劉龍龍，張繼賢，王世杰，趙 爭

(1. 蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3. 中國測繪科學研究院，北京 100830； 4. 國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830)

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安全造成巨大損失，因此大壩安全監(jiān)測有重要意義[1]。地基合成孔徑雷達(ground based synthetic aperture radar,GBSAR)是一種基于微波干涉技術的創(chuàng)新雷達技術[2]。目前，世界上常見的地基合成孔徑雷達用到的技術有步進頻率連續(xù)波(SF-CW)和線性調頻連續(xù)波(FM-CW)兩種，與之對應的是意大利IDS公司的IBIS系統(tǒng)和荷蘭Metasensing公司的Fast-GBSAR系統(tǒng)[3]。相比而言，F(xiàn)ast-GBSAR采樣周期更快、頻率更高[4]。

Fast-GBSAR系統(tǒng)由線性調頻連續(xù)波(FM-CW)和合成孔徑雷達(SAR)技術相結合來獲取距離向和方位向高分辨率二維影像數(shù)據(jù)，通過雷達干涉技術，從具有相干性的雷達圖像中獲取監(jiān)測目標回波信號的相位和幅度信息，經過一系列數(shù)據(jù)處理后得到目標的形變量，目前主要應用于監(jiān)測滑坡等自然災害,以及大壩、橋梁等大型人工建筑物的振動和形變，其監(jiān)測精度可達毫米級甚至亞毫米級。相比于精密水準、全站儀和GPS等傳統(tǒng)形變監(jiān)測方法，地基干涉雷達無需與觀測目標區(qū)域有直接接觸，受云霧陰雨等氣象條件的影響較小，并且在時域和空域均具有較高的采樣率[5]。因此，地基合成孔徑雷達在變形監(jiān)測領域具有廣闊前景[6]。

本文在介紹Fast-GBSAR系統(tǒng)關鍵技術及其成像特點的基礎上，對國內某大壩進行變形監(jiān)測試驗，結合三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，對大壩的形變原因進行可視化分析。

1 Fast-GBSAR變形監(jiān)測原理

Fast-GBSAR系統(tǒng)是利用差分干涉技術，通過GBSAR對目標發(fā)射和接收電磁波信號并計算它們之間的相位差來監(jiān)測雷達視線方向的目標形變量[7]。雷達視線方向形變量計算公式如下

dLOS=λ/π(φ2-φ1)

(1)

式中，dLOS為目標的形變量；φ1、φ2分別為發(fā)射和接收的電磁波相位。

2 Fast-GBSAR系統(tǒng)關鍵技術

Fast-GBSAR是用于檢測人造或自然形成的結構體變形和振動的地面設備，測量數(shù)據(jù)分辨率和精度都很高[8]。它有兩種測量模式：①真實孔徑雷達(RAR)模式；②合成孔徑雷達(SAR)模式，如圖1所示。本文主要介紹SAR模式在大壩監(jiān)測中的應用。

2.1 調頻連續(xù)波測量原理

調頻連續(xù)波(FM-CW)的測量原理為：雷達發(fā)射一個中心頻率為fc、帶寬為B的調頻信號。信號的中心波長導出公式如下

λc=c/fc

(2)

目標的反射信號被雷達接收，并且與原始的發(fā)射信號進行混頻，進而得到插拍信號，通過對差拍信號進行頻譜分析，可分離出不同距離處目標物的回波信號。圖2為調頻連續(xù)波雷達原理。

差拍信號頻率fb與發(fā)射信號和接收信號的時延τ成正比，因此也與目標到雷達的距離r成正比。

fb=qτ=2qr/c

(3)

式中，c表示光速；q為發(fā)射帶寬與掃描間隔PRI的比值，即

q=B/PRI

(4)

最大測距Ru與信號采樣頻率fs的關系為

Ru=fsc/4q

(5)

因此，最小掃描間隔(PRImin)依賴于最大測距，即

PRImin=4BRu/fsc

(6)

根據(jù)奈奎斯特定理得到最大掃描間隔(PRImax)如下

PRImax=1/2fmin

(7)

然而fmin依賴于運作模式，在RAR模式下，fmin根據(jù)監(jiān)視的最小振動頻率直接給出。在SAR模式下，fmin由下式決定

fmin=v/w

(8)

式中，w為天線的寬度；v為沿著導軌移動的速度。天線波束內的單一目標回波所獲得的數(shù)據(jù)樣本叫做原始數(shù)據(jù)，它是散焦的。因此，需要對數(shù)據(jù)進行聚焦來獲得具有空間分辨率的圖像，即將原始數(shù)據(jù)經過逆傅里葉變換從頻率域轉換到空間域。

