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。
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:
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)。
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。
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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)。