張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000）

一種新型地基合成孔徑雷達監(jiān)測精度研究

張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000）

目前航道上的大橋及水壩等人工建筑的變形監(jiān)測往往采用接觸式傳感器，這種方法難以捕捉三維變形等信息。本文提出基于地基合成孔徑雷達的建筑變形監(jiān)測方法，并在成都理工大學(xué)進行了目標變形精確度測試。測試結(jié)果表明在SAR模式下，目標的變形測量可以達到0.1mm精度。

地基合成孔徑雷達；GB-SAR；變形監(jiān)測

1 建筑變形監(jiān)測的意義

當(dāng)前航道上的人工建筑例如水壩、橋梁等都面臨著沉降、變形等因素的困擾。如果長期疏于維護則可能因建筑變形而導(dǎo)致各種事故發(fā)生，因而建筑物的變形監(jiān)測顯得十分重要。目前，建筑變形監(jiān)測常用的手段是采用位移計、千分表、線性差動變壓器等傳感器進行監(jiān)測，它們統(tǒng)稱為接觸式傳感器。這些傳感器需要被放置在建筑變形感興趣的點以獲取該位置的變形、位移、加速度等信息。接觸式傳感器有兩個固有缺點：①僅能獲取感興趣點的一維信息，對于建筑變形監(jiān)測中的三維信息難以捕捉；②接觸式傳感器僅能記錄下傳感器所在點的信息，對于大面積多點信息的監(jiān)測則只能安置更多的傳感器予以彌補。為了克服這些缺點，非接觸式的建筑監(jiān)測方法成為國內(nèi)外研究的熱點，目前主流的方式是全站儀、GPS等技術(shù)。全站儀可以監(jiān)測局部工程變形，實現(xiàn)無人值守全天候自動監(jiān)測，缺點是測量距離有限。GPS是應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測技術(shù)之一，絕對精度能達到厘米甚至毫米級，但是缺點是在高密度地區(qū)，GPS衛(wèi)星信號被遮擋影響監(jiān)測精度。

地基合成孔徑雷達（GB-SAR），是一種非接觸式，全天候工作的新式變形監(jiān)測儀。它利用合成孔徑雷達原理對目標進行持續(xù)大范圍監(jiān)測，可以在極短的時間內(nèi)獲取目標圖像并跟蹤強散射點，通過對散射點的位移和震動獲取整個目標的整體位移變形情況，并達到0.1mm的監(jiān)測精度，這大大超越了GPS，全站儀等目前常用技術(shù)的監(jiān)測精度。

2 地基合成孔徑雷達系統(tǒng)參數(shù)

2.1 工作原理

GB-SAR對目標持續(xù)發(fā)射并接收電磁波信號，利用發(fā)射和接收信號的相位差計算目標在發(fā)射接收時刻產(chǎn)生的位移量，獲取目標的變形信息。假設(shè)目標沿視線方向的變形量為dLOS，發(fā)射和接收時信號的相位為φ1，φ2，則目標沿雷達視線方向的變形量可以由dLOS=(λ/π)(φ2-φ1)計算得出。

荷蘭Metasensing公司成功研制了基于FMCW信號處理技術(shù)的GB-SAR。該型號GB-SAR對回波信號進行去調(diào)頻信號處理技術(shù)并獲取信號的相位差用于計算目標的位移，這種信號處理技術(shù)避免了直接在高頻區(qū)進行信號處理，因而大大簡化了雷達結(jié)構(gòu)，減輕了雷達重量。GB-SAR可以工作在合成孔徑模式(SAR)和真實孔徑模式(RAR)兩種模式，在SAR模式下，GB-SAR被放置在導(dǎo)軌之上并進行往返運動，每5秒完成一次掃描并在2秒內(nèi)返回起點開始下一次掃描，因此每7秒即可獲取一副目標的二維圖像。在SAR模式下，獲取的圖像分辨率為0.75m和4.5m/rad，目標的變形監(jiān)測精度為0.1mm。而在RAR模式下，GBSAR被固定于三腳架上并對目標持續(xù)發(fā)射接收電磁波。在該模式下無法獲取目標的二維圖像，只能獲取目標沿視線方向的變形量，目標的變形監(jiān)測精度為0.01mm。該雷達的其他系統(tǒng)參數(shù)如下：中心工作頻率17.2 GHz；帶寬300 MHz；最大探測距離4 km。

