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(1.武漢大學 a.測繪學院；b.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室;c.測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2.長江科學院 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)測點的絕對位置計算目標的形變量，這類方法需接觸被測目標且獲取的信息量較少，需布設大量標志點才能準確地獲取大壩整體形變信息[1]。地基合成孔徑雷達技術(shù)可無接觸、高精度地獲取大壩表面面狀形變信息，具有廣闊的應用場景。

文獻[2-3]利用星載雷達干涉技術(shù)獲取了大壩的沉降信息，驗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采樣周期較長，且受成像角度影響無法實時地獲取大壩形變信息。地基合成孔徑雷達(Ground-Based SAR, GB-SAR)采用了步進頻率連續(xù)波技術(shù)(SF-CW)、合成孔徑雷達技術(shù)(SAR)和干涉測量技術(shù)，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測需求，靈活設計目標物與雷達的成像幾何關系，獲取大壩表面在雷達視線向(Line of Sight,LOS)的形變信息。文獻[4-7]嘗試利用該技術(shù)對大壩進行安全監(jiān)測，通過與傳統(tǒng)測量手段獲取的大壩位移結(jié)果進行比較分析，驗證了該方法是一種有效的大壩安全監(jiān)測手段。文獻[8]通過設計地基雷達系統(tǒng)檢測方案，驗證了系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的高精度及可靠性。文獻[9]對傳統(tǒng)的環(huán)境改正方法進行了改進，并通過實驗驗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)電機組發(fā)電影響情況下進行了安全監(jiān)測實驗，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 地基雷達數(shù)據(jù)氣象改正方法

大氣變化(濕度和溫度波動)導致的雷達信號傳播延遲隨信號的波長增大而減小，同時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，雷達波長約1.7 cm，測量精度可達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波段雷達會產(chǎn)生42°左右的影響[11]，為提高地基雷達測量精度，需消除觀測時間內(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。

當雷達波頻率為fc，目標點與雷達之間距離為rn，假設觀測場景內(nèi)穩(wěn)定點的大氣延遲只受時間i影響，即其變化與距離rn無關，在雷達傳播往返時間間隔內(nèi)大氣保持穩(wěn)定，則獲取的雷達相位值φ(i)為[14]

(3)

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

(4)

由于地基雷達不含空間基線，所以相位受目標形變、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分別表示目標位移和環(huán)境變化引起的相位變化。

當環(huán)境變化較小，觀測距離較近時可假設大氣變化對相位影響與雷達與目標物之間視線向的距離r成線性關系為

φatm=ar。

(6)

式中常數(shù)a可根據(jù)穩(wěn)定點獲取的環(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)測實驗

3.1 實驗說明

實驗于2013-07-26至2013-08-03進行，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物進行了連續(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)場實景圖。

圖1 監(jiān)測現(xiàn)場

觀測參數(shù)及時間(如表1)說明：07-27 T09:40至07-27 T16:36期間因同時進行了數(shù)字高程模型實驗，此期間零空間基線的數(shù)據(jù)采樣時間約為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 雷達觀測參數(shù)

圖2 雷達信號反射強度

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，雷達反射信號強度較高，可獲取較多可靠反射信號進行數(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度如圖2所示(圖中x,y為平面坐標)，其中大壩及發(fā)電廠房反射信號強度高，其熱信噪比達到40 dB。在觀測場景內(nèi)邊坡信號強度可達30 dB，雖然邊坡植被覆蓋較少，但是受雷達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反射信號均比較可靠。

圖4 控制點觀測結(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個分散的穩(wěn)定點作為控制點獲取觀測時間序列內(nèi)環(huán)境影響值，控制點分布在消力池、大壩與消力池之間山體及大壩附近山體中。

圖3為控制點受環(huán)境影響情況，其中圖3(a)為控制點視線向形變，圖3(b)為在不同時刻利用控制點求得的改正數(shù)(αgcp)，圖3(c)為在同一時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：在整個觀測時間序列中，由于暴雨等因素影響導致部分數(shù)據(jù)丟失，但丟失部分不影響整個觀測序列中目標物的形變分析，整個時間序列數(shù)據(jù)并未因為數(shù)據(jù)中斷而表現(xiàn)出異常的形變趨勢。由圖3可知在整個觀測序列中，部分時間段的環(huán)境影響系數(shù)差異較大，達到了0.8，大部分時間段在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(P17)、大壩右邊邊坡點(P20)、廠房后部山體(P24,P28)、大壩消力池上方離散點(P34)、壩體涵洞(P36,P39)及壩體下部離散點(P47)作為待改正的觀測點。待改正點在觀測周期內(nèi)認為是穩(wěn)定未發(fā)生形變的，因此其理論形變值應為0。圖4為控制點觀測結(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)單點改正無法準確改正環(huán)境影響，改正結(jié)果出現(xiàn)<10 cm的誤差；采用多控制點改正法處理(圖4(b))，其中部分穩(wěn)定點如P28點產(chǎn)生了8 mm的誤差，其他點在觀測周期內(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，采用多控制點最近距離法進行環(huán)境改正也無法達到理想的效果。

