地基雷達系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測中的應用分析

潘林

【摘 要】在變形觀測過程中，水利工程變形監(jiān)測問題屬于熱點問題，文章從測量原理和測量工具等方面入手，探討和分析地基雷達系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測中的應用，獲得壩體表面特征點視線向時間-位移關系，并且通過實驗說明地基雷達系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測中具有廣泛的應用前景。

【關鍵詞】地基雷達系統(tǒng)IBIS-L;大壩變形監(jiān)測;應用分析

【中圖分類號】TV698.11;TN959【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2019）03-0151-02

隨著我國水利工程的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一批重點水利項目。在項目建設期間，為了深度掌握水利工程的穩(wěn)定性，需要對工程變形情況進行預測。現(xiàn)階段，在觀測工程變形時所應用的方法主要有地面測量、空間測量及攝影測量。由于上述變形觀測方法均存在不足與缺陷，無法滿足工程變形檢測要求，因此必須開發(fā)研究新型變形監(jiān)測方法。

1 地基雷達系統(tǒng)IBIS-L分析

地基雷達系統(tǒng)在獲取監(jiān)測區(qū)域觀測圖像時，主要利用微波探測成像方式實現(xiàn)，通過合成孔徑技術和步進頻率，能夠全面提升方位與距離的分辨率，能夠解決星載合成孔徑雷達影像不足的問題，避免其受到時空失相問題的影響，利用干涉技術能夠提升變形監(jiān)測精度。通過雷達技術能夠對被測物表面的微小變形情況進行精確測定。IBIS-L可以應用到遠距離監(jiān)測目標的位移監(jiān)測中，通過微波干涉技術實現(xiàn)變形監(jiān)測。IBIS-L的遙測距離長達4 km，測量精度小于0.1 mm。相比全站儀和GPS測量技術，IBIS-L能夠全面覆蓋整個監(jiān)測環(huán)境，并且能對監(jiān)測區(qū)域的變形規(guī)律和原理進行分析，降低事故發(fā)生率。地基雷達系統(tǒng)IBIS-L主要結合干涉測量技術，合成孔徑雷達技術和連續(xù)波技術，利用合成孔徑能夠獲得監(jiān)測區(qū)域二維影像，并且利用干涉技術獲得相位變化情況。

（1）步進頻率連續(xù)波技術：該項技術主要是以不同頻率在一段時間內(nèi)所發(fā)出的電磁波實現(xiàn)變形監(jiān)測，利用步進頻率連續(xù)波技術能夠確保電磁波的遠程傳輸，還可以給予雷電較高距離分辨率。

（2）合成孔徑技術：從本質(zhì)上看，此項技術應當歸入多普勒分析技術中，利用運動的雷達在同一距離單元中不同的方位向散射體之間小的多普勒頻移的差別來提高方位維的分辨率。簡言之，合成孔徑技術就是通過小天線運動來等效長天線運動，因此稱之為合成孔徑。

（3）大氣擾動影響因素分析：①頻譜質(zhì)心不相同所導致的去相干;②基線去相干;③時間去相干，包括重訪周期內(nèi)受到大氣條件和溫度所導致的去相干。由于星載In合成孔徑雷達技術和地基In合成孔徑雷達技術在獲取地表形變上所應用的技術不存在基線，因此可以忽略星載In合成孔徑雷達技術和地基In合成孔徑雷達技術的去相干，大氣條件所導致的時間去相干已經(jīng)成為地基In合成孔徑雷達技術加強變形觀測精度的主要因素。

2 大壩變形監(jiān)測實驗分析

2.1實驗背景

此次監(jiān)測區(qū)域屬于地區(qū)水庫大壩，大壩基礎為寒武系灰?guī)r，兩岸壩肩上部為灰?guī)r和頁巖互層。大壩總庫容量為33億m3，裝機容量為120.1萬kW。該大壩是雙曲重力拱壩，壩頂長642.4 m，壩高149 m，壩頂高程為204 m。

實驗觀測時間為2017年11月13日至14日，觀測時間總計為24 h，共獲取256幅合成孔徑雷達影像，數(shù)據(jù)采樣的時間間隔為5 min。地基雷達系統(tǒng)IBIS-L設備裝置的最大遙測距離為4 km，實驗最大觀測距離在1 266 m左右，設備安置點地質(zhì)結構比較穩(wěn)定。觀測點設置在壩體正前方，且設備與大壩間無視線阻礙物，可以對整個壩體和坡岸進行觀測。

2.2 分析和處理實驗數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)監(jiān)測之前，分析了地基雷達系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)測獲得的各項數(shù)據(jù)。圖1為觀測區(qū)域的雷達反射功率圖，從圖1中的數(shù)據(jù)能夠看出，監(jiān)測系統(tǒng)可以獲取大壩雷達反射信息，還可以從圖1中分辨出江岸、基巖和廠房框架。從信號特征分析圖能夠得出，大壩壩體表現(xiàn)信噪比大于15 dB，壩體表面相干系數(shù)大于0.7，相位穩(wěn)定性大于3。按照上述分析發(fā)現(xiàn)，地基雷達系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)可以獲取大壩壩體表面的雷達反射信息，設備數(shù)據(jù)采集的可靠性比較高。

此次實驗選擇在大壩左側基巖處GCP1作為地面控制點，選擇該點的原因主要是在觀測時間內(nèi)無明顯變化情況。在壩體上選擇若干個特征點，主要設置在壩體上部、中部和下部。

從圖2能夠看出，在開始觀測時間點到17：38，只有部分點壩體穩(wěn)定性比較高，其余均出現(xiàn)形變量。17：38之后到18：05，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，靠近雷達方向的壩體出現(xiàn)線性形變問題，在19：12，壩體慢慢恢復到初始狀態(tài)。等到19：58，壩體靠近雷達方向出現(xiàn)線性形變問題，在次日晨間，壩體靠近雷達方向出現(xiàn)線性形變問題，之后逐漸趨于穩(wěn)定。至午間之后，由于受到外力作用，壩體產(chǎn)生線性形變問題，在半小時后逐漸恢復到初始化狀態(tài)。相比于初始化壩體來說，此時壩體出現(xiàn)的形變位移比較小。

為了對比分析地基雷達地基雷達系統(tǒng)IBIS-L所獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在監(jiān)測期間需要對大壩進行垂線監(jiān)測，垂線監(jiān)測方法主要是假設壩底底點為穩(wěn)定點，地基雷達系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)所獲取的位移值為視線向數(shù)據(jù)。因此，需要將視線向轉化為相對徑向，之后對壩體和壩底間位移差量進行計算，再對兩種觀測結果進行比較分析。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，視線向與相對徑向方法所獲得結果的誤差在2 mm以內(nèi)，這主要是由于大氣擾動影響所致。比較分析結果可以看出，通過地基雷達系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)測大壩變形具有較高的實用性和可靠性，可以有效監(jiān)測大壩等水利工程的變形問題。

3 結語

綜上所述，地基合成孔徑雷達技術主要是通過干涉測量技術獲取細微變形的有效措施，因此被廣泛應用到邊坡工程、橋梁工程和大壩工程變形監(jiān)測中。相比傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法，地基雷達系統(tǒng)IBIS-L監(jiān)測方法具備二維成像、高精度及全天候監(jiān)測等優(yōu)勢，因此可以被廣泛應用到壩體變形監(jiān)測中。此次研究主要是對水庫大壩進行監(jiān)測實驗，獲得壩體表面特征點視線向時間-位移關系。通過變形監(jiān)測結果能夠看出，地基雷達系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測中具有廣泛的應用前景。

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[責任編輯：陳澤琦]