一種新型地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度研究

張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學(xué)，浙江 舟山 316000）

一種新型地基合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度研究

張昊宇，張洪銘

（浙江海洋大學(xué)，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(jiān)測(cè)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(dá)的建筑變形監(jiān)測(cè)方法，并在成都理工大學(xué)進(jìn)行了目標(biāo)變形精確度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明在SAR模式下，目標(biāo)的變形測(cè)量可以達(dá)到0.1mm精度。

地基合成孔徑雷達(dá)；GB-SAR；變形監(jiān)測(cè)

1 建筑變形監(jiān)測(cè)的意義

當(dāng)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(zhǎng)期疏于維護(hù)則可能因建筑變形而導(dǎo)致各種事故發(fā)生，因而建筑物的變形監(jiān)測(cè)顯得十分重要。目前，建筑變形監(jiān)測(cè)常用的手段是采用位移計(jì)、千分表、線性差動(dòng)變壓器等傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，它們統(tǒng)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(diǎn)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(gè)固有缺點(diǎn)：①僅能獲取感興趣點(diǎn)的一維信息，對(duì)于建筑變形監(jiān)測(cè)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(diǎn)的信息，對(duì)于大面積多點(diǎn)信息的監(jiān)測(cè)則只能安置更多的傳感器予以彌補(bǔ)。為了克服這些缺點(diǎn)，非接觸式的建筑監(jiān)測(cè)方法成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，目前主流的方式是全站儀、GPS等技術(shù)。全站儀可以監(jiān)測(cè)局部工程變形，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是測(cè)量距離有限。GPS是應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一，絕對(duì)精度能達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)，但是缺點(diǎn)是在高密度地區(qū)，GPS衛(wèi)星信號(hào)被遮擋影響監(jiān)測(cè)精度。

地基合成孔徑雷達(dá)（GB-SAR），是一種非接觸式，全天候工作的新式變形監(jiān)測(cè)儀。它利用合成孔徑雷達(dá)原理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)大范圍監(jiān)測(cè)，可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲取目標(biāo)圖像并跟蹤強(qiáng)散射點(diǎn)，通過對(duì)散射點(diǎn)的位移和震動(dòng)獲取整個(gè)目標(biāo)的整體位移變形情況，并達(dá)到0.1mm的監(jiān)測(cè)精度，這大大超越了GPS，全站儀等目前常用技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度。

2 地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

2.1 工作原理

GB-SAR對(duì)目標(biāo)持續(xù)發(fā)射并接收電磁波信號(hào)，利用發(fā)射和接收信號(hào)的相位差計(jì)算目標(biāo)在發(fā)射接收時(shí)刻產(chǎn)生的位移量，獲取目標(biāo)的變形信息。假設(shè)目標(biāo)沿視線方向的變形量為dLOS，發(fā)射和接收時(shí)信號(hào)的相位為φ1，φ2，則目標(biāo)沿雷達(dá)視線方向的變形量可以由dLOS=(λ/π)(φ2-φ1)計(jì)算得出。

荷蘭Metasensing公司成功研制了基于FMCW信號(hào)處理技術(shù)的GB-SAR。該型號(hào)GB-SAR對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行去調(diào)頻信號(hào)處理技術(shù)并獲取信號(hào)的相位差用于計(jì)算目標(biāo)的位移，這種信號(hào)處理技術(shù)避免了直接在高頻區(qū)進(jìn)行信號(hào)處理，因而大大簡(jiǎn)化了雷達(dá)結(jié)構(gòu)，減輕了雷達(dá)重量。GB-SAR可以工作在合成孔徑模式(SAR)和真實(shí)孔徑模式(RAR)兩種模式，在SAR模式下，GB-SAR被放置在導(dǎo)軌之上并進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，每5秒完成一次掃描并在2秒內(nèi)返回起點(diǎn)開始下一次掃描，因此每7秒即可獲取一副目標(biāo)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(biāo)的變形監(jiān)測(cè)精度為0.1mm。而在RAR模式下，GBSAR被固定于三腳架上并對(duì)目標(biāo)持續(xù)發(fā)射接收電磁波。在該模式下無(wú)法獲取目標(biāo)的二維圖像，只能獲取目標(biāo)沿視線方向的變形量，目標(biāo)的變形監(jiān)測(cè)精度為0.01mm。該雷達(dá)的其他系統(tǒng)參數(shù)如下：中心工作頻率17.2 GHz；帶寬300 MHz；最大探測(cè)距離4 km。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

