, , ,

(1.武漢大學(xué) a.測繪學(xué)院；b.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；2.長江科學(xué)院 a.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；b.工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010)

1 研究背景

大壩是水利樞紐的主要建筑物，一旦發(fā)生事故，將給下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失，因此大壩安全監(jiān)測具有重要意義。常規(guī)的大壩監(jiān)測方法通常是利用監(jiān)測點(diǎn)的絕對位置計(jì)算目標(biāo)的形變量，這類方法需接觸被測目標(biāo)且獲取的信息量較少，需布設(shè)大量標(biāo)志點(diǎn)才能準(zhǔn)確地獲取大壩整體形變信息[1]。地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)可無接觸、高精度地獲取大壩表面面狀形變信息，具有廣闊的應(yīng)用場景。

文獻(xiàn)[2-3]利用星載雷達(dá)干涉技術(shù)獲取了大壩的沉降信息，驗(yàn)證了該方法在大壩監(jiān)測中的可行性。但星載合成孔徑雷達(dá)采樣周期較長，且受成像角度影響無法實(shí)時(shí)地獲取大壩形變信息。地基合成孔徑雷達(dá)(Ground-Based SAR, GB-SAR)采用了步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)和干涉測量技術(shù)，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測需求，靈活設(shè)計(jì)目標(biāo)物與雷達(dá)的成像幾何關(guān)系，獲取大壩表面在雷達(dá)視線向(Line of Sight,LOS)的形變信息。文獻(xiàn)[4-7]嘗試?yán)迷摷夹g(shù)對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測，通過與傳統(tǒng)測量手段獲取的大壩位移結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了該方法是一種有效的大壩安全監(jiān)測手段。文獻(xiàn)[8]通過設(shè)計(jì)地基雷達(dá)系統(tǒng)檢測方案，驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的高精度及可靠性。文獻(xiàn)[9]對傳統(tǒng)的環(huán)境改正方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。本文利用IBIS (Image by Interferometric survey)-L系統(tǒng)在大壩受晝夜溫差變化、不同天氣條件以及大壩受發(fā)電機(jī)組發(fā)電影響情況下進(jìn)行了安全監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該技術(shù)可快速、高精度地獲取大壩在環(huán)境變化下的形變信息。

2 地基雷達(dá)數(shù)據(jù)氣象改正方法

大氣變化(濕度和溫度波動)導(dǎo)致的雷達(dá)信號傳播延遲隨信號的波長增大而減小，同時(shí)顧及測量的精度和相位纏繞的可能性，IBIS-L系統(tǒng)采用ku波段電磁波，雷達(dá)波長約1.7 cm，測量精度可達(dá)0.1 mm[10]。但是微波易受環(huán)境中濕度變化的影響，在觀測距離為1 000 m，1 013 hPa的大氣壓和溫度20 ℃的情況下，傳播路徑中1%的濕度變化對于ku波段雷達(dá)會產(chǎn)生42°左右的影響[11]，為提高地基雷達(dá)測量精度，需消除觀測時(shí)間內(nèi)大氣變化引起的測量誤差。

大氣延遲在短距離內(nèi)可近似認(rèn)為沿直線路徑[12]，即

(1)

(2)

式中：T為溫度；e為水汽；Pd為干氣氣壓。

當(dāng)雷達(dá)波頻率為fc，目標(biāo)點(diǎn)與雷達(dá)之間距離為rn，假設(shè)觀測場景內(nèi)穩(wěn)定點(diǎn)的大氣延遲只受時(shí)間i影響，即其變化與距離rn無關(guān)，在雷達(dá)傳播往返時(shí)間間隔內(nèi)大氣保持穩(wěn)定，則獲取的雷達(dá)相位值φ(i)為[14]

(3)

式中c為雷達(dá)波傳播速度。故穩(wěn)定點(diǎn)在不同觀測時(shí)間內(nèi)因大氣變化產(chǎn)生的相位差Δφ為

(4)

由于地基雷達(dá)不含空間基線，所以相位受目標(biāo)形變、大氣延遲和觀測噪聲影響，其觀測周期短且信號頻率高，穩(wěn)定點(diǎn)的信噪比較高，故干涉相位的平均偏差相對環(huán)境影響較小。將噪聲影響與大氣延遲統(tǒng)一到環(huán)境中，則干涉相位φ可表示為

φ=φdis+φatm。

(5)

