一種新型地基合成孔徑雷達監測精度研究

張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316000）

一種新型地基合成孔徑雷達監測精度研究

張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316000）

目前航道上的大橋及水壩等人工建筑的變形監測往往采用接觸式傳感器，這種方法難以捕捉三維變形等信息。本文提出基于地基合成孔徑雷達的建筑變形監測方法，并在成都理工大學進行了目標變形精確度測試。測試結果表明在SAR模式下，目標的變形測量可以達到0.1mm精度。

地基合成孔徑雷達；GB-SAR；變形監測

1 建筑變形監測的意義

當前航道上的人工建筑例如水壩、橋梁等都面臨著沉降、變形等因素的困擾。如果長期疏于維護則可能因建筑變形而導致各種事故發生，因而建筑物的變形監測顯得十分重要。目前，建筑變形監測常用的手段是采用位移計、千分表、線性差動變壓器等傳感器進行監測，它們統稱為接觸式傳感器。這些傳感器需要被放置在建筑變形感興趣的點以獲取該位置的變形、位移、加速度等信息。接觸式傳感器有兩個固有缺點：①僅能獲取感興趣點的一維信息，對于建筑變形監測中的三維信息難以捕捉；②接觸式傳感器僅能記錄下傳感器所在點的信息，對于大面積多點信息的監測則只能安置更多的傳感器予以彌補。為了克服這些缺點，非接觸式的建筑監測方法成為國內外研究的熱點，目前主流的方式是全站儀、GPS等技術。全站儀可以監測局部工程變形，實現無人值守全天候自動監測，缺點是測量距離有限。GPS是應用最廣泛的監測技術之一，絕對精度能達到厘米甚至毫米級，但是缺點是在高密度地區，GPS衛星信號被遮擋影響監測精度。

地基合成孔徑雷達（GB-SAR），是一種非接觸式，全天候工作的新式變形監測儀。它利用合成孔徑雷達原理對目標進行持續大范圍監測，可以在極短的時間內獲取目標圖像并跟蹤強散射點，通過對散射點的位移和震動獲取整個目標的整體位移變形情況，并達到0.1mm的監測精度，這大大超越了GPS，全站儀等目前常用技術的監測精度。

2 地基合成孔徑雷達系統參數

2.1 工作原理

GB-SAR對目標持續發射并接收電磁波信號，利用發射和接收信號的相位差計算目標在發射接收時刻產生的位移量，獲取目標的變形信息。假設目標沿視線方向的變形量為dLOS，發射和接收時信號的相位為φ1，φ2，則目標沿雷達視線方向的變形量可以由dLOS=(λ/π)(φ2-φ1)計算得出。

荷蘭Metasensing公司成功研制了基于FMCW信號處理技術的GB-SAR。該型號GB-SAR對回波信號進行去調頻信號處理技術并獲取信號的相位差用于計算目標的位移，這種信號處理技術避免了直接在高頻區進行信號處理，因而大大簡化了雷達結構，減輕了雷達重量。GB-SAR可以工作在合成孔徑模式(SAR)和真實孔徑模式(RAR)兩種模式，在SAR模式下，GB-SAR被放置在導軌之上并進行往返運動，每5秒完成一次掃描并在2秒內返回起點開始下一次掃描，因此每7秒即可獲取一副目標的二維圖像。在SAR模式下，獲取的圖像分辨率為0.75m和4.5m/rad，目標的變形監測精度為0.1mm。而在RAR模式下，GBSAR被固定于三腳架上并對目標持續發射接收電磁波。在該模式下無法獲取目標的二維圖像，只能獲取目標沿視線方向的變形量，目標的變形監測精度為0.01mm。該雷達的其他系統參數如下：中心工作頻率17.2 GHz；帶寬300 MHz；最大探測距離4 km。

2.2 技術難點與解決方案

目前主要的技術問題是時間和空間去相關性引起的SAR復圖像失配。如果GB-SAR進行長時間觀測，被觀測目標的性質和周圍環境發生了改變將會引起時間去相關。工作在Ku波段的GB-SAR雷達，前后觀測時間即使只相差一小時，時間去相關的作用對于測量精度的影響就不能予以忽略。對于短時間的測量，例如，通車期間橋梁的變形情況，空間去相關性基本可以消除，但如果進行長期觀測，例如建筑物的沉降過程，時間去相關性的影響會較為明顯。在長期監測過程中，為了對目標體進行觀測，雷達除了架設在地面上之外，還有可能架設在汽車，建筑物等物體上，這些物體的移動會導致雷達架設的位置發生改變，結果會產生空間去相關性。時間、空間去相關性將會導致前后得到的復圖像相關性降低甚至無法使用。

