陳露璐，李 陶，劉 艷，劉經(jīng)南

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074)

我國擁有目前世界上最長的超特高壓輸電線路，但是隨著極端天氣災(zāi)害事件的頻繁發(fā)生，廣域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到了較大影響，其中冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的輸電線路覆冰對廣域電網(wǎng)的危害最大。覆冰可分為5類：雨凇、霧凇、雪凇、混合凇和白霜，其中雨凇因其密度大、附著力強(qiáng)、閃絡(luò)概率高而危害最大[1-2]。

隨著SAR衛(wèi)星影像分辨率的提高，建筑物、金字塔、大壩、高速公路、輸電鐵塔和導(dǎo)線[3-9]等大型人工構(gòu)筑物都能在SAR影像中以結(jié)構(gòu)形式清晰地呈現(xiàn)，其特征提取和形變監(jiān)測等方面的研究隨之展開[10-11]。文獻(xiàn)[12]利用高分辨率TerraSAR Spotlight(TSX-SL)影像首次開展了鐵塔構(gòu)件覆冰試驗(yàn)，提取了試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件大于30 dB的散射區(qū)域，結(jié)果表明覆冰鐵塔構(gòu)件的散射面積及強(qiáng)度均值未發(fā)生顯著變化。文獻(xiàn)[13]在TerraSAR StripMode(TSX-SM)影像中研究天津市郊區(qū)地面沉降時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔，利用其PS結(jié)果分析了鐵塔的位置和高度。文獻(xiàn)[14]綜述了利用遙感技術(shù)監(jiān)測輸電線路的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為SAR監(jiān)測鐵塔是較為前沿的課題。文獻(xiàn)[7]利用仿真SAR數(shù)據(jù)測量鐵塔頂部傾斜時(shí)，對幅度影像中的目標(biāo)鐵塔進(jìn)行了模擬。

本文收集了武漢特高壓試驗(yàn)基地的TSX-SL影像，利用高精度激光掃描儀獲取了特高壓鐵塔的三維點(diǎn)云。研究了鐵塔的雷達(dá)散射機(jī)制、幾何投影畸變和干涉特性，并分析了覆冰厚度對鐵塔構(gòu)件雷達(dá)散射信號強(qiáng)度的影響。

1 雷達(dá)影像中鐵塔及構(gòu)件成像幾何與散射機(jī)制

特高壓輸電鐵塔及試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件雷達(dá)散射幾何示意圖如圖1所示。圖1(a)中鐵塔的主體高96 m，最長橫擔(dān)約40 m。在圖1(b)、1(c)中，給鐵塔的3層橫擔(dān)分別編號為L、M、N，底座部分編號為G。鐵塔的真實(shí)高度信息在SAR影像中可用以下公式計(jì)算

h=p·r/cosη

(1)

式中，h為鐵塔高度；p為SAR影像中距離向的像元個(gè)數(shù)；r為距離向一個(gè)像元對應(yīng)的水平距離；η為雷達(dá)本地入射角。

輸電鐵塔的雷達(dá)散射信號既來源于鐵塔自身角鋼之間的散射，也要顧及背景的散射情況。如圖1(a)的現(xiàn)場照片所示，鐵塔橫擔(dān)散射強(qiáng)度高主要是由于其角鋼的二面角反射截面較大所致，底座部分的散射主要貢獻(xiàn)來源于塔底的土壤或水泥墩的反射信號。

2008年底，為測試鐵塔在雷達(dá)影像中的散射特性是否因覆冰發(fā)生變化，某研究院試制了3個(gè)直徑1 m、長5 m的試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件(其角鋼規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm)，如圖1(d)所示?？紤]到高壓和超高壓輸電鐵塔底部的角鋼構(gòu)件尺寸可達(dá)15～20 cm，在其側(cè)面等間距增加了7塊20 cm×100 cm的鋁板，使試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件盡量接近于真實(shí)的特高壓輸電鐵塔主體結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件在該雷達(dá)視角的照射下，其雷達(dá)后向散射信號主要來自鋁板與停車場地面形成的二面角反射，如圖1(d)所示。

2 試驗(yàn)區(qū)概況與SAR數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

國家電網(wǎng)公司武漢特高壓交流試驗(yàn)基地位于湖北省武漢市。為滿足特高壓試驗(yàn)研究的需求，主要建設(shè)內(nèi)容包括：特高壓試驗(yàn)電源，1 km單回、1 km同塔雙回特高壓試驗(yàn)線段，環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室等，包括1000 kV輸電鐵塔8基。

圖2為特高壓試驗(yàn)基地位置及SAR強(qiáng)度示意圖。在圖2(a)中，大矩形框?yàn)門SX-SL影像覆蓋區(qū)域，箭頭為雷達(dá)衛(wèi)星飛行方向，大矩形框中的小矩形框?yàn)樘馗邏涸囼?yàn)基地。圖2(b)中三角形為人工三角反射器，選擇在試驗(yàn)基地的草地區(qū)域布設(shè)3個(gè)邊長80 cm的角反射器，并制作了水泥墩作為基礎(chǔ)以保證其穩(wěn)定性，如圖2(e)所示。圖2(c)為特高壓輸電鐵塔(3層塔)的SAR影像，該塔的背景為草坪和水泥道路，受到的背景噪聲干擾較少。圖2(d)為3個(gè)試驗(yàn)覆冰鐵塔構(gòu)件及2個(gè)角反射器的SAR影像強(qiáng)度顯示，由于目標(biāo)較小，在雷達(dá)強(qiáng)度影像中成像較為模糊。

