微变形监测雷达_IBIS系统_

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1、微 变 形 监 测 雷 达 ( 系 统 )IBIS王 俊 宇 *( 长 春 市 测 绘 院 ，吉 林 长 春 130021)摘 要 :随 着 社 会 的 发 展 ，人 们 对 大 型 、 高 层 建 筑 物 的 振 动 、 变 形 的 监 测 要 求 越 来 越 高 。 而 与 此 同 时 ，由 于 建 筑 物 体 积和 高 度 的 不 断 变 大 ，传 统 的 测 量 手 段 已 经 不 能 很 好 地 满 足 变 形 监 测 的 要 求 。 近 年 来 ，微 波 干 涉 测 量 技 术 以 其 特 有 的 “ 非 接 触 性 ” 与 “ 实 时 性 ” 等 优 势 ，逐 步 成 为 人 们

2、 对 大 型 、 高 层 建 筑 物 进 行 非 接 触 式 变 形 监 测 的 手 段 之 一 。 地 面 干 涉 雷 达 系 统 微 变 形 监 测 系 统 ( IBIS) ，采 用 步 进 频 率 连 续 波 、 合 成 孔 径 雷 达 和 干 涉 测 量 技 术 ，能 对 地 面 目 标 作 动 态 或 静 态 监 测 。关 键 词 :步 进 频 率 连 续 波 ; 干 涉 测 量 ; 合 成 孔 径 雷 达 ; 变 形 监 测出 灾 害 预 报 ，极 大 减 少 或 避 免 灾 害 对 人 民 生 命 财 产 造成 的 损 失 。 IBIS L 的 测 程 为 0. 2 km 4 k

3、m，监 测 精 度 为 0. 1 mm，最 小 采 样 间 隔 为 5 min。微 变 形 监 测 系 统 系 统 的 发 展 简 介在 过 去 的 十 几 年 中 ，国 外 学 者 开 发 出 许 多 地 面 的 传1感 器 来 实 现 GBInSAR ( Ground Based InterferometricSAR) ，并 作 了 相 关 的 研 究 。 1999 年 D Tarchi 等 利 用 LI-SA( Linear Synthe tic Aperture Radar) 对 威 胁 奥 地 利 的 Schwaz 镇 的 滑 坡 体 进 行 了 变 形 监 测 研 究 ; G Lu

4、zi 等 对 Belvedere 冰 川 的 移 动 进 行 了 研 究 ; G Antonello 等 利 用 星 载 SAR 和 地 面 SAR 研 究 了 Stromboli 火 山 的 变 形 。IBIS( Image By Interferometric Survey) 系 统 是 由 意 大 利 IDS 公 司 和 佛 罗 伦 萨 大 学 经 过 6 年 合 作 研 发 的 结 果 ，它 能 够 对 目 标 物 提 供 连 续 、 全 面 的 监 测 1。 它 将 步 进 频 率 连 续 波 技 术 ( Stepped Frequency Continuous Wave) 和 干

5、涉 测 量 技 术 相 结 合 ，能 够广泛应用于建筑 物 、 桥 梁 、 高 塔 、 坝 体 、 公 路 和 铁 路 边 坡 等 微 小 位 移 变 化 的 监 测 。 IBIS 系 统 分 为 两 种型 号 ，IBIS S( Image By Interferometric Survey of Structures) 与 IBIS L ( Image By Interferometric Survey of Landslides and slopes) ，其 各 自 功 能 特 点 如 下 :IBIS S 主 要 用 于 对 桥 梁 、 建 筑 物 、 高 塔 等 易 发 生 微 小 变

6、化 的 物 体 进 行 精 确 的 监 测 ，得 到 被 测 物 每 部 分 的 位 移 变 化 量 ，分 析 建 筑 物 或 桥 梁 上 每 一 个 点 的 变 形 、 振 动 情 况 。 此 外 ，通 过 该 设 备 能 够 及 其 便 捷 地 对 桥 梁 或 建 筑 物 进 行 健 康 普 查 和 评 估 。 IBIS S 的 测 程 为0. 01 km 2 km，精 度 为 ( 0. 1 0. 01 ) mm，最 大 采 样 频 率 200 MHz。IBIS L 可 对 大 坝 ，边 坡 ，建 筑 物 等 易 发 生 微 小 位 移 变 化 的 物 体 进 行 精 确 的 监 测 ，得

