特高壓輸電鐵塔聚束模式SAR干涉特性研究與覆冰試驗

陳露璐，李 陶，劉 艷，劉經(jīng)南

(1. 武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 國網(wǎng)電力科學研究院，湖北 武漢 430074)

我國擁有目前世界上最長的超特高壓輸電線路，但是隨著極端天氣災害事件的頻繁發(fā)生，廣域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行受到了較大影響，其中冰雪災害導致的輸電線路覆冰對廣域電網(wǎng)的危害最大。覆冰可分為5類：雨凇、霧凇、雪凇、混合凇和白霜，其中雨凇因其密度大、附著力強、閃絡概率高而危害最大[1-2]。

隨著SAR衛(wèi)星影像分辨率的提高，建筑物、金字塔、大壩、高速公路、輸電鐵塔和導線[3-9]等大型人工構(gòu)筑物都能在SAR影像中以結(jié)構(gòu)形式清晰地呈現(xiàn)，其特征提取和形變監(jiān)測等方面的研究隨之展開[10-11]。文獻[12]利用高分辨率TerraSAR Spotlight(TSX-SL)影像首次開展了鐵塔構(gòu)件覆冰試驗，提取了試驗鐵塔構(gòu)件大于30 dB的散射區(qū)域，結(jié)果表明覆冰鐵塔構(gòu)件的散射面積及強度均值未發(fā)生顯著變化。文獻[13]在TerraSAR StripMode(TSX-SM)影像中研究天津市郊區(qū)地面沉降時發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔，利用其PS結(jié)果分析了鐵塔的位置和高度。文獻[14]綜述了利用遙感技術監(jiān)測輸電線路的研究現(xiàn)狀，認為SAR監(jiān)測鐵塔是較為前沿的課題。文獻[7]利用仿真SAR數(shù)據(jù)測量鐵塔頂部傾斜時，對幅度影像中的目標鐵塔進行了模擬。

本文收集了武漢特高壓試驗基地的TSX-SL影像，利用高精度激光掃描儀獲取了特高壓鐵塔的三維點云。研究了鐵塔的雷達散射機制、幾何投影畸變和干涉特性，并分析了覆冰厚度對鐵塔構(gòu)件雷達散射信號強度的影響。

1 雷達影像中鐵塔及構(gòu)件成像幾何與散射機制

特高壓輸電鐵塔及試驗鐵塔構(gòu)件雷達散射幾何示意圖如圖1所示。圖1(a)中鐵塔的主體高96 m，最長橫擔約40 m。在圖1(b)、1(c)中，給鐵塔的3層橫擔分別編號為L、M、N，底座部分編號為G。鐵塔的真實高度信息在SAR影像中可用以下公式計算

h=p·r/cosη

(1)

式中，h為鐵塔高度；p為SAR影像中距離向的像元個數(shù)；r為距離向一個像元對應的水平距離；η為雷達本地入射角。

輸電鐵塔的雷達散射信號既來源于鐵塔自身角鋼之間的散射，也要顧及背景的散射情況。如圖1(a)的現(xiàn)場照片所示，鐵塔橫擔散射強度高主要是由于其角鋼的二面角反射截面較大所致，底座部分的散射主要貢獻來源于塔底的土壤或水泥墩的反射信號。

2008年底，為測試鐵塔在雷達影像中的散射特性是否因覆冰發(fā)生變化，某研究院試制了3個直徑1 m、長5 m的試驗鐵塔構(gòu)件(其角鋼規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm)，如圖1(d)所示?？紤]到高壓和超高壓輸電鐵塔底部的角鋼構(gòu)件尺寸可達15～20 cm，在其側(cè)面等間距增加了7塊20 cm×100 cm的鋁板，使試驗鐵塔構(gòu)件盡量接近于真實的特高壓輸電鐵塔主體結(jié)構(gòu)。試驗鐵塔構(gòu)件在該雷達視角的照射下，其雷達后向散射信號主要來自鋁板與停車場地面形成的二面角反射，如圖1(d)所示。

2 試驗區(qū)概況與SAR數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗區(qū)概況

國家電網(wǎng)公司武漢特高壓交流試驗基地位于湖北省武漢市。為滿足特高壓試驗研究的需求，主要建設內(nèi)容包括：特高壓試驗電源，1 km單回、1 km同塔雙回特高壓試驗線段，環(huán)境氣候?qū)嶒炇业?，包?000 kV輸電鐵塔8基。