2.2 SAR影像采集

本文收集了以特高壓試驗(yàn)基地為中心拍攝的4幅TSX-SL高分辨率SAR影像(范圍如圖2(a)所示)，影像的距離向分辨率為0.45 m，方位向分辨率為0.85 m，詳細(xì)成像參數(shù)見表1。生成6幅干涉圖序列，相關(guān)干涉參數(shù)見表2。

表1 TSX-SL影像參數(shù)

3 鐵塔構(gòu)件人工覆冰試驗(yàn)

武漢特高壓試驗(yàn)基地的環(huán)境氣候試驗(yàn)室針對特高壓設(shè)備在不同環(huán)境條件下的性能及抗擊自然災(zāi)害的能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，可以模擬高海拔低氣壓氣象條件、低溫結(jié)冰條件和人工污穢試驗(yàn)條件等。將尺寸為1 m×5 m的試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件(i，ii，iii)放置在環(huán)境氣候?qū)嶒?yàn)室的罐體中，利用保障系統(tǒng)的噴淋裝置模擬真實(shí)環(huán)境中鐵塔橫擔(dān)覆冰進(jìn)行人工淋雨，在其表面形成雨凇。對兩個(gè)鐵塔構(gòu)件進(jìn)行不同程度的覆冰：其中一個(gè)構(gòu)件表面最大覆冰厚度為10 cm，另一個(gè)為5 cm。2008年12月23日凌晨用吊車將覆冰的鐵塔構(gòu)件擺放至停車場的空地上，為確保鐵塔構(gòu)件的角鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大效應(yīng)的二面角反射，將3個(gè)構(gòu)件均擺放至與雷達(dá)衛(wèi)星飛行方向一致，相互間隔15 m以上，如圖3(a)所示。

圖3(b)中相比未覆冰的對照構(gòu)件i，鐵塔構(gòu)件ii的散射強(qiáng)度最大值衰減不顯著，降低約2 dB；而構(gòu)件iii散射強(qiáng)度最大值顯著衰減，降低約8 dB。結(jié)合圖3(a)中實(shí)際覆冰情況可知，鐵塔構(gòu)件表面覆冰2～5 cm而其側(cè)面的鋁板表面并未有太多覆冰，因此其二面角反射結(jié)構(gòu)并未受到較大改變，從而散射強(qiáng)度依舊保持不變。當(dāng)鐵塔構(gòu)件覆冰10 cm時(shí)，側(cè)面鋁板的覆冰明顯增厚，使得其二面角反射條件發(fā)生改變，導(dǎo)致散射強(qiáng)度顯著降低。由相關(guān)文獻(xiàn)可知，雨凇等可形成光滑且較厚覆冰表面，會顯著破壞鐵塔角鋼構(gòu)件形成的二面角反射條件，因此根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果可以推論：特高壓鐵塔發(fā)生雨凇等較大覆冰時(shí)，其散射強(qiáng)度將顯著降低，可以通過前期未覆冰的對照影像進(jìn)行檢測和分析。

4 特高壓輸電鐵塔目標(biāo)雷達(dá)散射與干涉特征研究

4.1 特高壓鐵塔雷達(dá)成像幾何投影

本文選取試驗(yàn)區(qū)一東西走向、背景為草坪的特高壓3層塔進(jìn)行分析，在TSX-SL影像中，輸電鐵塔橫擔(dān)部分由于塔材結(jié)構(gòu)較為密集而使其等效散射截面較大，易于從背景中加以區(qū)分。塔身主干部分的散射以及塔底基礎(chǔ)部分的散射容易與背景混淆，其干涉相位的穩(wěn)定性較差。

特高壓3層塔的幾何投影如圖4所示。圖4(a)為特高壓鐵塔的高精度三維掃描點(diǎn)云。圖4(b)中的空中框架為基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的鐵塔外框架在Google-Earth上的三維展示，地面上的框架為SAR影像中的鐵塔框架仿真投影。從圖4(c)中可以看出地面上的鐵塔仿真框架與真實(shí)SAR影像中鐵塔的散射情況完全吻合。特高壓鐵塔構(gòu)件結(jié)構(gòu)較小，如果像法國埃菲爾鐵塔一樣產(chǎn)生較強(qiáng)的多次散射[3]，其多次散射信號應(yīng)該超出仿真投影框。本文由此推斷，所研究的輸電鐵塔橫擔(dān)部分的散射信號主要來源于其結(jié)構(gòu)本身的角反射效應(yīng)。