2.2 技術(shù)難點與解決方案

目前主要的技術(shù)問題是時間和空間去相關(guān)性引起的SAR復(fù)圖像失配。如果GB-SAR進行長時間觀測，被觀測目標的性質(zhì)和周圍環(huán)境發(fā)生了改變將會引起時間去相關(guān)。工作在Ku波段的GB-SAR雷達，前后觀測時間即使只相差一小時，時間去相關(guān)的作用對于測量精度的影響就不能予以忽略。對于短時間的測量，例如，通車期間橋梁的變形情況，空間去相關(guān)性基本可以消除，但如果進行長期觀測，例如建筑物的沉降過程，時間去相關(guān)性的影響會較為明顯。在長期監(jiān)測過程中，為了對目標體進行觀測，雷達除了架設(shè)在地面上之外，還有可能架設(shè)在汽車，建筑物等物體上，這些物體的移動會導(dǎo)致雷達架設(shè)的位置發(fā)生改變，結(jié)果會產(chǎn)生空間去相關(guān)性。時間、空間去相關(guān)性將會導(dǎo)致前后得到的復(fù)圖像相關(guān)性降低甚至無法使用。

對于該問題具體技術(shù)解決方案如下：①采用相干系數(shù)法對兩幅圖像之間的相干系數(shù)進行初步評估。首先隨機選取圖像中的某一點并以此為中心選取一個窗口，并對應(yīng)在輔圖像進行滑動，逐像素搜索，找到相干性系數(shù)最大的點，即為控制點。②由于圖像中可能存在噪聲，高相干性系數(shù)點可能存在虛假匹配點。對于這種情況，采用相位差平均波動函數(shù)對高相干性系數(shù)點進行評估。通過對兩幅圖像的相位差進行評估并尋找最優(yōu)配準參數(shù)。如果出現(xiàn)因為噪聲而產(chǎn)生的虛假匹配點，那么該匹配點周圍像素的相位差會較大，因此產(chǎn)生較大的相位波動。通過尋找波動函數(shù)的最小值，可以達到主輔圖像目標點精確配準的目的。③計算兩幅圖像頻域互功率譜的IFFT以及功率峰值所處的具體位置來確定平移關(guān)系，接著在頻域圖像引入極坐標來計算圖像的旋轉(zhuǎn)角度。④利用立方卷積法對圖像進行插值計算，選取亞像素點的配準位置建立數(shù)學(xué)變換模型，對輔圖像進行重采樣，獲取亞像素級的配準圖像。

3 實測結(jié)果

圖2 第一組實驗獲取的(a)能量圖和(b)角反射器位移圖；第二組實驗獲取的(c)能量圖和(d)角反射器位移圖

為了驗證GB-SAR的可靠性與實驗精度，我們在成都理工大學(xué)的羽毛球館內(nèi)（圖1）對GB-SAR進行可靠性精度實驗。成都理工大學(xué)、中科院山地所、西南交大、四川省第二測繪院等單位參與實驗。在本次實驗中，GB-SAR工作在SAR模式下，在GB-SAR前方放置角反射器并配備千分尺，我們周期性定量擰動百分尺，使連接于百分尺前部的角反射器一起運動，使用FastGBSAR對角反射器運動情況進行實時觀測，并準確計算出其運動量。我們共進行兩組實驗，在第一組實驗中周期性移動角反射器0.1mm，即目標每次的變形量為0.1mm。圖2(a)表示了第一組實驗獲取的二維能量圖，圖中可以清晰地看見角反射器與其他的干擾物圖像，從中選取角反射器的反射點，并繪制出圖2(b)的位移點，可以看出GB-SAR探測得到的數(shù)據(jù)與角反射器的移動軌跡相吻合，即每15秒移動角反射器0.1mm，移動了6次共0.6mm。在第二組實驗中每20秒移動角反射器0.5mm，移動了14次共7mm。由圖2(b)可以看出，GB-SAR對目標物極微小的回波信號非常敏感，所以應(yīng)盡量避免觀測時雷達天線被長時間的遮擋，而短暫的遮擋不會影響FastGBSAR對監(jiān)測區(qū)內(nèi)整體精度的評定。從這兩組實驗可以得出GB-SAR的測量精度達到0.1mm。

4 結(jié)論

本文公布了首臺基于FMCW技術(shù)GB-SAR的工作原理與可靠性實驗。FastGBSAR采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，可應(yīng)對變化較快的變形檢測，單次數(shù)據(jù)獲取僅需五秒，很大程度的減少了外界因素(如降雨、溫度、氣壓等)的干擾，數(shù)據(jù)成果表明在SAR模式下監(jiān)測精度達到0.1mm，這說明了GB-SAR在監(jiān)測領(lǐng)域的可靠性。此外，為了后期數(shù)據(jù)分析更加便捷，我們可根據(jù)目標現(xiàn)場情況選擇性地布設(shè)角反射器，這樣做有利于對目標區(qū)域指定點快速提取并確定其空間位置。

圖1 GB-SAR可靠性驗證實驗

[1]A.Meta,E.Imbembo,C.Trampuz,A.Coccia,G.De Luca,"A selection of MetaSensing airborne campaigns at L-,X-and Kuband",Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS),2012 IEEE International,Munich,pp.4571,4574,22-27 July 2012.

U675.74

A

1006—7973（2017）12-0038-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.015

本文為基金項目：浙江海洋大學(xué)科研啟動經(jīng)費資助，No.21045012815