地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中的应用

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(1.河海大学 地球科学与工程学院， 南京 210098; 2.河南城建学院 测绘工程学院， 河南 平顶山 467036)

进入21世纪以来，我国水利工程建设发展迅速，兴建了一大批水利重点工程项目，如：小浪底、紫坪铺等水利枢纽工程。为了掌握水利工程建筑物的稳定性，必须对其进行有效的变形观测。目前变形观测方法主要有地面测量、空间测量、摄影测量和地面三维激光扫描4种，但这些方法存在如下一些不足：地面测量野外工作量大；空间测量易受外界环境限制；摄影测量精度较低，无法满足变形监测要求；激光扫描技术遥测距离短。相较于以上传统的观测方法，地基InSAR技术以其测量范围大、精度高、操作自动化等优点开辟了一条变形观测的新道路[1]。

1 地基合成孔径雷达测量原理及IBIS-L系统介绍

地基合成孔径雷达干涉( Ground Based Radar, GB雷达) 技术基于微波探测主动成像方式获取监测区域二维影像,通过合成孔径技术和步进频率技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率,克服了星载SAR 影像受时空失相干严重和时空分辨率低的缺点, 通过干涉技术可实现优于毫米级的变形监测精度。采用GB雷达技术能精确测定被测物表面沿雷达视线向( Line of Sight，LOS) 的微量变形信息，其基本原理是:通过合成孔径雷达技术获取监测区域的二维影像,利用SF-CW(Stepped Frequency Continuous Wave)技术提高雷达的距离向分辨率,通过比较影像中目标点的电磁波相位信息,采用干涉技术求取监测区域的变形量[2]。

IBIS ( Image by Interferometric Survey )是用于远距离监测目标位移且具有成像能力的陆基微波干涉仪, IBIS-L是一种基于微波干涉技术的创新雷达(见图1)。遥测距离可达4 km，测量精度达0.1 mm, 与GPS、全站仪等技术相比, 具有空间连续覆盖的优势, 对分析监测对象的变形规律和原理, 预防安全事故的发生有重要的作用。该系统将步进频率连续波技术(SF-CW)、合成孔径雷达技术(SAR)、干涉测量技术相结合,通过合成孔径技术获取监测区域的二维影像，通过干涉技术提取相位变化量。下面分别对步进频率连续波(SF-CW)及合成孔径雷达技术进行简要说明。

图1 地基雷达系统IBIS-L

1.1 SF-CW技术

步进频率连续波技术是系统以不同的频率在Tsweep时间内发射出一组电磁波，通过这项技术用来保证电磁波的长距离传输。步进频率连续波技术还为雷达提供了很高的距离向分辨率，雷达能够提供的频率带宽最大为3×108，通过公式Δr=C/2B得到的距离向分辨率Δr为0.5 m。这就意味着在雷达的监测区域内，沿径向每0.5 m被分割成一个单元。

1.2 合成孔径(SAR)技术

合成孔径技术实际上是一种多普勒分析技术。这种技术是利用运动的雷达在同一距离单元中不同的方位向散射体之间小的多普勒频移的差别来提高方位维的分辨率的。简单地说，合成孔径技术就是用一个小的真实天线的运动来等效一个长的天线，因此称之为“合成孔径”。

2 大气扰动影响分析

由于干涉雷达是通过干涉相位信息来提取被测区域的微小变形，因此干涉相位的质量就是变形观测的关键因素。在星载InSAR技术中，造成去相干的原因主要有以下几种：①基线去相干；②频谱质心不一致造成的去相干；③时间去相干，包含重访周期内，受温度、大气条件等造成的去相干[3]。尽管地基InSAR与星载InSAR提取地表形变技术的本质是一致的，但是由于地基InSAR技术不存在基线，因此前2种去相干影响可以忽略不计，则大气条件所造成的时间去相干就成为地基InSAR提高变形观测精度的关键[4-6]。