式中φdis，φatm分別表示目標(biāo)位移和環(huán)境變化引起的相位變化。

當(dāng)環(huán)境變化較小，觀測距離較近時(shí)可假設(shè)大氣變化對相位影響與雷達(dá)與目標(biāo)物之間視線向的距離r成線性關(guān)系為

φatm=ar。

(6)

式中常數(shù)a可根據(jù)穩(wěn)定點(diǎn)獲取的環(huán)境影響值解算得到。經(jīng)過改正后的相位值φcorr為

φcorr=φ-ar。

(7)

3 大壩監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)說明

實(shí)驗(yàn)于2013-07-26至2013-08-03進(jìn)行，在隔河巖水電站利用IBIS-L系統(tǒng)對水電站主壩、右岸邊坡及電廠廠房等目標(biāo)物進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，分析氣象因素對GB-SAR測量的影響情況。圖1為監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)景圖。

圖1 監(jiān)測現(xiàn)場

觀測參數(shù)及時(shí)間(如表1)說明：07-27 T09:40至07-27 T16:36期間因同時(shí)進(jìn)行了數(shù)字高程模型實(shí)驗(yàn)，此期間零空間基線的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間約為15 min，共采集32景數(shù)據(jù)；07-29 T20:28—23:32，08-01 T4:12—7:08，08-01 T23:16至08-02 T03:31因暴雨中斷采集數(shù)據(jù)。

表1 雷達(dá)觀測參數(shù)

圖2 雷達(dá)信號反射強(qiáng)度

3.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

大壩壩體為混凝土結(jié)構(gòu)且周圍山體植被覆蓋較少，雷達(dá)反射信號強(qiáng)度較高，可獲取較多可靠反射信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。觀測場景內(nèi)各主要建筑物與自然物的信號強(qiáng)度如圖2所示(圖中x,y為平面坐標(biāo))，其中大壩及發(fā)電廠房反射信號強(qiáng)度高，其熱信噪比達(dá)到40 dB。在觀測場景內(nèi)邊坡信號強(qiáng)度可達(dá)30 dB，雖然邊坡植被覆蓋較少，但是受雷達(dá)成像角度及邊坡表面的加固材料特性影響，大壩周圍的右岸邊坡中僅壩頂附近山體的雷達(dá)反射信號較可靠，發(fā)電廠房后的邊坡大部分因成像角度合理所以大部分山體的雷達(dá)反射信號均比較可靠。

圖4 控制點(diǎn)觀測結(jié)果及常規(guī)方法改正結(jié)果

3.2.1 環(huán)境影響分析

首先選取觀測場景內(nèi)9個(gè)分散的穩(wěn)定點(diǎn)作為控制點(diǎn)獲取觀測時(shí)間序列內(nèi)環(huán)境影響值，控制點(diǎn)分布在消力池、大壩與消力池之間山體及大壩附近山體中。

圖3為控制點(diǎn)受環(huán)境影響情況，其中圖3(a)為控制點(diǎn)視線向形變，圖3(b)為在不同時(shí)刻利用控制點(diǎn)求得的改正數(shù)(αgcp)，圖3(c)為在同一時(shí)刻就得的最大改正數(shù)與最小改正數(shù)的差值，差值表示為[max(αgcp)-min(αgcp)]×100。由圖3可知：在整個(gè)觀測時(shí)間序列中，由于暴雨等因素影響導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，但丟失部分不影響整個(gè)觀測序列中目標(biāo)物的形變分析，整個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)并未因?yàn)閿?shù)據(jù)中斷而表現(xiàn)出異常的形變趨勢。由圖3可知在整個(gè)觀測序列中，部分時(shí)間段的環(huán)境影響系數(shù)差異較大，達(dá)到了0.8，大部分時(shí)間段在0.2內(nèi)。

為觀察環(huán)境改正結(jié)果的情況選取大壩附近山體點(diǎn)(P17)、大壩右邊邊坡點(diǎn)(P20)、廠房后部山體(P24,P28)、大壩消力池上方離散點(diǎn)(P34)、壩體涵洞(P36,P39)及壩體下部離散點(diǎn)(P47)作為待改正的觀測點(diǎn)。待改正點(diǎn)在觀測周期內(nèi)認(rèn)為是穩(wěn)定未發(fā)生形變的，因此其理論形變值應(yīng)為0。圖4為控制點(diǎn)觀測結(jié)果及常規(guī)方法改正結(jié)果。

