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        地基SAR在建筑基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        2019-05-27 06:51:08陳耀輝
        鐵道勘察 2019年3期
        關(guān)鍵詞:施工

        陳耀輝

        (中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300143)

        隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各種超大型建筑不斷涌現(xiàn),這就對(duì)超大型建筑的安全施工和安全運(yùn)營提出了更高的要求,對(duì)其施工過程進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要[1]。常規(guī)的形變監(jiān)測(cè)手段有全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS、三維激光掃描儀等[2],這些常規(guī)測(cè)量手段雖然適用性廣,但缺點(diǎn)也十分顯著,如野外工作強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)性高等[3];受多路徑效應(yīng)、電磁波干擾等影響,GPS定位精度不穩(wěn)定;三維激光掃描技術(shù)施測(cè)方便快捷,但測(cè)量精度較低。

        近年來,隨著SAR(Synthetic Aperture Radar)技術(shù)不斷發(fā)展,其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。龍四春[4]從地基SAR的基本原理出發(fā),介紹了該技術(shù)在形變監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景;劉學(xué)敏[5]和黃其歡[6]以實(shí)際工程為例,認(rèn)為地基SAR在水利工程變形監(jiān)測(cè)中可以獲得優(yōu)于毫米級(jí)的連續(xù)形變信息;王鵬[7]以某酒店大樓的變形監(jiān)測(cè)為例,論證了地基SAR可以獲取目標(biāo)區(qū)域的高精度形變信息。地基SAR采用新型主動(dòng)微波遙感技術(shù),可以獲得監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域微小的形變量[8-9](亞毫米級(jí)或者0.01 mm),不需要接觸目標(biāo)區(qū)域,儀器安放簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集方便[10]。以某地下停車場(chǎng)的建筑基坑工程為例,使用Fast GBSAR對(duì)該建筑基坑壁進(jìn)行持續(xù)觀測(cè),而后使用改進(jìn)后的限幅濾波法對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

        1 Fast GBSAR基本工作原理

        Fast GBSAR由意大利MetaSensing研發(fā),是一個(gè)高精度、高分辨率的地基SAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩種監(jiān)測(cè)模式,即SAR模式和RAR模式。RAR模式下,可以進(jìn)行橋梁、高塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等建筑物的靜態(tài)監(jiān)測(cè)以及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變形健康監(jiān)測(cè)。SAR模式下,設(shè)備安裝于可以滑動(dòng)的導(dǎo)軌上,可提供距離向和方位向的雷達(dá)影像,用于露天礦、大壩、滑坡等人工設(shè)施及自然邊坡的變形監(jiān)測(cè)[11-12]。

        距離向分辨力是地基SAR監(jiān)測(cè)目標(biāo)形變時(shí)一個(gè)非常重要的指標(biāo),更高的距離向分辨力可以更高效地了解監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位移情況[13-14]。Fast GBSAR采用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)來提高監(jiān)測(cè)影像的距離分辨力。步進(jìn)頻率連續(xù)波由一系列線性變化的連續(xù)信號(hào)組成,可以提高影像的分辨力,降低信號(hào)處理機(jī)瞬時(shí)帶寬要求[15]。

        圖1 步進(jìn)頻率連續(xù)波示意

        Fast GBSAR的主機(jī)設(shè)備采用16.6 ~16.9 GHz的Ku波段雷達(dá),由式(1)可知,F(xiàn)ast GBSAR的距離分辨力為0.5 m,也就是說,對(duì)于待監(jiān)測(cè)目標(biāo),在雷達(dá)觀測(cè)方向相距0.5 m以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以在雷達(dá)影像上區(qū)分。

        (1)

        式中,c為光速,τ為單個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間,B為帶寬。

        在觀測(cè)過程中,對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)連續(xù)采樣,通過計(jì)算相鄰反射波的相位差推算出監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位移量,相位差與位移變化關(guān)系如式(2)所示。通過這種干涉測(cè)量技術(shù),可以使Fast GBSAR比較容易的探測(cè)到亞毫米乃至0.01毫米的形變量。

        (2)

        2 Fast GBSAR基坑監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

        2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝及參數(shù)設(shè)置

        如圖2所示,F(xiàn)ast GBSAR監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝于被監(jiān)測(cè)基坑壁對(duì)面兩個(gè)固定的石墩上,在基坑壁上均勻安裝了5個(gè)永久反射體裝置,以便于在影像上可以快速找到監(jiān)測(cè)點(diǎn)并了解其形變信息。施測(cè)前應(yīng)調(diào)整安裝角度以及安置位置,確保永久反射體裝置在雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)。

        圖2 Fast GBSAR設(shè)備工作圖

        采集參數(shù)如表1所示。

        表1 Fast GBSAR采集參數(shù)指標(biāo)

        在監(jiān)測(cè)期間,基坑依然處于施工階段,并且有混凝土泵車不斷地向基坑內(nèi)注入混凝土。為了得到真實(shí)有效的監(jiān)測(cè)效果,觀測(cè)過程中的影響因素及時(shí)點(diǎn)都需要記錄下來,以便于在數(shù)據(jù)處理階段分析剔除。

