戚 斌，岳 順，宋亞宏

（1. 蚌埠市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，安徽 蚌埠 233000；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

GBInSAR技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用

戚 斌1，岳 順2，宋亞宏2

（1. 蚌埠市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，安徽 蚌埠 233000；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

對地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量（GBInSAR）技術(shù)的監(jiān)測原理和特點(diǎn)進(jìn)行了深入研究；并利用該技術(shù)和全站儀對南京清涼門大橋進(jìn)行了監(jiān)測，將橋梁在雷達(dá)視線向的變形轉(zhuǎn)化為橋梁本身垂直面真實(shí)的位移。通過對監(jiān)測結(jié)果的計(jì)算分析可知，GBInSAR技術(shù)的監(jiān)測精度可達(dá)到0.1 mm；再將監(jiān)測結(jié)果與橋面通行情況進(jìn)行對比可知，清涼門大橋的變形量主要是由橋面荷載引起的，大橋處于穩(wěn)定狀態(tài)。

GBInSAR；全站儀；橋梁；變形監(jiān)測；IBIS-S

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國公路橋梁建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期，橋梁結(jié)構(gòu)和形勢日趨復(fù)雜，規(guī)模也越來越大，橋梁的施工正朝著超大化的方向發(fā)展。橋梁建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，大型橋梁的安全性也愈加受到相關(guān)部門的重視[1]。傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測方式分為全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等，均存在精度低、成本高、誤差影響大等缺陷[2-5]。地基合成孔徑雷達(dá)干涉測量（GBInSAR）技術(shù)是一種基于微波主動探測的創(chuàng)新雷達(dá)技術(shù)[6]，其工作原理與星載InSAR技術(shù)類似，通過干涉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞mm級的微變形監(jiān)測，為橋梁變形監(jiān)測開辟了一條新的道路[7-8]。GBInSAR技術(shù)將干涉測量技術(shù)、步進(jìn)頻率連續(xù)波和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）有效地融合在一起，具有監(jiān)測成本低、精度高、空間連續(xù)觀測等優(yōu)點(diǎn)，是一種全新的變形監(jiān)測方法，已廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁、建筑物等變形體的變形監(jiān)測中，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文針對橋梁工程變形監(jiān)測的特點(diǎn)，利用IBIS-S系統(tǒng)對橋梁進(jìn)行了監(jiān)測與應(yīng)用分析。

1 全站儀和GBInSAR技術(shù)融合的橋梁監(jiān)測

GBInSAR技術(shù)比較的是天線饋送信號的波程差，采用比相法，基本原理如圖1所示。

圖1 GBInSAR的基本原理圖

從圖1可知，雷達(dá)首先發(fā)射天線（TX）饋送微波信號，信號經(jīng)與目標(biāo)的相互作用形成后向散射信號，最終被接收天線（RX）接收，經(jīng)過相關(guān)信號與數(shù)據(jù)處理步驟，即可得到此次測量的一個(gè)采樣復(fù)信號，其中包含了信號強(qiáng)度和觀測相位值φ1。雷達(dá)系統(tǒng)持續(xù)對輻射場區(qū)的目標(biāo)進(jìn)行采樣，假設(shè)第二次采樣開始時(shí)目標(biāo)發(fā)生了形變Δr，那么雷達(dá)得到的第二個(gè)采樣復(fù)信號就包含了相應(yīng)的信號強(qiáng)度和觀測相位值φ2。形變相位即為兩個(gè)觀測相位的差值，計(jì)算公式為：

觀測相位和相位差均被規(guī)劃至區(qū)間[-π, π)中，計(jì)算角度差時(shí)需判斷角度所處象限[9-10]。為了避免頻繁判斷角度所處象限，通常利用復(fù)數(shù)的共軛相乘提取干涉相位，其公式為：

式中，S為采樣復(fù)信號；A、φ分別為觀測信號的強(qiáng)度和信號。

GBInSAR技術(shù)得到的變形量是變形體視線向的位移，不能真實(shí)顯示變形體的變形，本文在GBInSAR技術(shù)的監(jiān)測過程中，同時(shí)利用全站儀進(jìn)行監(jiān)測，融合原理如圖2所示。