圖2為特高壓試驗基地位置及SAR強度示意圖。在圖2(a)中，大矩形框為TSX-SL影像覆蓋區(qū)域，箭頭為雷達衛(wèi)星飛行方向，大矩形框中的小矩形框為特高壓試驗基地。圖2(b)中三角形為人工三角反射器，選擇在試驗基地的草地區(qū)域布設3個邊長80 cm的角反射器，并制作了水泥墩作為基礎以保證其穩(wěn)定性，如圖2(e)所示。圖2(c)為特高壓輸電鐵塔(3層塔)的SAR影像，該塔的背景為草坪和水泥道路，受到的背景噪聲干擾較少。圖2(d)為3個試驗覆冰鐵塔構(gòu)件及2個角反射器的SAR影像強度顯示，由于目標較小，在雷達強度影像中成像較為模糊。

2.2 SAR影像采集

本文收集了以特高壓試驗基地為中心拍攝的4幅TSX-SL高分辨率SAR影像(范圍如圖2(a)所示)，影像的距離向分辨率為0.45 m，方位向分辨率為0.85 m，詳細成像參數(shù)見表1。生成6幅干涉圖序列，相關干涉參數(shù)見表2。

表1 TSX-SL影像參數(shù)

3 鐵塔構(gòu)件人工覆冰試驗

武漢特高壓試驗基地的環(huán)境氣候試驗室針對特高壓設備在不同環(huán)境條件下的性能及抗擊自然災害的能力進行試驗研究，可以模擬高海拔低氣壓氣象條件、低溫結(jié)冰條件和人工污穢試驗條件等。將尺寸為1 m×5 m的試驗鐵塔構(gòu)件(i，ii，iii)放置在環(huán)境氣候?qū)嶒炇业墓摅w中，利用保障系統(tǒng)的噴淋裝置模擬真實環(huán)境中鐵塔橫擔覆冰進行人工淋雨，在其表面形成雨凇。對兩個鐵塔構(gòu)件進行不同程度的覆冰：其中一個構(gòu)件表面最大覆冰厚度為10 cm，另一個為5 cm。2008年12月23日凌晨用吊車將覆冰的鐵塔構(gòu)件擺放至停車場的空地上，為確保鐵塔構(gòu)件的角鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大效應的二面角反射，將3個構(gòu)件均擺放至與雷達衛(wèi)星飛行方向一致，相互間隔15 m以上，如圖3(a)所示。

圖3(b)中相比未覆冰的對照構(gòu)件i，鐵塔構(gòu)件ii的散射強度最大值衰減不顯著，降低約2 dB；而構(gòu)件iii散射強度最大值顯著衰減，降低約8 dB。結(jié)合圖3(a)中實際覆冰情況可知，鐵塔構(gòu)件表面覆冰2～5 cm而其側(cè)面的鋁板表面并未有太多覆冰，因此其二面角反射結(jié)構(gòu)并未受到較大改變，從而散射強度依舊保持不變。當鐵塔構(gòu)件覆冰10 cm時，側(cè)面鋁板的覆冰明顯增厚，使得其二面角反射條件發(fā)生改變，導致散射強度顯著降低。由相關文獻可知，雨凇等可形成光滑且較厚覆冰表面，會顯著破壞鐵塔角鋼構(gòu)件形成的二面角反射條件，因此根據(jù)本試驗結(jié)果可以推論：特高壓鐵塔發(fā)生雨凇等較大覆冰時，其散射強度將顯著降低，可以通過前期未覆冰的對照影像進行檢測和分析。

4 特高壓輸電鐵塔目標雷達散射與干涉特征研究

4.1 特高壓鐵塔雷達成像幾何投影

本文選取試驗區(qū)一東西走向、背景為草坪的特高壓3層塔進行分析，在TSX-SL影像中，輸電鐵塔橫擔部分由于塔材結(jié)構(gòu)較為密集而使其等效散射截面較大，易于從背景中加以區(qū)分。塔身主干部分的散射以及塔底基礎部分的散射容易與背景混淆，其干涉相位的穩(wěn)定性較差。

特高壓3層塔的幾何投影如圖4所示。圖4(a)為特高壓鐵塔的高精度三維掃描點云。圖4(b)中的空中框架為基于點云數(shù)據(jù)繪制的鐵塔外框架在Google-Earth上的三維展示，地面上的框架為SAR影像中的鐵塔框架仿真投影。從圖4(c)中可以看出地面上的鐵塔仿真框架與真實SAR影像中鐵塔的散射情況完全吻合。特高壓鐵塔構(gòu)件結(jié)構(gòu)較小，如果像法國埃菲爾鐵塔一樣產(chǎn)生較強的多次散射[3]，其多次散射信號應該超出仿真投影框。本文由此推斷，所研究的輸電鐵塔橫擔部分的散射信號主要來源于其結(jié)構(gòu)本身的角反射效應。

