黃其歡,張理想

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;3.河海大學(xué)文天學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

變形觀測方法可分為地面測量、空間測量、攝影測量和地面三維激光掃描、專門測量4類[1]。地面測量的方法精度高、應(yīng)用靈活,適用于各種變形體和監(jiān)測環(huán)境,但野外工作量大;空間測量技術(shù)可提供大范圍的變形信息,但受觀測環(huán)境影響大,如在山區(qū)峽谷,GPS衛(wèi)星的幾何強(qiáng)度差,定位精度低,有些地方則多路徑影響大,定位結(jié)果不可靠;與前2種方法相比攝影測量外業(yè)工作量少,可以提供變形體表面上任意點(diǎn)的變形,但精度較低,地面三維激光掃描技術(shù)遙測的距離有限(小于1km),變形監(jiān)測固有誤差達(dá)數(shù)毫米,且隨著遙測距離的增大精度急劇降低;專門測量手段相對精度較高,但僅能提供局部的變形信息。

合成孔徑雷達(dá)干涉(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)技術(shù)可全天時(shí)、全天候、高精度地進(jìn)行大面積地表變形監(jiān)測,是變形監(jiān)測的前沿技術(shù)和研究熱點(diǎn)。但其工程化應(yīng)用中還存在以下問題[2-4]:①時(shí)空失相干降低了干涉圖的質(zhì)量,影響變形監(jiān)測的可靠性和可行性;②受可獲取影像數(shù)量和空間分辨率的限制,變形監(jiān)測的時(shí)空分辨率難以滿足實(shí)際工程需要,特別是難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)建(構(gòu))筑物的變形監(jiān)測。地基合成孔徑雷達(dá)干涉(ground based InSAR,GBInSAR)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(shí)空失相干嚴(yán)重和時(shí)空分辨率低的缺點(diǎn),通過干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于毫米級微變形監(jiān)測。在國外,GBInSAR技術(shù)已經(jīng)廣泛用于滑坡[5-8]、冰川[9]和大壩[10]變形監(jiān)測,而國內(nèi)關(guān)于GBInSAR技術(shù)及其應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)道非常少。因此筆者擬對GBInSAR的關(guān)鍵技術(shù)、基于GBInSAR技術(shù)的IBIS-L系統(tǒng)的變形監(jiān)測精度及其在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

1 GBInSAR關(guān)鍵技術(shù)及IBIS-L系統(tǒng)介紹

采用GBInSAR技術(shù)能精確測定被測物表面沿雷達(dá)視線向(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。

1.1 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)使雷達(dá)突破了物理天線寬度的限制,大幅度提高了方位向的分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中,一般合成孔徑雷達(dá)被安裝在一個(gè)滑桿上,通過滑桿的移動使合成天線的波寬與觀測點(diǎn)到目標(biāo)的距離成反比,合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率Δ?可以表示為

式中:λ為雷達(dá)發(fā)射波長;L為雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)相對于監(jiān)測目標(biāo)的相對移動距離。

如果滑軌相對于目標(biāo)的移動距離為2m,則該系統(tǒng)在距離向的分辨率可以達(dá)到4.5m。

1.2 SF-CW技術(shù)

對于脈沖雷達(dá),距離向分辨率Δr與脈沖延續(xù)時(shí)間τ有如下關(guān)系:

式中:c為真空中的光速。

由于τ與帶寬B滿足τB=1,距離向分辨率還可表示為

從式(2)和式(3)可以看出,要提高距離向分辨率,可以縮短脈沖發(fā)射時(shí)間或者提高信號帶寬,要發(fā)射高頻率脈沖波就必須以犧牲雷達(dá)距離向分辨率和作用距離為代價(jià),距離向分辨率降低使雷達(dá)對監(jiān)測目標(biāo)區(qū)分能力下降,作用距離減小就不能有效地進(jìn)行大面積變形監(jiān)測。

不同于脈沖雷達(dá)在極短的 τ內(nèi)發(fā)射大帶寬的脈沖信號,步進(jìn)頻率雷達(dá)是通過多脈沖相參合成處理來實(shí)現(xiàn)高距離分辨率。其基本工作過程為:雷達(dá)序貫發(fā)射一組窄帶寬脈沖(設(shè)共有N個(gè)脈沖),其中每個(gè)脈沖的載頻是均勻步進(jìn)的,步進(jìn)量為Δf(一般取 Δf=1/τ),其帶寬為

對這串脈沖的回波信號用與其載頻相應(yīng)的本振頻率進(jìn)行混頻,再對混頻后的N個(gè)脈沖回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖相參合成處理,這樣合成所得的脈沖寬度可達(dá)τ/N,即距離向分辨率是單個(gè)脈沖測量時(shí)的 N倍[11]。

1.3 干涉技術(shù)

干涉技術(shù)通過對比不同時(shí)刻雷達(dá)的反射信號,能獲取高精度的被測物體變形信息。設(shè)雷達(dá)波長為λ,目標(biāo)2次成像的相位差為Δφ,則雷達(dá)視線向變形d r可表示為

圖1為意大利IDS公司基于GBInSAR技術(shù)研制的微變形測量系統(tǒng)(IBIS-L),該系統(tǒng)由傳感器模塊、定位模塊、PC控制終端和供電模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生、發(fā)射和接收微波信號,可方便安裝在定位模塊上,用USB接口連接PC數(shù)據(jù)處理終端,通過傳感器在定位模塊上的滑動產(chǎn)生合成孔徑效果,使IBIS-L系統(tǒng)可以獲取監(jiān)測區(qū)的二維影像。定位模塊由1個(gè)2.5m長的鋁制滑軌構(gòu)成,利用該滑軌以及安裝在一側(cè)的步進(jìn)馬達(dá)裝置推動傳感器的滑動。PC控制終端擁有管理軟件,提供數(shù)據(jù)采集的參數(shù)控制、測量過程管理和數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)可視化功能。供電模塊利用電池組或外接電源為系統(tǒng)供電。