3 隔河岩大坝变形监测实验

3.1 实验概况

本次变形监测区域为隔河岩大坝，大坝位于湖北省长阳县附近的清江干流上，水库总库容34亿m3，装机容量121.2万kW，于1994年建成。此大坝为双曲重力拱坝，最大坝高151 m，坝顶长653.5 m，坝顶高程206 m。大坝基础为寒武系石龙洞灰岩，两岸坝肩上部为平善坝组灰岩、页岩互层。

观测时间为2013年7月30日12时至31日12时，共计24 h，获取SAR影像共267幅，数据采样间隔约为5 min。图2描述了IBIS-L设备装置与大坝之间的相对位置，设备最大的遥测距离为4 km，实验最大观测距离约为1 300 m，设备安置点地质结构稳定。观测点位于坝体正前方，设备与隔河岩大坝间无任何遮挡物，观测区域可覆盖整个坝体及周边坡岸。

图2 IBIS-L设备装置及观测区域

图3 IBIS-L雷达信号特征分析

3.2 实验数据处理与分析

监测数据处理前，首先对IBIS-L系统获取的数据进行分析。图3(a)为观测区域的雷达反射功率图，图上可以看出监测系统能够准确地获取整个大坝的雷达反射信息，并且同时也能够从图中清晰地辨别出基岩、江岸以及厂房的轮廓。从信号特征分析图中可以看出，大坝整个坝体表面的信噪比均在15 dB以上(见图3(b))，坝表面的相干系数均在0.7以上(见图3(c))，相位稳定性均在3.0以上(见图3(d))。依据以上的分析，IBIS-L系统能够准确地获取隔河岩大坝坝体表面的雷达反射信息，设备采集的数据可靠性较高。

实验选择位于大坝左侧基岩处点gcp1为地面控制点，认为此点在观测时间内稳定无形变。在坝体上均匀选取13个特征点，分别位于坝体的上部、中部以及下部位置(可参见图4)。由于gcp1点不存在形变量，因此其观测得到的位移变化量主要是因为大气扰动所造成的。利用该点的位移变化量可以对坝体进行气象校正，得到整个坝体表面的变形情况。这里主要是抽取坝体表面13个特征点进行位移变化情况分析。

图4 大坝坝体视线向位移假彩色图

由图5可以看出，在起始观测时间至17:38，除个别点外坝体基本稳定，其他的形变量均在4 mm以内。在此之后的18:05时刻，坝体整体有靠近雷达方向约4 mm的线性形变，随后至19:12时刻大坝坝体恢复至初始状态。至19:58时刻，大坝坝体又出现靠近雷达方向约为3 mm的线性形变，至31日10:21时刻坝体整体出现远离雷达方向约1 mm的线性形变，坝体趋于稳定。随后至10:53时刻，大坝受外力作用产生了靠近方向5.3 mm的形变。在11:20后开始恢复到初始状态，相对起始状态坝体产生不到1 mm的位移。依据干涉测量的形变数据分析，可认为大坝结构稳定。

图5 坝体特征点视线向时间-位移关系

为了对地基雷达系统IBIS获取的监测数据进行对比验证，在进行监测的同时，也对大坝实施了垂线监测。由于垂线监测时，是假设坝底底点为稳定点进行变形观测，而IBIS系统获取得到的是视线向的位移值。首先将视线向转换为相对径向，再计算得到坝体与坝底底点间的位移差，最后进行2种观测结果的比较(见图6)。通过对比验证，2种观测方法结误差不超过±2 mm，这是由于大气扰动等残余误差的存在所造成的。验证结果表明利用地基雷达系统IBIS进行大坝的变形监测的技术方法是可靠的，能够应用于大坝等大型水利工程的变形监测。

图6 IBIS-L变形监测数据与大坝垂线监测数据对比

4 结 语

地基合成孔径雷达是利用干涉测量技术来获取微小形变的有效手段，已应用在大坝、桥梁、边坡工程等方面的变形监测工作中。与传统的形变观测方法相比，由于GBInSAR具有精度高、二维成像、实时监控、全天时全天候等技术优势，是一种极具潜力的监测新技术。本文通过对隔河岩大坝进行24 h的不间断观测，得到坝体表面的视线向位移变化图。最后通过垂线监测结果的验证，表明地基合成孔径雷达技术的形变监测精度完全能够用于大坝的变形监测。

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