地基干涉雷达IBIS-S应用于桥梁微变形监测的测量精度影响因素研究

李相松

摘 要：对地基干涉雷达IBIS-S的基本参数和工作原理进行了介绍，主要研究其应用于桥梁监测时作业环境和检测距离对精度的影响。研究表明：地基干涉雷达测量精度在不同的外部环境下差异较大，相对干燥环境（陆域）条件下地基干涉雷达测量精度高于湿润潮湿环境（水域）;地基干涉雷达的测量误差随着测量距离的增加而递增，100 m检测距离范围内，检测精度可以达到优于0.1 mm的水平。

关鍵词：IBIS-S地基干涉雷达;桥梁;检测环境;测量距离;精度

中图分类号：U446 文献标识码：A

0 引言

在变形监测领域，地基干涉雷达作为一项新型监测设备，其采用微波技术进行非接触检测。区别于GPS-RTK、全站仪、水准仪等单点采样设备，其主要采用干涉测量及步进频率波技术，能同时获得精度和分辨率较高的面状区域群点检测信息，动、静态高精度监测地面目标。IBIS-S地基干涉雷达由意大利公司IDS研发，其通过非接触式测量面状目标，获取变形信息，进而分析的得到监测范围空间内的变形情况。基于非接触面状区域测量的快速、高效，以及测量的高精度优势，IBIS-S地基干涉雷达可以有效地应用于桥梁、隧道等公路建构筑物的微变形监测中[1]。

测量仪器应用效能受限的一项关键因素是测量误差及其来源。IBIS-S采用的雷达波为微波，通过理论分析，传播的环境介质对其传播过程影响较大;公路领域的工程实践应用表明，随着探测距离的变化，其检测精度随之变化。所以，本文通过江苏省002省道秦淮河大桥实地试验、理论和数据后分析的形式研究了静态模式下影响IBIS-S测量精度的检测环境和测距两项影响因素。

1 IBIS-S简介

IBIS-S地基干涉雷达集成了合成孔径雷达、干涉测量和SF-CW步进频率连续波等技术。有效探测距离最大可以达到1公里，静态模式下，拥有0.1 mm标称精度，可实现50 cm级的距离分辨率和200 Hz级的目标信息采样频率。

IBIS-S主要基于对监测目标前后两次采样获得的变形信息电磁波相位差异，分析计算变形量，即：

式中，为两次采样的前后位移，为测量前后两次的相位差，为波长。

2 介质环境对精度的影响

IBIS-S发射和接收的微波通过大气传播时，由于环境介质密度变化等因素影响，容易导致微波发生折射。

所以在外部不同的环境下，IBIS-S测量精度有所不同。在大型桥梁的微变形监测中，IBIS-S发射和接收的微波在水域上方湿气较大的环境下通过时更容易产生折射，进而影响测量精度。所以分别取水域临空段和陆域（引桥远水段）地点对大桥固定目标进行试验测量，并对测量精度开展对比分析。

试验方案如下：在0.02 mm级分辨率的游标卡尺上固连角反射器，可定量同步滑动，进行对比分析。分别取临水域测点和陆域（远水域）地点对大桥固定目标进行试验测量，测量距离分别为100 m和200 m。在特制支架上安置两个角反射器，单次移动3 mm～4 mm，连续进行7次，最后将IBIS-S测得的变形值取平均值。结果见图1和图2所示。

IBIS-S在陆地干燥环境和水域潮湿环境下的测量精度如表1所示。从表1可以看出，环境的不同对IBIS-S测量精度影响明显。100 m测量距离时，IBIS-S陆地环境测量精度为±0.1 mm，在水域环境中为±0.13 mm的测量精度;200 m测量距离时，IBIS-S陆地环境的测量精度为±0.32 mm，在水域环境中为±0.57 mm的测量精度。试验结果可知，水域环境相比于陆地环境，IBIS-S的测量精度较低;距离越长，水域影响越大。由于IBIS-S使用的微波经过水域潮湿环境时，容易发生散射、反射、折射，水域环境的大气湿度较大，对IBIS-S测量精度产生不利影响。

3 距离对测量精度的影响

为研究IBIS-S测量精度受测量距离的影响，同样在游标卡尺上固连角反射器，通过定量滑动开展比对分析。试验在桥梁引桥陆域开阔位置进行，为减少环境因素对测量精度的影响，采用稳定点校正法[2-4]。设置A角反射器和B角反射器，其中A角反射器设置为稳定点，固定不动;B角反射器设置为移动目标，固连游标卡尺，单次移动游标卡尺2 mm。分别设置测量距离为50 m、90 m、120 m、215 m、315 m和375 m，其中90 m测量距离时的测量结果如图3所示。

由试验可得IBIS-S在不同测距条件下的测量精度见表2所示。可以从表2看出，随着测距增加，IBIS-S测量误差递增，测量数据质量递减。在开阔陆地条件下，小于100 m的测距下，IBIS-S可以达到±0.1 mm的测量精度;测距在100 m～200 m时，可以达到优于±0.25 mm的测量精度水平;测距为200 m～400 m时，可以达到优于±0.5 mm测量精度水平。

4 结语

IBIS-S地基干涉雷达作为新型变形测量监测仪器，可达到±0.1 mm静态标称精度，逐步开始应用于大型桥梁及其他构筑物的变形监测中。但其使用的微波易受测量环境的影响，不同测量环境下测量精度差异明显;并且测距的变化对测量精度的也有影响。本文对影响IBIS-S测量精度的两个因素（环境和测距）进行了研究。研究结果表明，相比于陆地环境，在水域环境下IBIS-S测量精度明显低;随着测距增加，IBIS-S测量误差递增，100 m测距范围内测量精度优于±0.1 mm。

参考文献：

[1]徐亚明，王鹏，周校，等.地基干涉雷达IBIS-S桥梁动态形变监测研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2013，38（07）：845-849.

[2]刁建鹏.微波干涉测量在高层建筑动态监测中的应用[J].振动与冲击，2010，29（11）：177-179+261.

[3]徐亚明.地基雷达干涉测量的环境改正方法研究[J].大地测量与地球动力学，2013，33（03）：41-43+51.

[4]华远峰，李连友，胡伍生，等.地面雷达静态微变形测量环境影响改正方法研究[J].东南大学学报（自然科学版），2013，43（S2）：428-432.