4.2 特高壓鐵塔散射強(qiáng)度與干涉相位特性

特高壓3層塔的干涉特性如圖5所示。圖5(a)展示了4幅TSX-SL影像中特高壓3層塔的強(qiáng)度圖序列；圖5(b)為減去散射強(qiáng)度均值的對應(yīng)散射強(qiáng)度殘差圖序列。由圖5(a)、(b)可知，特高壓鐵塔的橫擔(dān)和主干部位散射強(qiáng)度較大且在時(shí)間上保持穩(wěn)定，強(qiáng)度變化約為3 dB。該塔SAR影像中散射強(qiáng)度最大值67 dB均位于橫擔(dān)M處，由LiDAR量測結(jié)果可知橫擔(dān)M尺寸更大。鐵塔底座部位的散射強(qiáng)度存在較大變化，可能受到該區(qū)域機(jī)械設(shè)備進(jìn)出的影響。各期影像中鐵塔的強(qiáng)度殘差值大部分在3 dB間波動，可知鐵塔本體的散射強(qiáng)度較穩(wěn)定。

圖5(c)所有干涉圖中特高壓塔的干涉條紋都較為清晰，從而可以看出相干性高的像元其相位也較平滑一致，鐵塔的橫擔(dān)部分相位基本一致，但各橫擔(dān)上下兩端均存在一定的相位差。從SAR干涉圖中測量特高壓鐵塔橫擔(dān)的高差信息，可采用以下公式

h=α·h2π/2π

(2)

式中，h為鐵塔高差；α為鐵塔橫擔(dān)與參考點(diǎn)之間的相位差；h2π為高程模糊度。由表2可知，干涉圖④⑤⑥的高程模糊度約為7 m，鐵塔橫擔(dān)之間的距離約20 m，其間存在相位纏繞，因此不適合提取鐵塔的高差信息。干涉圖①的高程模糊度約為300 m，但其相位梯度變化與真實(shí)鐵塔高度存在較大差距，這表明當(dāng)高程模糊度太大時(shí)干涉相位精度對鐵塔高度信息提取的影響較大。干涉圖②③的高程模糊度接近鐵塔高度，以下根據(jù)這兩幅干涉圖開展相位差推算鐵塔高差信息的對比分析。

4.3 SAR影像中特高壓鐵塔高度反演分析

由式(1)可知，基于鐵塔的散射強(qiáng)度可判斷鐵塔的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而計(jì)算和反演鐵塔結(jié)構(gòu)之間的高差和鐵塔高度。但由圖5(a)可知，本文研究的鐵塔底部背景噪聲過大，干擾了鐵塔高度的提取[15]。而該鐵塔3個(gè)橫擔(dān)間的距離容易被量測，其高差反演結(jié)果與LiDAR實(shí)測結(jié)果非常接近,見表3。

表3 SAR影像中鐵塔結(jié)構(gòu)間的高差反演結(jié)果 m

注：表中“—”表示無法反演該參數(shù)。

前已述及，干涉圖高程模糊度太長或太短都難以精確計(jì)算鐵塔結(jié)構(gòu)間高差。根據(jù)式(2)可計(jì)算出兩個(gè)干涉圖中鐵塔橫擔(dān)間距，其結(jié)果與真實(shí)距離接近，但存在1～4 m的誤差。其中干涉圖②中有角反射器，將其作為相位基準(zhǔn)反演得到鐵塔高度為87 m，與LiDAR結(jié)果存在約10 m的誤差。這表明輸電鐵塔的鏤空結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其相位存在較大的噪聲，使得通過相位反演鐵塔高度存在較大誤差。

5 結(jié) 語

本文收集了武漢特高壓試驗(yàn)基地1 m分辨率的聚束模式TerraSAR影像，選取其中一東西走向的特高壓3層塔，利用高精度LiDAR掃描其幾何結(jié)構(gòu)，并開展了鐵塔干涉特性的分析。研究發(fā)現(xiàn)鐵塔散射機(jī)制主要是自身角鋼結(jié)構(gòu)形成的二面角反射和三面角反射等，通過多期強(qiáng)度圖的對比分析可知鐵塔本體的強(qiáng)散射像元點(diǎn)散射特性穩(wěn)定。本文利用雷達(dá)幾何投影關(guān)系和干涉測量方法反演出鐵塔各結(jié)構(gòu)間的高差信息，與高精度LiDAR掃描結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)雷達(dá)干涉測量高差反演誤差較大，這是由于鏤空結(jié)構(gòu)的鐵塔構(gòu)件相位噪聲較大。通過對3個(gè)不同覆冰厚度的試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件研究發(fā)現(xiàn)，覆冰厚度約10 cm的試驗(yàn)鐵塔構(gòu)件雷達(dá)散射強(qiáng)度衰減約為8 dB，這表明在雨凇等較強(qiáng)覆冰條件下，雷達(dá)散射信號強(qiáng)度的衰減信息可用于量化評估鐵塔的覆冰情況。

致謝：感謝德國地學(xué)研究中心的夏耶博士、國網(wǎng)電科院的胡毅高工給予本文的支持。