)變化均勻且為常數(shù)，X(t+1)-X(t)=A-(1/∞)；X(t+2)-X(t+1)=A-(1/∞)，若經(jīng)過兩個點(diǎn)的突變,則將出現(xiàn)圖6所示結(jié)果。究其原因，是因?yàn)橛袃蓚€未達(dá)到臨界值的突變點(diǎn)，突變過后又回至正常情況。

3.2 改進(jìn)的限幅濾波法

限幅濾波法的應(yīng)用需要注意兩點(diǎn)：一是相鄰點(diǎn)變化閾值的確定，因?yàn)殚撝颠x取的大小決定了限幅的質(zhì)量高低，體現(xiàn)了對偶然誤差剔除的能力，倘若閾值選取不當(dāng)還可能對正常數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；二是怎樣輸出才能避免限幅后的信號失真。

選取有人為干擾的122幅觀測影像進(jìn)行解算后，利用MATLAB的統(tǒng)計分析功能統(tǒng)計出5個PS點(diǎn)在不同采樣間隔內(nèi)的位移量，從而確定限幅濾波法的閾值。對沒有人為影響的觀測時段位移統(tǒng)計如表2所示，從表2中可以看出，當(dāng)閾值選取為0.4 mm時，可以有效消除掉白天人為施工的影響。

表2 同一點(diǎn)相鄰像元位移變化統(tǒng)計

為了解決連續(xù)穩(wěn)定變化點(diǎn)引起的后續(xù)信號失真問題，采用了比較簡便的線性插值法。具體流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的限幅濾波法流程

基于改進(jìn)后的限幅濾波法，對5個原始PS點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅濾波，處理前后的位移統(tǒng)計如表3所示。由表3可見，經(jīng)過改進(jìn)的限幅濾波法可以有效剔除觀測數(shù)據(jù)中相鄰像元大于0.5 mm的位移突變點(diǎn)，保證了觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

表3 處理前后相鄰像元位移變化統(tǒng)計

4 結(jié)論

地基SAR技術(shù)在基坑的形變監(jiān)測中易受到施工因素的影響，無法真實(shí)有效地反映出基坑的位移情況。采用基于Matlab的統(tǒng)計分析功能以及線性插值的方法對地基SAR的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以有效剔除受外界因素影響導(dǎo)致的相鄰像元大于0.5 mm的數(shù)據(jù)突變點(diǎn)，保證觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)穩(wěn)定性，更加真實(shí)地反映出基坑的形變特征。