4.2 特高壓鐵塔散射強度與干涉相位特性

特高壓3層塔的干涉特性如圖5所示。圖5(a)展示了4幅TSX-SL影像中特高壓3層塔的強度圖序列；圖5(b)為減去散射強度均值的對應散射強度殘差圖序列。由圖5(a)、(b)可知，特高壓鐵塔的橫擔和主干部位散射強度較大且在時間上保持穩(wěn)定，強度變化約為3 dB。該塔SAR影像中散射強度最大值67 dB均位于橫擔M處，由LiDAR量測結(jié)果可知橫擔M尺寸更大。鐵塔底座部位的散射強度存在較大變化，可能受到該區(qū)域機械設備進出的影響。各期影像中鐵塔的強度殘差值大部分在3 dB間波動，可知鐵塔本體的散射強度較穩(wěn)定。

圖5(c)所有干涉圖中特高壓塔的干涉條紋都較為清晰，從而可以看出相干性高的像元其相位也較平滑一致，鐵塔的橫擔部分相位基本一致，但各橫擔上下兩端均存在一定的相位差。從SAR干涉圖中測量特高壓鐵塔橫擔的高差信息，可采用以下公式

h=α·h2π/2π

(2)

式中，h為鐵塔高差；α為鐵塔橫擔與參考點之間的相位差；h2π為高程模糊度。由表2可知，干涉圖④⑤⑥的高程模糊度約為7 m，鐵塔橫擔之間的距離約20 m，其間存在相位纏繞，因此不適合提取鐵塔的高差信息。干涉圖①的高程模糊度約為300 m，但其相位梯度變化與真實鐵塔高度存在較大差距，這表明當高程模糊度太大時干涉相位精度對鐵塔高度信息提取的影響較大。干涉圖②③的高程模糊度接近鐵塔高度，以下根據(jù)這兩幅干涉圖開展相位差推算鐵塔高差信息的對比分析。

4.3 SAR影像中特高壓鐵塔高度反演分析

由式(1)可知，基于鐵塔的散射強度可判斷鐵塔的結(jié)構(gòu)，進而計算和反演鐵塔結(jié)構(gòu)之間的高差和鐵塔高度。但由圖5(a)可知，本文研究的鐵塔底部背景噪聲過大，干擾了鐵塔高度的提取[15]。而該鐵塔3個橫擔間的距離容易被量測，其高差反演結(jié)果與LiDAR實測結(jié)果非常接近,見表3。

表3 SAR影像中鐵塔結(jié)構(gòu)間的高差反演結(jié)果 m

注：表中“—”表示無法反演該參數(shù)。

前已述及，干涉圖高程模糊度太長或太短都難以精確計算鐵塔結(jié)構(gòu)間高差。根據(jù)式(2)可計算出兩個干涉圖中鐵塔橫擔間距，其結(jié)果與真實距離接近，但存在1～4 m的誤差。其中干涉圖②中有角反射器，將其作為相位基準反演得到鐵塔高度為87 m，與LiDAR結(jié)果存在約10 m的誤差。這表明輸電鐵塔的鏤空結(jié)構(gòu)導致其相位存在較大的噪聲，使得通過相位反演鐵塔高度存在較大誤差。

5 結(jié) 語

本文收集了武漢特高壓試驗基地1 m分辨率的聚束模式TerraSAR影像，選取其中一東西走向的特高壓3層塔，利用高精度LiDAR掃描其幾何結(jié)構(gòu)，并開展了鐵塔干涉特性的分析。研究發(fā)現(xiàn)鐵塔散射機制主要是自身角鋼結(jié)構(gòu)形成的二面角反射和三面角反射等，通過多期強度圖的對比分析可知鐵塔本體的強散射像元點散射特性穩(wěn)定。本文利用雷達幾何投影關系和干涉測量方法反演出鐵塔各結(jié)構(gòu)間的高差信息，與高精度LiDAR掃描結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)雷達干涉測量高差反演誤差較大，這是由于鏤空結(jié)構(gòu)的鐵塔構(gòu)件相位噪聲較大。通過對3個不同覆冰厚度的試驗鐵塔構(gòu)件研究發(fā)現(xiàn)，覆冰厚度約10 cm的試驗鐵塔構(gòu)件雷達散射強度衰減約為8 dB，這表明在雨凇等較強覆冰條件下，雷達散射信號強度的衰減信息可用于量化評估鐵塔的覆冰情況。

致謝：感謝德國地學研究中心的夏耶博士、國網(wǎng)電科院的胡毅高工給予本文的支持。