地基干涉雷達(dá)IBIS-S應(yīng)用于橋梁微變形監(jiān)測(cè)的測(cè)量精度影響因素研究

李相松

摘 要：對(duì)地基干涉雷達(dá)IBIS-S的基本參數(shù)和工作原理進(jìn)行了介紹，主要研究其應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)時(shí)作業(yè)環(huán)境和檢測(cè)距離對(duì)精度的影響。研究表明：地基干涉雷達(dá)測(cè)量精度在不同的外部環(huán)境下差異較大，相對(duì)干燥環(huán)境（陸域）條件下地基干涉雷達(dá)測(cè)量精度高于濕潤(rùn)潮濕環(huán)境（水域）;地基干涉雷達(dá)的測(cè)量誤差隨著測(cè)量距離的增加而遞增，100 m檢測(cè)距離范圍內(nèi)，檢測(cè)精度可以達(dá)到優(yōu)于0.1 mm的水平。

關(guān)鍵詞：IBIS-S地基干涉雷達(dá);橋梁;檢測(cè)環(huán)境;測(cè)量距離;精度

中圖分類(lèi)號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，地基干涉雷達(dá)作為一項(xiàng)新型監(jiān)測(cè)設(shè)備，其采用微波技術(shù)進(jìn)行非接觸檢測(cè)。區(qū)別于GPS-RTK、全站儀、水準(zhǔn)儀等單點(diǎn)采樣設(shè)備，其主要采用干涉測(cè)量及步進(jìn)頻率波技術(shù)，能同時(shí)獲得精度和分辨率較高的面狀區(qū)域群點(diǎn)檢測(cè)信息，動(dòng)、靜態(tài)高精度監(jiān)測(cè)地面目標(biāo)。IBIS-S地基干涉雷達(dá)由意大利公司IDS研發(fā)，其通過(guò)非接觸式測(cè)量面狀目標(biāo)，獲取變形信息，進(jìn)而分析的得到監(jiān)測(cè)范圍空間內(nèi)的變形情況。基于非接觸面狀區(qū)域測(cè)量的快速、高效，以及測(cè)量的高精度優(yōu)勢(shì)，IBIS-S地基干涉雷達(dá)可以有效地應(yīng)用于橋梁、隧道等公路建構(gòu)筑物的微變形監(jiān)測(cè)中[1]。

測(cè)量?jī)x器應(yīng)用效能受限的一項(xiàng)關(guān)鍵因素是測(cè)量誤差及其來(lái)源。IBIS-S采用的雷達(dá)波為微波，通過(guò)理論分析，傳播的環(huán)境介質(zhì)對(duì)其傳播過(guò)程影響較大;公路領(lǐng)域的工程實(shí)踐應(yīng)用表明，隨著探測(cè)距離的變化，其檢測(cè)精度隨之變化。所以，本文通過(guò)江蘇省002省道秦淮河大橋?qū)嵉卦囼?yàn)、理論和數(shù)據(jù)后分析的形式研究了靜態(tài)模式下影響IBIS-S測(cè)量精度的檢測(cè)環(huán)境和測(cè)距兩項(xiàng)影響因素。

1 IBIS-S簡(jiǎn)介

IBIS-S地基干涉雷達(dá)集成了合成孔徑雷達(dá)、干涉測(cè)量和SF-CW步進(jìn)頻率連續(xù)波等技術(shù)。有效探測(cè)距離最大可以達(dá)到1公里，靜態(tài)模式下，擁有0.1 mm標(biāo)稱(chēng)精度，可實(shí)現(xiàn)50 cm級(jí)的距離分辨率和200 Hz級(jí)的目標(biāo)信息采樣頻率。

IBIS-S主要基于對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)前后兩次采樣獲得的變形信息電磁波相位差異，分析計(jì)算變形量，即：

式中，為兩次采樣的前后位移，為測(cè)量前后兩次的相位差，為波長(zhǎng)。

2 介質(zhì)環(huán)境對(duì)精度的影響

IBIS-S發(fā)射和接收的微波通過(guò)大氣傳播時(shí)，由于環(huán)境介質(zhì)密度變化等因素影響，容易導(dǎo)致微波發(fā)生折射。

所以在外部不同的環(huán)境下，IBIS-S測(cè)量精度有所不同。在大型橋梁的微變形監(jiān)測(cè)中，IBIS-S發(fā)射和接收的微波在水域上方濕氣較大的環(huán)境下通過(guò)時(shí)更容易產(chǎn)生折射，進(jìn)而影響測(cè)量精度。所以分別取水域臨空段和陸域（引橋遠(yuǎn)水段）地點(diǎn)對(duì)大橋固定目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量精度開(kāi)展對(duì)比分析。