2.2 合成孔徑雷達干涉技術

Fast-GBSAR系統(tǒng)獲取的每個聚焦后的像元包含振幅和相位信息。振幅值取決于物質的反射率，相位值則與雷達到目標的距離有關

φ=-4πr/λ

(9)

GBSAR觀測到的相位值是纏繞的，即其范圍始終在[-π，π)之間，并且全部相位周期是未知的。因此，絕對距離r不能被確定。視線向(line of sight)的位移，即在不同時間點的兩次采集之間的距離差Δr可以通過計算兩次相位差獲得，公式如下

Δr=-λ/4πφ2-φ1

(10)

式中，Δr為視線向形變量；φ2-φ1被稱為干涉相位。

3 大壩變形監(jiān)測實例分析

3.1 試驗說明

利用Fast-GBSAR系統(tǒng)與RIEGL公司的VZ-2000型號三維激光掃描儀對某大壩進行變形監(jiān)測試驗。大壩是混凝土雙曲拱壩，壩高305 m，厚度約為18 m。試驗于2017年11月18日至19日進行，監(jiān)測時間共計2天，對大壩部分壩體及右側邊坡進行了連續(xù)監(jiān)測，論證了三維激光掃描儀和新型FMCW地基SAR在大壩變形監(jiān)測中的優(yōu)越性。圖3為監(jiān)測現(xiàn)場。

首先，對大壩周圍環(huán)境進行全景掃描(粗掃)，再對大壩進行精掃，掃描時長約10 min，可快速獲取大壩的三維模型；然后，采用Fast-GBSAR對大壩進行監(jiān)測試驗，將設備安置在大壩前方一處辦公樓女兒墻上，使用螺栓將導軌固定在女兒墻平面，雷達仰角10°，采樣間隔3 min，共獲取255景影像，見表1。

表1 雷達觀測參數(shù)

3.2 大壩監(jiān)測試驗

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

大壩壩體和部分右側邊坡是混凝土建筑，植被覆蓋較少，獲取數(shù)據(jù)信噪比高，因此本試驗成像質量非常好。為了準確分析數(shù)據(jù)的質量，本文提出了4個質量控制參數(shù)，分別為平均幅度、振幅的方差、估計的穩(wěn)定性指數(shù)、幅度色散。其中，幅度色散是相位精度的度量，它等于以弧度表示的相位標準差。通過對這4個參數(shù)的計算，得到監(jiān)測區(qū)域的平均強度圖，如圖4所示。從圖4可以看出，由于雷達波會被水體吸收，因此右側邊坡與水體之間有一明顯的分界線；結合三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，可知距雷達基站約1700 m處反射能量高的位置為大壩壩體，大壩壩體上部一人工建筑的反射能量也很高；距雷達基站600～1200 m處的右側山體邊坡的反射能量也較高，可輕松分辨出山體和溝壑，為后面的可視化分析提供了支持。

3.2.2 永久散射體點(PS)選取及結果分析

永久散射點(PS)是指在長時間序列中能夠對雷達波保持較強且穩(wěn)定散射特性的地物(如建筑物、混凝土堤壩、巖石和人造角反射器等硬目標)[9-10]。在數(shù)據(jù)處理的過程中，PS點根據(jù)振幅離差指數(shù)和相關系數(shù)[10]兩個閾值來確定。數(shù)據(jù)處理僅分析PS點處的時間序列，主要步驟為相位解纏，即確定相位模糊度。為簡化過程，在解纏過程中只選取部分PS點，即永久散射體候選點(persistent scatterer candidatesk,PSC)，PSC點以三角網格的形式建立，通過這種方法，空間低頻信號(如大氣)的影響被降低。

本試驗中，選出PS點30 629個，PSC點725個，然后選擇感興趣的點進行形變分析。大壩壩體選出3個PS點，大壩壩體上方人工建筑選出2個PS點。PS選點光學影像和PS網格示意圖如圖5所示。

PS點選取完成后，要對數(shù)據(jù)進行大氣修正。大氣修正可以使用不同的方法，一般通過氣象測量或濾波，但是氣象測量只能修正短距離(100 m以內)的大氣環(huán)境。因此，本試驗采用對數(shù)據(jù)濾波的方法。通過大氣修正，得到大壩18號PS點的時間位移圖，如圖6所示。對19號的數(shù)據(jù)進行相同的處理，得到19號PS點的時間位移圖，如圖7所示。然后對兩天同一時間段的數(shù)據(jù)進行對比分析。

大壩的形變主要分兩類：一類是由大壩的自身重力造成的垂直沉降，此類沉降主要利用精密水準測量來獲取高精度垂直沉降數(shù)據(jù)；另一類是由上游水壓造成的垂直于大壩軸線的水平形變，對這部分形變，地基SAR有很強的監(jiān)測優(yōu)勢，本文主要分析大壩的水平形變。