7、 到 被 测 物 每 部 分 的 位 移 变 化 量 ，分 析 水 库 变 形 机 理 和 变 形 特 征 ，评 价 地 质 灾 害 。 此 外 ，通 过 该 设 备 能 够 及 时 对 各 种 危 险 区 域 做IBIS 系 统 的 三 个 关 键 技 术步 进 频 率 连 续 波 (SF CW)技 术IBIS 系 统 的 主 体 设 备 是 一 台 KU 波 段 ( 16. 6 GHz22. 1 16. 9 GHz) 的 步 进 频 率 连 续 波 雷 达 。 雷 达 的 距 离 分辨 率 r 与 单 个 雷 达 脉 冲 的 持 续 时 间 有 以 下 关 系 :c ( 1) r = 2式

8、 中 ，c 为 光 速 。 雷 达 单 个 脉 冲 持 续 时 间 与 带宽 B 的 乘 积 为 1，故 式 ( 1) 可 以 写 成 : r = c ( 2)2B由 上 述 两 个 式 子 可 以 看 出 ，要 增 加 雷 达 的 距 离 分辨 率 ，我 们 可 以 减 少 或 者 增 大 带 宽 B。 减 小 ，会 造 成 脉 冲 波 的 频 率 增 加 ，作 用 距 离 变 短 。 为 了 保 持 一 定 的 距 离 分 辨 率 和 一 定 的 作 用 距 离 ，IBIS 的 雷 达 采 用 了 SF CW 技 术 ，即 在 一 个 周 期 内 发 射 步 进 频 率 为 f 的 一 组

9、 N 个 电 磁 波 ( 如 图 1 所 示 ) ，采 用 这 样 的 发 射 方 式 后 ，IBIS 的 雷 达 的 有 效 带 宽 Beff 为 :Beff = ( N 1) f ( 3)由 于 IBIS 的 雷 达 是 处 于 16. 6 GHz 16. 9 GHz 的Ku 波 段 ，故 其 带 宽 B 为 0. 3 GHz，代 入 式 ( 2 ) ，可 以 得 出 ，IBIS 雷 达 的 距 离 分 辨 率 为 0. 5 m，且 该 雷 达 的 距 离 分 辨 率 与 作 用 距 离 无 关 。 图 2 为 IBIS 雷 达 距 离 分 辨 率 示 意 图 。 分 析 图 2 可 见

10、，根 据 回 波 强 度 ，我 们 可 以 很收 稿 日 期 : 2011 06 07作 者 简 介 : 王 俊 宇 ( 1964 ) ，女 ，工 程 师 ，主 要 从 事 工 程 测 量 工 作 。*城 市 勘 测 2011 年 12 月102好 地 分 辨 出 目 标 点 ，很 好 地 得 到 目 标 点 在 电 磁 波 传 播方 向 上 的 位 移 变 化 。 同 时 发 现 ，当 两 个 目 标 点 处 于 距离 IBIS 雷 达 的 统 一 区 间 的 时 候 ，此 时 ，将 无 法 准 确 地得 到 目 标 点 的 信 息 。图 1 SF CW 雷 达 波 示 意 图图 3 IBI

11、S L 空 间 分 辨 率 示 意 图图 2 距 离 分 辨 率 剖 面 图2. 3 干 涉 测 量 技 术干 涉 测 量 技 术 是 一 项 用 途 十 分 广 泛 的 测 量 技 术 ， 其 通 过 比 较 在 不 同 时 刻 的 反 射 回 来 的 电 磁 波 的 相 位 变 化 来 获 取 物 体 位 移 的 变 化 。 IBIS 系 统 中 ，雷 达 通 过 干2. 2 合 成 孔 径 雷 达 (SAR)技 术合 成 孔 径 雷 达 技 术 是 利 用 雷 达 与 目 标 的 相 对 运 动 把 尺 寸 较 小 的 真 实 天 线 孔 径 用 数 据 处 理 的 方 法 合 成 一