        2.2 Fast GBSAR數(shù)據(jù)處理

        Fast GBSAR監(jiān)測(cè)設(shè)備自11月30日12:07開始觀測(cè),歷經(jīng)一個(gè)晝夜的不間斷持續(xù)觀測(cè),至第二日6:32結(jié)束,歷時(shí)18 h25 min。在此觀測(cè)期間,自采集工作開始至11月30日19:00,基坑一直處于施工狀態(tài),工人的來往以及施工器具會(huì)對(duì)觀測(cè)造成影響。自19:00至觀測(cè)結(jié)束(次日6:32),建筑基坑屬于未施工狀態(tài),在此時(shí)間段內(nèi)得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)無人為干擾。

        使用Fast GBSAR的配套軟件SePSI進(jìn)行處理分析,處理流程如圖3所示。首先將采集到的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行聚焦處理并提取觀測(cè)相位,而后對(duì)不同時(shí)刻相位的變化進(jìn)行干涉處理,分析處理后的時(shí)間相干性圖、振幅離散度圖(如圖4),選取質(zhì)量效果最好的PS點(diǎn)進(jìn)行固定點(diǎn)氣象矯正,得到5個(gè)永久反射體的位移變化(如圖5)。

        圖3 Fast GBSAR基坑監(jiān)測(cè)流程

        圖4 時(shí)間相干和振幅離散

        圖5 PS點(diǎn)位移變化

        3 改進(jìn)的限幅濾波法應(yīng)用

        3.1 傳統(tǒng)限幅濾波法

        傳統(tǒng)的限幅濾波法又叫程序判斷濾波法,如式(3)所示,通常指根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,確定兩次采樣值允許的最大偏差為A,每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷如下:如果本次采樣值與上次觀測(cè)值之差小于等于A,則保留本次值為有效值,如果本次值與上次值之差大于A,則本次值無效,用上次觀測(cè)值代替。

        (3)

        利用Matlab,將傳統(tǒng)的限幅濾波法編程實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于圖5所示的5個(gè)PS點(diǎn),濾波前后PS點(diǎn)的位移變化如圖6所示,可見限幅濾波后PS點(diǎn)的位移變化失真。限幅濾波法的優(yōu)點(diǎn)是可以克服因?yàn)榕既徽`差引起的干擾,但圖6的對(duì)比表明,限幅濾波法并不能達(dá)到理想的效果。

        圖6 PS點(diǎn)原始位移(上)和限幅濾波后的位移(下)

        分析原因可知:若X(1)…X(t)變化均勻且為常數(shù),X(t+1)-X(t)=A-(1/∞);X(t+2)-X(t+1)=A-(1/∞),若經(jīng)過兩個(gè)點(diǎn)的突變,則將出現(xiàn)圖6所示結(jié)果。究其原因,是因?yàn)橛袃蓚€(gè)未達(dá)到臨界值的突變點(diǎn),突變過后又回至正常情況。

        3.2 改進(jìn)的限幅濾波法

        限幅濾波法的應(yīng)用需要注意兩點(diǎn):一是相鄰點(diǎn)變化閾值的確定,因?yàn)殚撝颠x取的大小決定了限幅的質(zhì)量高低,體現(xiàn)了對(duì)偶然誤差剔除的能力,倘若閾值選取不當(dāng)還可能對(duì)正常數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響;二是怎樣輸出才能避免限幅后的信號(hào)失真。

        選取有人為干擾的122幅觀測(cè)影像進(jìn)行解算后,利用MATLAB的統(tǒng)計(jì)分析功能統(tǒng)計(jì)出5個(gè)PS點(diǎn)在不同采樣間隔內(nèi)的位移量,從而確定限幅濾波法的閾值。對(duì)沒有人為影響的觀測(cè)時(shí)段位移統(tǒng)計(jì)如表2所示,從表2中可以看出,當(dāng)閾值選取為0.4 mm時(shí),可以有效消除掉白天人為施工的影響。

        表2 同一點(diǎn)相鄰像元位移變化統(tǒng)計(jì)

        為了解決連續(xù)穩(wěn)定變化點(diǎn)引起的后續(xù)信號(hào)失真問題,采用了比較簡(jiǎn)便的線性插值法。具體流程如圖7所示。

        圖7 改進(jìn)后的限幅濾波法流程

        基于改進(jìn)后的限幅濾波法,對(duì)5個(gè)原始PS點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅濾波,處理前后的位移統(tǒng)計(jì)如表3所示。由表3可見,經(jīng)過改進(jìn)的限幅濾波法可以有效剔除觀測(cè)數(shù)據(jù)中相鄰像元大于0.5 mm的位移突變點(diǎn),保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

        表3 處理前后相鄰像元位移變化統(tǒng)計(jì)

        4 結(jié)論

        地基SAR技術(shù)在基坑的形變監(jiān)測(cè)中易受到施工因素的影響,無法真實(shí)有效地反映出基坑的位移情況。采用基于Matlab的統(tǒng)計(jì)分析功能以及線性插值的方法對(duì)地基SAR的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,可以有效剔除受外界因素影響導(dǎo)致的相鄰像元大于0.5 mm的數(shù)據(jù)突變點(diǎn),保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)穩(wěn)定性,更加真實(shí)地反映出基坑的形變特征。

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