由圖4(c)和圖4(d)可知，觀測周期內(nèi)單點(diǎn)改正無法準(zhǔn)確改正環(huán)境影響，改正結(jié)果出現(xiàn)<10 cm的誤差；采用多控制點(diǎn)改正法處理(圖4(b))，其中部分穩(wěn)定點(diǎn)如P28點(diǎn)產(chǎn)生了8 mm的誤差，其他點(diǎn)在觀測周期內(nèi)未產(chǎn)生明顯異常差異，環(huán)境因素在部分觀測時(shí)段產(chǎn)生了超過4 mm的影響，大部分氣象影響在2 mm左右，因此可見，采用多控制點(diǎn)最近距離法進(jìn)行環(huán)境改正也無法達(dá)到理想的效果。

圖5 環(huán)境改正結(jié)果

3.2.2 環(huán)境影響消除

為準(zhǔn)確消除環(huán)境因素對觀測結(jié)果造成影響，本文采用大氣同質(zhì)模型即同一觀測時(shí)間段內(nèi)在同一大氣折射系數(shù)N下雷達(dá)信號延遲(環(huán)境影響)與距離成正比的線性關(guān)系。選取觀測場景內(nèi)不同距離的幾個(gè)控制點(diǎn)，通過獲取的同一時(shí)間內(nèi)不同距離處的控制點(diǎn)受環(huán)境的影響值，解算大氣折射系數(shù)N，再由系數(shù)N進(jìn)行環(huán)境改正。

選取07-27 T20:24至07-28 T15:50時(shí)間段共214景數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境影響分析，在觀測場景內(nèi)選取5個(gè)控制點(diǎn)用于環(huán)境改正。選點(diǎn)位置如圖5(a)所示，控制點(diǎn)原始測量結(jié)果、基于大氣同質(zhì)模型的假設(shè)觀測場景內(nèi)N不變的改正結(jié)果及N隨著距離增加成線性變化的改正結(jié)果如圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)所示。

由圖5(a)可知，P33和P34點(diǎn)比其他3點(diǎn)距離雷達(dá)更遠(yuǎn)，在圖5(c)的結(jié)果中改正后的穩(wěn)定點(diǎn)呈現(xiàn)一種遠(yuǎn)離雷達(dá)視線向的形變趨勢，P33，P34點(diǎn)的環(huán)境影響值達(dá)到2 mm；位于中心位置的P22點(diǎn)改正結(jié)果最好，環(huán)境影響控制在0.5 mm，其他各點(diǎn)均超過1 mm，因此N為統(tǒng)一不變的假設(shè)僅對觀測場景中心部位的環(huán)境改正取得一定效果，在江面環(huán)境因素變化較大的情況下，該假設(shè)無法適用觀測場景內(nèi)非中心位置處目標(biāo)物的環(huán)境改正。

由圖5(d)可知,在假設(shè)N線性變化的前提下，觀測場景內(nèi)不同位置的目標(biāo)點(diǎn)均取得了較好的環(huán)境改正結(jié)果，其中除P22和P11點(diǎn)在某一時(shí)刻環(huán)境影響達(dá)到1.1 mm，其他時(shí)段各點(diǎn)的環(huán)境改正均控制在0.5 mm附近，因此該假設(shè)符合觀測場景內(nèi)環(huán)境變化對GB-SAR的影響特點(diǎn)，采用該方法可有效消除觀測場景內(nèi)的環(huán)境因素影響。

選取大壩壩體均勻分布的15個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境改正，假設(shè)N不變改正結(jié)果及N線性變化改正結(jié)果如圖6所示。

圖6 壩體目標(biāo)點(diǎn)改正結(jié)果

由圖6(a)可知，假設(shè)N不變情況下大壩呈現(xiàn)的形變趨勢與控制點(diǎn)改正后的P33，P34點(diǎn)類似，由此可知N不變的假設(shè)下大壩表現(xiàn)為遠(yuǎn)離雷達(dá)視線向方向運(yùn)動，最終產(chǎn)生遠(yuǎn)離雷達(dá)視線向2～3 mm的位移。但是由P33，P34穩(wěn)定點(diǎn)的先驗(yàn)信息可知，該位移是由于環(huán)境改正不準(zhǔn)確導(dǎo)致，因此采用N不變假設(shè)環(huán)境影響消除不夠徹底，利用該假設(shè)進(jìn)行的環(huán)境改正結(jié)果無法準(zhǔn)確獲取壩體形變信息。