試驗(yàn)方案如下：在0.02 mm級(jí)分辨率的游標(biāo)卡尺上固連角反射器，可定量同步滑動(dòng)，進(jìn)行對(duì)比分析。分別取臨水域測(cè)點(diǎn)和陸域（遠(yuǎn)水域）地點(diǎn)對(duì)大橋固定目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量距離分別為100 m和200 m。在特制支架上安置兩個(gè)角反射器，單次移動(dòng)3 mm～4 mm，連續(xù)進(jìn)行7次，最后將IBIS-S測(cè)得的變形值取平均值。結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2所示。

IBIS-S在陸地干燥環(huán)境和水域潮濕環(huán)境下的測(cè)量精度如表1所示。從表1可以看出，環(huán)境的不同對(duì)IBIS-S測(cè)量精度影響明顯。100 m測(cè)量距離時(shí)，IBIS-S陸地環(huán)境測(cè)量精度為±0.1 mm，在水域環(huán)境中為±0.13 mm的測(cè)量精度;200 m測(cè)量距離時(shí)，IBIS-S陸地環(huán)境的測(cè)量精度為±0.32 mm，在水域環(huán)境中為±0.57 mm的測(cè)量精度。試驗(yàn)結(jié)果可知，水域環(huán)境相比于陸地環(huán)境，IBIS-S的測(cè)量精度較低;距離越長(zhǎng)，水域影響越大。由于IBIS-S使用的微波經(jīng)過(guò)水域潮濕環(huán)境時(shí)，容易發(fā)生散射、反射、折射，水域環(huán)境的大氣濕度較大，對(duì)IBIS-S測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響。

3 距離對(duì)測(cè)量精度的影響

為研究IBIS-S測(cè)量精度受測(cè)量距離的影響，同樣在游標(biāo)卡尺上固連角反射器，通過(guò)定量滑動(dòng)開(kāi)展比對(duì)分析。試驗(yàn)在橋梁引橋陸域開(kāi)闊位置進(jìn)行，為減少環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響，采用穩(wěn)定點(diǎn)校正法[2-4]。設(shè)置A角反射器和B角反射器，其中A角反射器設(shè)置為穩(wěn)定點(diǎn)，固定不動(dòng);B角反射器設(shè)置為移動(dòng)目標(biāo)，固連游標(biāo)卡尺，單次移動(dòng)游標(biāo)卡尺2 mm。分別設(shè)置測(cè)量距離為50 m、90 m、120 m、215 m、315 m和375 m，其中90 m測(cè)量距離時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

由試驗(yàn)可得IBIS-S在不同測(cè)距條件下的測(cè)量精度見(jiàn)表2所示。可以從表2看出，隨著測(cè)距增加，IBIS-S測(cè)量誤差遞增，測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量遞減。在開(kāi)闊陸地條件下，小于100 m的測(cè)距下，IBIS-S可以達(dá)到±0.1 mm的測(cè)量精度;測(cè)距在100 m～200 m時(shí)，可以達(dá)到優(yōu)于±0.25 mm的測(cè)量精度水平;測(cè)距為200 m～400 m時(shí)，可以達(dá)到優(yōu)于±0.5 mm測(cè)量精度水平。

4 結(jié)語(yǔ)

IBIS-S地基干涉雷達(dá)作為新型變形測(cè)量監(jiān)測(cè)儀器，可達(dá)到±0.1 mm靜態(tài)標(biāo)稱(chēng)精度，逐步開(kāi)始應(yīng)用于大型橋梁及其他構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)中。但其使用的微波易受測(cè)量環(huán)境的影響，不同測(cè)量環(huán)境下測(cè)量精度差異明顯;并且測(cè)距的變化對(duì)測(cè)量精度的也有影響。本文對(duì)影響IBIS-S測(cè)量精度的兩個(gè)因素（環(huán)境和測(cè)距）進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，相比于陸地環(huán)境，在水域環(huán)境下IBIS-S測(cè)量精度明顯低;隨著測(cè)距增加，IBIS-S測(cè)量誤差遞增，100 m測(cè)距范圍內(nèi)測(cè)量精度優(yōu)于±0.1 mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐亞明，王鵬，周校，等.地基干涉雷達(dá)IBIS-S橋梁動(dòng)態(tài)形變監(jiān)測(cè)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2013，38（07）：845-849.

[2]刁建鵬.微波干涉測(cè)量在高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29（11）：177-179+261.

[3]徐亞明.地基雷達(dá)干涉測(cè)量的環(huán)境改正方法研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2013，33（03）：41-43+51.

[4]華遠(yuǎn)峰，李連友，胡伍生，等.地面雷達(dá)靜態(tài)微變形測(cè)量環(huán)境影響改正方法研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，43（S2）：428-432.