圖1 IBIS-L系統(tǒng)組成

2 BIS-L系統(tǒng)變形監(jiān)測精度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用IBIS-L系統(tǒng)和Leica TCA2003電子全站儀,將IBIS-L系統(tǒng)靶標(biāo)與電子全站儀靶標(biāo)同時(shí)和量測精度為0.001mm的千分表相連,利用千分表控制靶標(biāo)的微小移動,圖2、圖3分別展示了靶標(biāo)向監(jiān)測設(shè)備調(diào)節(jié)3次(1mm/次)、2次(0.5mm/次)和5次(0.1mm/次)并回調(diào)至原位置時(shí)IBIS-L系統(tǒng)和全站儀捕捉到的位移變化情況。

從測量結(jié)果可以看出,IBIS-L系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果和千分表設(shè)置的位移完全一致,而全站儀每次測量值有微小的跳躍;IBIS-L系統(tǒng)和Leica TCA2003電子全站儀都能夠監(jiān)測出大于0.5mm的位移;當(dāng)位移小于0.5mm時(shí),全站儀的測量誤差和微小位移混合在一起難以區(qū)分;IBIS-L系統(tǒng)能監(jiān)測出0.1mm的目標(biāo)位移,測量精度高于Leica TCA2003電子全站儀。

圖2 IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

3 IBIS-L系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測中應(yīng)用

用IBIS-L系統(tǒng)對紫坪鋪大壩進(jìn)行變形監(jiān)測試驗(yàn),最大觀測距離為4000m,在1000m處監(jiān)測分辨率為0.5m×4.5m,該系統(tǒng)功耗為100 W,質(zhì)量為130kg。紫坪鋪大壩為混凝土面板堆石壩,壩高為156m,壩頂高程為884m,正常蓄水位為887 m,水庫總庫容為11.12億m3。試驗(yàn)中IBIS-L系統(tǒng)架設(shè)于大壩正下游距離壩頂800m處,和大壩底部基本處在同一個(gè)水平面上,設(shè)備和大壩之間無遮擋物,設(shè)備位置穩(wěn)定,雷達(dá)信號的發(fā)射能覆蓋整個(gè)大壩,并盡量保證較小的入射角。整個(gè)大壩連續(xù)采集1次完整的數(shù)據(jù)約需5min,IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、管理、顯示和處理,試驗(yàn)從2008年7月31日21時(shí)延續(xù)到8月1日12時(shí),共計(jì)15h。

圖4為雷達(dá)信號的反射強(qiáng)度圖,從圖4中可以看出,IBIS-L系統(tǒng)能準(zhǔn)確記錄整個(gè)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)反射體的反射情況,壩體、基巖、廠房、江岸的輪廓非常明顯,圖中大壩的樓梯和馬道清晰可見,壩體各點(diǎn)的信噪比大部分在15dB之上。

圖3 全站儀監(jiān)測結(jié)果

圖4 雷達(dá)信號的反射強(qiáng)度

選擇位于大壩下游右岸的基巖點(diǎn)GCP為變形參考基準(zhǔn)點(diǎn),假定該點(diǎn)的變形量為零,圖5為獲取的大壩區(qū)域沿雷達(dá)視線向變形的偽彩色圖以及P1～P5點(diǎn)15h的連續(xù)變形過程曲線,從圖5中可以看出整個(gè)大壩在監(jiān)測期間沒有發(fā)生明顯變形,各點(diǎn)的變形均小于1mm,且這種微小變形在整個(gè)觀測時(shí)間內(nèi)變化較為一致,可以認(rèn)為是大氣延遲以及氣溫對觀測結(jié)果的影響。

圖5 壩體雷達(dá)視線向位移和P1～P5變形過程曲線

4 結(jié) 論

地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)結(jié)合合成孔徑、步進(jìn)頻率連續(xù)波和干涉技術(shù),采用微波探測主動成像方式獲取被監(jiān)測區(qū)域二維影像,可以實(shí)現(xiàn)大壩、滑坡、礦山以及大型構(gòu)筑物高空間分辨率連續(xù)的變形信息,是一種極具潛力的變形監(jiān)測新技術(shù)。通過IBIS-L系統(tǒng)對千分表控制的靶標(biāo)監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能監(jiān)測出0.1mm的目標(biāo)位移。對紫坪鋪大壩連續(xù)15h的監(jiān)測結(jié)果表明,地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)用于大壩安全監(jiān)測的精度優(yōu)于毫米級。

與全站儀、GPS、引伸儀、應(yīng)變計(jì)等常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)相比,地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有:①不需要在被測形體上安裝傳感器或反射設(shè)備;②提供整個(gè)被測區(qū)域時(shí)空連續(xù)的變形監(jiān)測圖;③可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測;④通過無線控制可實(shí)現(xiàn)無人值守的連續(xù)變形監(jiān)測。

目前,地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)設(shè)備費(fèi)用較高,實(shí)際工程應(yīng)用還有待進(jìn)一步推廣。另外,地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)獲取的是雷達(dá)視線向的變形信息,如何獲得三維的變形信息是需要進(jìn)一步研究的課題。

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