12、个 较 大 的 等 效 天 线 孔 径 的 雷 达 2。 合 成 孔 径 雷 达 的 特 点 是 分 辨 率 高 ，能 全 天 候 工 作 ，能 有 效 地 识 别 伪 装 和 穿 透 掩 盖 物 3。 合 成 孔 径 雷 达 技 术 主 要 用 于 IBIS L 上 ， 该 技 术 主 要 是 为 了 提 高 IBIS 系 统 的 角 度 分 辨 率 ，可 以 在 保 持 现 有 雷 达 天 线 不 变 动 的 情 况 下 ，使 雷 达 的 角 度 分 辨 率 大 大 的 提 高 。 IBIS L 型 号 仪 器 有 一 条 长 为 2 m 的 线 形 扫 描 器 轨 道 ，故 雷 达 天

13、线 可 以 在 电 脑 的 控 制 下 ， 直 线 沿 着 轨 道 运 动 ，使 雷 达 从 不 同 的 角 度 发 射 电 磁 波 ， 从 而 提 高 雷 达 的 角 度 分 辨 率 。 IBIS L 的 角 度 分 辨 率 可 以 达 到 4. 5 mrad。 角 度 分 辨 率 对 应 着 的 空 间 的 横 向 分 辨 率 = 角 度 分 辨 率 距 离 。 于 是 ，在 雷 达 具 有 距 离 向 分 辨 率 和 角 度 向 分 辨 率 之 后 ，能 够 将 这 个 监 测 区 域 分 割 成 很 多 单 元 ，采 集 每 一 个 单 元 的 位 移 信 息 ，再 将 所 有 信 息

14、 结 合 起 来 。 距 离 向 以 0. 5 m 为 一 单 元 进 行 分 割 ， 角 度 向 以 4. 5 mard为 一 个 单 元 进 行 分 割 。 雷 达 最 大 的 监 测 区 域 可 达 7 km2 ，最 大 分 割 单 元 数 量 可 达 200 000 个 。 IBIS L 系 统 的 空 间 分 辨 率 示 意 图 如 图 3 所 示 。涉 测 量 获 取 目 标 体 在 电 磁 波 传 播 方 向 的 位 移 变 化 d 。r ( 4)dr = 4 式 中 ， 为 波 长 ， 为 相 位 差 。3 IBIS 系 统 的 可 靠 性 与 精 度由 于 IBIS 系 统

15、标 称 能 达 到 亚 毫 米 的 精 度 ，在 该 系统 正 式 用 于 工 程 项 目 变 形 监 测 之 前 ，为 了 保 证 IBIS 系统 测 量 的 可 靠 性 与 精 度 ，国 外 学 者 已 作 了 大 量 的 对 比 试 验 ，以 下 简 要 列 举 几 个 有 代 表 性 的 试 验 。3. 1 弹 簧 振 动 试 验 4该 试 验 由 Bernardini 于 2007 年 进 行 的 。 试 验 的 主 要 设 施 有 两 部 分 ，第 一 部 分 为 一 个 加 装 了 主 动 反 射 装 置 ( 角 反 射 器 ) 的 弹 簧 ，如 图 4 所 示 ，第 二 部 分

16、 为 一 台 IBIS S 仪 器 。 IBIS S 雷 达 发 射 天 线 距 离 主 动 反 射 装 置 的 距 离 为 7 m，如 图 5 所 示 。 将 IBIS S 仪 器 的 最 大 测 量 距 离 设 置 为 50 m，采 样 频 率 设 置 为 50 Hz。 仪 器 相 关 参 数 设第 6 期 王 俊 宇 . 微 变 形 监 测 雷 达 ( IBIS 系 统 ) 103置 完 毕 后 ，振 动 弹 簧 ，开 始 测 量 。 图 6 显 示 的 是 该 试 验的 距 离 剖 面 图 ，从 图 中 ，我 们 可 以 看 到 在 距 离 为 7 m处 ， 反 射 波 的 强 度 最 大 ，很 好