對于該問題具體技術解決方案如下：①采用相干系數法對兩幅圖像之間的相干系數進行初步評估。首先隨機選取圖像中的某一點并以此為中心選取一個窗口，并對應在輔圖像進行滑動，逐像素搜索，找到相干性系數最大的點，即為控制點。②由于圖像中可能存在噪聲，高相干性系數點可能存在虛假匹配點。對于這種情況，采用相位差平均波動函數對高相干性系數點進行評估。通過對兩幅圖像的相位差進行評估并尋找最優配準參數。如果出現因為噪聲而產生的虛假匹配點，那么該匹配點周圍像素的相位差會較大，因此產生較大的相位波動。通過尋找波動函數的最小值，可以達到主輔圖像目標點精確配準的目的。③計算兩幅圖像頻域互功率譜的IFFT以及功率峰值所處的具體位置來確定平移關系，接著在頻域圖像引入極坐標來計算圖像的旋轉角度。④利用立方卷積法對圖像進行插值計算，選取亞像素點的配準位置建立數學變換模型，對輔圖像進行重采樣，獲取亞像素級的配準圖像。

3 實測結果

圖2 第一組實驗獲取的(a)能量圖和(b)角反射器位移圖；第二組實驗獲取的(c)能量圖和(d)角反射器位移圖

為了驗證GB-SAR的可靠性與實驗精度，我們在成都理工大學的羽毛球館內（圖1）對GB-SAR進行可靠性精度實驗。成都理工大學、中科院山地所、西南交大、四川省第二測繪院等單位參與實驗。在本次實驗中，GB-SAR工作在SAR模式下，在GB-SAR前方放置角反射器并配備千分尺，我們周期性定量擰動百分尺，使連接于百分尺前部的角反射器一起運動，使用FastGBSAR對角反射器運動情況進行實時觀測，并準確計算出其運動量。我們共進行兩組實驗，在第一組實驗中周期性移動角反射器0.1mm，即目標每次的變形量為0.1mm。圖2(a)表示了第一組實驗獲取的二維能量圖，圖中可以清晰地看見角反射器與其他的干擾物圖像，從中選取角反射器的反射點，并繪制出圖2(b)的位移點，可以看出GB-SAR探測得到的數據與角反射器的移動軌跡相吻合，即每15秒移動角反射器0.1mm，移動了6次共0.6mm。在第二組實驗中每20秒移動角反射器0.5mm，移動了14次共7mm。由圖2(b)可以看出，GB-SAR對目標物極微小的回波信號非常敏感，所以應盡量避免觀測時雷達天線被長時間的遮擋，而短暫的遮擋不會影響FastGBSAR對監測區內整體精度的評定。從這兩組實驗可以得出GB-SAR的測量精度達到0.1mm。

4 結論

本文公布了首臺基于FMCW技術GB-SAR的工作原理與可靠性實驗。FastGBSAR采用調頻連續波技術，可應對變化較快的變形檢測，單次數據獲取僅需五秒，很大程度的減少了外界因素(如降雨、溫度、氣壓等)的干擾，數據成果表明在SAR模式下監測精度達到0.1mm，這說明了GB-SAR在監測領域的可靠性。此外，為了后期數據分析更加便捷，我們可根據目標現場情況選擇性地布設角反射器，這樣做有利于對目標區域指定點快速提取并確定其空間位置。

圖1 GB-SAR可靠性驗證實驗

[1]A.Meta,E.Imbembo,C.Trampuz,A.Coccia,G.De Luca,"A selection of MetaSensing airborne campaigns at L-,X-and Kuband",Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS),2012 IEEE International,Munich,pp.4571,4574,22-27 July 2012.

U675.74

A

1006—7973（2017）12-0038-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.015

本文為基金項目：浙江海洋大學科研啟動經費資助，No.21045012815