目前主要的技術(shù)問題是時(shí)間和空間去相關(guān)性引起的SAR復(fù)圖像失配。如果GB-SAR進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，被觀測(cè)目標(biāo)的性質(zhì)和周圍環(huán)境發(fā)生了改變將會(huì)引起時(shí)間去相關(guān)。工作在Ku波段的GB-SAR雷達(dá)，前后觀測(cè)時(shí)間即使只相差一小時(shí)，時(shí)間去相關(guān)的作用對(duì)于測(cè)量精度的影響就不能予以忽略。對(duì)于短時(shí)間的測(cè)量，例如，通車期間橋梁的變形情況，空間去相關(guān)性基本可以消除，但如果進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，例如建筑物的沉降過程，時(shí)間去相關(guān)性的影響會(huì)較為明顯。在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，為了對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行觀測(cè)，雷達(dá)除了架設(shè)在地面上之外，還有可能架設(shè)在汽車，建筑物等物體上，這些物體的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)架設(shè)的位置發(fā)生改變，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生空間去相關(guān)性。時(shí)間、空間去相關(guān)性將會(huì)導(dǎo)致前后得到的復(fù)圖像相關(guān)性降低甚至無(wú)法使用。

對(duì)于該問題具體技術(shù)解決方案如下：①采用相干系數(shù)法對(duì)兩幅圖像之間的相干系數(shù)進(jìn)行初步評(píng)估。首先隨機(jī)選取圖像中的某一點(diǎn)并以此為中心選取一個(gè)窗口，并對(duì)應(yīng)在輔圖像進(jìn)行滑動(dòng)，逐像素搜索，找到相干性系數(shù)最大的點(diǎn)，即為控制點(diǎn)。②由于圖像中可能存在噪聲，高相干性系數(shù)點(diǎn)可能存在虛假匹配點(diǎn)。對(duì)于這種情況，采用相位差平均波動(dòng)函數(shù)對(duì)高相干性系數(shù)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)兩幅圖像的相位差進(jìn)行評(píng)估并尋找最優(yōu)配準(zhǔn)參數(shù)。如果出現(xiàn)因?yàn)樵肼暥a(chǎn)生的虛假匹配點(diǎn)，那么該匹配點(diǎn)周圍像素的相位差會(huì)較大，因此產(chǎn)生較大的相位波動(dòng)。通過尋找波動(dòng)函數(shù)的最小值，可以達(dá)到主輔圖像目標(biāo)點(diǎn)精確配準(zhǔn)的目的。③計(jì)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(lái)確定平移關(guān)系，接著在頻域圖像引入極坐標(biāo)來(lái)計(jì)算圖像的旋轉(zhuǎn)角度。④利用立方卷積法對(duì)圖像進(jìn)行插值計(jì)算，選取亞像素點(diǎn)的配準(zhǔn)位置建立數(shù)學(xué)變換模型，對(duì)輔圖像進(jìn)行重采樣，獲取亞像素級(jí)的配準(zhǔn)圖像。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

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

為了驗(yàn)證GB-SAR的可靠性與實(shí)驗(yàn)精度，我們?cè)诔啥祭砉ご髮W(xué)的羽毛球館內(nèi)（圖1）對(duì)GB-SAR進(jìn)行可靠性精度實(shí)驗(yàn)。成都理工大學(xué)、中科院山地所、西南交大、四川省第二測(cè)繪院等單位參與實(shí)驗(yàn)。在本次實(shí)驗(yàn)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(dòng)百分尺，使連接于百分尺前部的角反射器一起運(yùn)動(dòng)，使用FastGBSAR對(duì)角反射器運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，并準(zhǔn)確計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)量。我們共進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，在第一組實(shí)驗(yàn)中周期性移動(dòng)角反射器0.1mm，即目標(biāo)每次的變形量為0.1mm。圖2(a)表示了第一組實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，并繪制出圖2(b)的位移點(diǎn)，可以看出GB-SAR探測(cè)得到的數(shù)據(jù)與角反射器的移動(dòng)軌跡相吻合，即每15秒移動(dòng)角反射器0.1mm，移動(dòng)了6次共0.6mm。在第二組實(shí)驗(yàn)中每20秒移動(dòng)角反射器0.5mm，移動(dòng)了14次共7mm。由圖2(b)可以看出，GB-SAR對(duì)目標(biāo)物極微小的回波信號(hào)非常敏感，所以應(yīng)盡量避免觀測(cè)時(shí)雷達(dá)天線被長(zhǎng)時(shí)間的遮擋，而短暫的遮擋不會(huì)影響FastGBSAR對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)整體精度的評(píng)定。從這兩組實(shí)驗(yàn)可以得出GB-SAR的測(cè)量精度達(dá)到0.1mm。

4 結(jié)論

本文公布了首臺(tái)基于FMCW技術(shù)GB-SAR的工作原理與可靠性實(shí)驗(yàn)。FastGBSAR采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，可應(yīng)對(duì)變化較快的變形檢測(cè)，單次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)成果表明在SAR模式下監(jiān)測(cè)精度達(dá)到0.1mm，這說明了GB-SAR在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可靠性。此外，為了后期數(shù)據(jù)分析更加便捷，我們可根據(jù)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇性地布設(shè)角反射器，這樣做有利于對(duì)目標(biāo)區(qū)域指定點(diǎn)快速提取并確定其空間位置。

圖1 GB-SAR可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

[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(xiàng)目：浙江海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助，No.21045012815