由圖6、圖7可以看出，橫坐標表示時間的變化，單位為d；縱坐標表示PS點的變形量，單位為mm。變形量為“+”表示靠近雷達方向，為“-”表示遠離雷達方向。大壩的最大形變量約為10 mm，總體來說，大壩壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。本試驗開始于11月18號10：26，結束于11月19號16:55；大壩所處區(qū)域是深切割高山峽谷地貌，能被太陽照射的時間僅為11:50—16:50，上午采集數(shù)據(jù)受環(huán)境影響較大，反映到圖上0.1～0.2 d時間位移變化波動性較大。

圖6中，大壩壩體上IP1、IP2、IP3點變化趨勢幾乎相同，0.1～0.15 d之間，大壩壩體靠近雷達方向向下游移動，IP1發(fā)生最大形變量為6.6 mm，IP2、IP3形變量約2 mm。從0.17 d開始，大壩壩體遠離雷達方向向上游移動，IP1、IP2、IP3的形變量基本都在-7 mm左右。由獲取的大壩庫區(qū)水文監(jiān)測資料可知大壩庫區(qū)因潮汐的作用，大壩在0.17 d(約上午12:00)之前，水體有一向下游運動的力，大壩形變方向靠近雷達視線向；0.17 d之后恰好相反，水體有一向上游運動的力，大壩形變方向遠離雷達。大壩上方人工建筑的IP4、IP5點，變化趨勢自始至終都幾乎一致。在0.17 d之前，有一個靠近雷達方向的變形，形變量從5 mm逐漸減小到-2.6 mm;0.17 d之后，是一個靠近雷達的變形，變形量從-2.6 mm逐漸增大到5.3 mm，對現(xiàn)場實地考察后，該人工建筑物屬于鋼結構，推測發(fā)生這種形變趨勢是由于光照強度的變化，受試驗條件限制，未能對其進行驗證。

圖7中，IP1、IP2、IP3的變化趨勢基本與18號數(shù)據(jù)保持一致，側面也反映了設備的可靠性。IP4、IP5變化趨勢也與18號保持一致，不同的是IP4形變遠離雷達視線向，經實地勘察，IP4出現(xiàn)與18號形變方向不一致的原因是建筑物左側有人工作業(yè)擾動。

綜合圖7和圖8，可得出大壩的形變呈現(xiàn)出一種周期性的變化規(guī)律，整體而言處于穩(wěn)定狀態(tài)。試驗證明，地基SAR可以為大壩的健康監(jiān)測提供技術保障，精度可達0.1 mm。

3.3 Fast-GBSAR數(shù)據(jù)與三維激光掃描儀數(shù)據(jù)融合

為讓監(jiān)測結果更加簡潔、明了，本試驗將三維激光掃描儀數(shù)據(jù)生成的DEM和地基SAR獲得的二維形變圖像進行融合。簡單來講，就是把二維形變圖像作為紋理附著在DEM上。在融合過程中，地理編碼是關鍵，它需要將GB-SAR圖像投影到DEM，即一個二維坐標系到三維的轉換。融合結果如圖8所示。圖8(b)中，若大壩發(fā)生變形，便會與周邊產生明顯色差，這樣變形區(qū)域將很容易被識別。

4 結 論

本文主要研究了利用Fast-GBSAR系統(tǒng)和三維激光掃描儀對大壩進行變形監(jiān)測的優(yōu)越性，試驗證明，該技術可以提供實時高精度(精度可達0.1 mm)的三維可視化監(jiān)測信息，為大壩的科學管理、健康運營提供技術支撐。不足的是，由于試驗時間短，未對大壩進行連續(xù)長時間的觀測，以發(fā)現(xiàn)更多大壩形變規(guī)律；同時，該融合技術在國內作的相關研究還相對較少，有許多問題亟需深入研究：①在此次試驗中，雖然對雷達數(shù)據(jù)進行了大氣改正[11]，但改正效果還不夠理想，未來對大氣改正模型的研究仍需深入；②在永久散射體(PS)點的選取過程中，若能提前在大壩周圍均勻安置角反射器，地基SAR數(shù)據(jù)和三維激光掃描儀獲取DEM的匹配將更加精確;③多視角地基SAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，也是一個需要深入研究的課題。

地基SAR技術正處于蓬勃發(fā)展的階段，相信這種新型的監(jiān)測方法在未來的變形監(jiān)測領域，尤其是大型建筑物、構筑物的安全監(jiān)測及預警方面，將會發(fā)揮巨大的應用潛力。