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)模型即同一觀測時間段內(nèi)在同一大氣折射系數(shù)N下雷達信號延遲(環(huán)境影響)與距離成正比的線性關系。選取觀測場景內(nèi)不同距離的幾個控制點，通過獲取的同一時間內(nèi)不同距離處的控制點受環(huán)境的影響值，解算大氣折射系數(shù)N，再由系數(shù)N進行環(huán)境改正。

選取07-27 T20:24至07-28 T15:50時間段共214景數(shù)據(jù)進行環(huán)境影響分析，在觀測場景內(nèi)選取5個控制點用于環(huán)境改正。選點位置如圖5(a)所示，控制點原始測量結(jié)果、基于大氣同質(zhì)模型的假設觀測場景內(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點比其他3點距離雷達更遠，在圖5(c)的結(jié)果中改正后的穩(wěn)定點呈現(xiàn)一種遠離雷達視線向的形變趨勢，P33，P34點的環(huán)境影響值達到2 mm；位于中心位置的P22點改正結(jié)果最好，環(huán)境影響控制在0.5 mm，其他各點均超過1 mm，因此N為統(tǒng)一不變的假設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，該假設無法適用觀測場景內(nèi)非中心位置處目標物的環(huán)境改正。

由圖5(d)可知,在假設N線性變化的前提下，觀測場景內(nèi)不同位置的目標點均取得了較好的環(huán)境改正結(jié)果，其中除P22和P11點在某一時刻環(huán)境影響達到1.1 mm，其他時段各點的環(huán)境改正均控制在0.5 mm附近，因此該假設符合觀測場景內(nèi)環(huán)境變化對GB-SAR的影響特點，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個目標點進行環(huán)境改正，假設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 壩體目標點改正結(jié)果

由圖6(a)可知，假設N不變情況下大壩呈現(xiàn)的形變趨勢與控制點改正后的P33，P34點類似，由此可知N不變的假設下大壩表現(xiàn)為遠離雷達視線向方向運動，最終產(chǎn)生遠離雷達視線向2～3 mm的位移。但是由P33，P34穩(wěn)定點的先驗信息可知，該位移是由于環(huán)境改正不準確導致，因此采用N不變假設環(huán)境影響消除不夠徹底，利用該假設進行的環(huán)境改正結(jié)果無法準確獲取壩體形變信息。

基于大氣同質(zhì)模型的假設觀測場景內(nèi)N不變的方法進行改正后，由圖6(b)可知大壩產(chǎn)生了小于2 mm的位移；從晚上21點開始到第二天早上9點大壩產(chǎn)生靠近雷達方向的位移，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點產(chǎn)生遠離雷達視線向位移，大壩整體在觀測時間段內(nèi)位移相對初始時刻產(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，可對大壩在觀測時間段內(nèi)的空間形變特征進行分析。在07-27 T20：29至07-28 T15:50時間段內(nèi)，在如下時間點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，其他時段均未發(fā)生超過0.5 mm形變，其中9:27時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，部分時段產(chǎn)生近2 mm形變，該部分由點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，部分時段的個別小部分區(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，可認為部分小區(qū)域的異常形變主要由環(huán)境影響所導致，故可認為在整個觀測周期內(nèi)大壩整體穩(wěn)定，未發(fā)生明顯形變。

4 結(jié) 語

由實驗結(jié)果可知，地基合成孔徑雷達技術(shù)，可通過設計雷達與大壩的成像幾何關系，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)境激勵下的壩體表面不同位置不同時刻的形變信息，是一種為大壩安全運行提供的有效監(jiān)測手段。

雷達信號易受大氣變化影響，在進行長期高精度監(jiān)測時需對干涉相位進行大氣改正，削弱雷達傳輸信號自身受大氣變化的影響。根據(jù)改正后的地基雷達處理結(jié)果可獲取高空間分辨率的大壩表面各點相同時刻的形變信息，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行結(jié)構(gòu)分析，有效檢測大壩的安全運行狀態(tài)。

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