圖2 融合全站儀和GBInSAR技術(shù)對大橋監(jiān)測的原理圖

如圖2所示，A點(diǎn)為GBInSAR儀器所處位置，B點(diǎn)為全站儀所處位置，F(xiàn)為橋面，C點(diǎn)為橋梁底部的監(jiān)測點(diǎn)，CE表示GBInSAR儀器監(jiān)測到的雷達(dá)視線向的距離，θ為C點(diǎn)在雷達(dá)視線向的投影角，則有：

2 實(shí)驗(yàn)分析

本文利用地基雷達(dá)IBIS-S系統(tǒng)對清涼門大橋進(jìn)行監(jiān)測處理，監(jiān)測歷時(shí)30 min；同時(shí)對橋面的通行情況進(jìn)行錄像處理，采樣頻率為49.02 Hz，距離向分辨率為0.5 m。IBIS-S系統(tǒng)A和監(jiān)測點(diǎn)C在全站儀坐標(biāo)下的坐標(biāo)分別為（12.476 8,0.001,4.040 4）和（-67.181,-24.253 6,8.591 1），經(jīng)計(jì)算可得垂直投影角θ為86°52'18.61"。對雷達(dá)信號進(jìn)行干涉、濾波等處理，得到大橋的雷達(dá)視線向的變形量；再利用得到的θ將橋梁雷達(dá)視線向變形投影為垂直于橋面的變形，結(jié)果如圖3所示。

圖3 清涼山大橋監(jiān)測點(diǎn)的位移量

從圖3可知，清涼山大橋在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了向下變形。將其變形與橋面的通行情況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，二者具有較強(qiáng)的相似性，說明橋梁變形主要是由橋面荷載引起的。IBIS-S監(jiān)測精度達(dá)到0.1 mm，大橋的變形量處于[-0.7,0.3]之間，監(jiān)測期間未發(fā)生較大的變形，說明大橋處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足，本文采用GBInSAR技術(shù)和全站儀，利用IBIS-S設(shè)備對南京清涼門大橋進(jìn)行了監(jiān)測，并將雷達(dá)視線向位移投影到橋面垂直面上，真實(shí)反映了橋梁的變形量；同時(shí)把監(jiān)測結(jié)果和橋面通行情況進(jìn)行對比，可以看出，橋梁變形主要是由橋面荷載引起的，橋梁監(jiān)測點(diǎn)位移量較小，大橋處于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測精度達(dá)到0.1 mm，滿足了當(dāng)代大橋監(jiān)測的要求。本文利用GBInSAR技術(shù)對大橋進(jìn)行了高精度監(jiān)測，為GBInSAR技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了案例參考。

[1]過靜珺,戴連君,盧云川.虎門大橋GPS(RTK)實(shí)時(shí)位移監(jiān)測方法研究[J].測繪通報(bào),2000(12):4-5

[2]夏秋,周金國.小波分析在GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].地理空間信息,2011,9(6):40-41

[3]鄔昱昆,岳東杰,楊柏寧.GPS水準(zhǔn)在蘇通大橋工程建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào),2007(2):58-60

[4]肖根旺,郭紅星,徐忠陽.全站儀自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在招寶山大橋變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪信息與工程,2002(4):19-20

[5]李傳君,王慶,劉元清,等.GPS在潤揚(yáng)大橋懸索橋撓度變形觀測中的應(yīng)用[J].工程勘察,2010(3):65-68

[6]張宗申,周建鄭,張春燕.基于GBSAR的微變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].大壩與安全,2013(6):19-23

[7]蔡永俊,張祥坤,姜景山,等.地基差分干涉微形變監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015(9):82-84

[8]汪學(xué)琴,岳建平,邱志偉,等.GBSAR大氣擾動誤差氣象補(bǔ)償方法研究[J]. 勘察科學(xué)技術(shù),2015(5):34-37

[9]孫恒,董杰. IBIS-S遙測系統(tǒng)在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].工程勘察,2013(8):79-82

[10]汪學(xué)琴,岳建平,邱志偉,等.基于二次曲面擬合的GBSAR大氣擾動誤差模型研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2016(2):115-117

P258

B

1672-4623（2017）07-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.029

戚斌，碩士，高級工程師，主要從事交通工程的測繪與管理研究。

2016-04-26。

項(xiàng)目來源：湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（PHLHD201311）。