基于大氣同質(zhì)模型的假設(shè)觀測場景內(nèi)N不變的方法進(jìn)行改正后，由圖6(b)可知大壩產(chǎn)生了小于2 mm的位移；從晚上21點(diǎn)開始到第二天早上9點(diǎn)大壩產(chǎn)生靠近雷達(dá)方向的位移，位移量小于2 mm，大部分壩體的位移量在1 mm左右；到下午15點(diǎn)產(chǎn)生遠(yuǎn)離雷達(dá)視線向位移，大壩整體在觀測時(shí)間段內(nèi)位移相對初始時(shí)刻產(chǎn)生不超過1 mm的位移。

利用不同空間位置的大壩表面相同時(shí)刻形變信息構(gòu)建三維大壩表面形變模型，可對大壩在觀測時(shí)間段內(nèi)的空間形變特征進(jìn)行分析。在07-27 T20：29至07-28 T15:50時(shí)間段內(nèi)，在如下時(shí)間點(diǎn)分別生成一幅大壩中部表面形變特征圖：20:29，22:24，00:23，02:21，04:20，06:24，08:28，9:27，10:29，12:24，14:29，15:50，結(jié)果如圖7所示。監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)壩體形變速率圖如圖8所示。

圖7 監(jiān)測區(qū)域三維形變圖

圖8 大壩表面形變速率圖

由形變速率圖可知大壩邊坡整體穩(wěn)定。在整個(gè)觀測周期內(nèi)，所選區(qū)域的中部除07-28 T9:27產(chǎn)生了超過0.5 mm的形變，其他時(shí)段均未發(fā)生超過0.5 mm形變，其中9:27時(shí)段大壩中部靠右位置產(chǎn)生的形變量大于左部，其形變趨勢表現(xiàn)為從左至右逐漸增大；07-28 T00:00—T12:00期間所選區(qū)域的頂部產(chǎn)生的形變量超過其他區(qū)域，部分時(shí)間段產(chǎn)生將近2 mm的位移，且左邊頂部形變量略高于右邊，而在其他時(shí)間段大壩的頂部未發(fā)生超過0.5 mm的形變；在大壩垂直方向，大壩的整體形變趨勢表現(xiàn)為形變量從頂部到中部逐漸減少，然后在所選區(qū)域最底部形變量逐漸增加，整個(gè)垂直方向的形變差值較小。從07-28 T00:00之后所選區(qū)域底部形變趨勢較明顯，且在07-28 T9:37之后形變量相對其他部位較大，部分時(shí)段產(chǎn)生近2 mm形變，該部分由點(diǎn)位的信噪比等其他信息可知其所受的環(huán)境影響較大，形變量受殘余的環(huán)境影響較大。

在觀測周期內(nèi)大壩的整體最大形變未超過1.5 mm，部分時(shí)段的個(gè)別小部分區(qū)域相對大壩其他區(qū)域形變不一致，但其形變值也未超過2 mm，考慮到其受部分殘余的環(huán)境影響，可認(rèn)為部分小區(qū)域的異常形變主要由環(huán)境影響所導(dǎo)致，故可認(rèn)為在整個(gè)觀測周期內(nèi)大壩整體穩(wěn)定，未發(fā)生明顯形變。

4 結(jié) 語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，可通過設(shè)計(jì)雷達(dá)與大壩的成像幾何關(guān)系，獲取大壩高精度、高分辨率的橫向形變信息，該技術(shù)對大壩在環(huán)境變化影響下的形變探測靈敏度高，采樣周期短，可同時(shí)獲取大壩不同位置處的形變信息，利用該技術(shù)可探測大壩受晝夜溫度變化、發(fā)電等各種環(huán)境激勵(lì)下的壩體表面不同位置不同時(shí)刻的形變信息，是一種為大壩安全運(yùn)行提供的有效監(jiān)測手段。

雷達(dá)信號易受大氣變化影響，在進(jìn)行長期高精度監(jiān)測時(shí)需對干涉相位進(jìn)行大氣改正，削弱雷達(dá)傳輸信號自身受大氣變化的影響。根據(jù)改正后的地基雷達(dá)處理結(jié)果可獲取高空間分辨率的大壩表面各點(diǎn)相同時(shí)刻的形變信息，利用該信息可構(gòu)建大壩表面形變模型有利于對大壩整體或者局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，有效檢測大壩的安全運(yùn)行狀態(tài)。

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