新型FMCW地基合成孔径雷达在大桥变形监测中的应用

郭 鹏，张昊宇，陈 力,周克勤,王春来

(1. 北京建筑大学，北京 100044； 2. 浙江海洋大学，浙江 舟山 306022； 3. 北京富斯德科技有限公司，北京 100078； 4. 武警黄金第七支队，山东 烟台 264004)



新型FMCW地基合成孔径雷达在大桥变形监测中的应用

郭 鹏1，张昊宇2，陈 力3,周克勤1,王春来4

(1. 北京建筑大学，北京 100044； 2. 浙江海洋大学，浙江 舟山 306022； 3. 北京富斯德科技有限公司，北京 100078； 4. 武警黄金第七支队，山东 烟台 264004)

地基合成孔径雷达(GB-SAR)是一种新型的建筑变形监测技术,相较于传统的监测手段,该方法拥有高精度,覆盖面大等优点。基于FMCW技术的Fast-GBSAR系统采用调频连续波技术，相较于国内已有的基于步进连续波技术的类似系统，该系统处理速度提高30倍，并拥有更高的可靠性。Fast-GBSAR在国内已对多座大桥进行了公开测试，监测结果表明Fast-GBSAR测量精度能达到0.01 mm，在变形监测领域极具潜力。

地基合成孔径雷达；调频连续波；桥梁变形监测

地基合成孔径雷达(GB-SAR)技术是近几年新兴的变形监测技术[1]。该技术将传统的星载、机载SAR技术移植到地面，利用SAR雷达成像技术，在距离向和方位向实现了高分辨率，能够对矿山边坡、大坝、桥梁、建筑的微动变形和结构变化进行全天候大面积监测。相较于传统的固定式传感器和GPS，该技术具有连续工作，覆盖面大，精度高,无损等优点。

目前，国内使用的地基合成孔径雷达系统多采用步进连续波技术(SFCW)，此类系统对目标如建筑、边坡等发射并接收电磁波，每5 min采集一次数据，通过对接收信号的相位进行分析用于监测目标的形变情况[2]。2013年，荷兰Metasensing公司成功研制一款新型地基合成孔径雷达，即快速地基合成孔径雷达(Fast-GBSAR),该设备采用全新的调频连续波技术(FMCW)设计理念，将数据采集速度提高到10 s/次。相较于采用步进连续波技术(SFCW)系统，Fast-GBSAR大大减轻了因环境快速变化而产生的大气效应误差，并提高了前后两组数据的衔接性。此外，得益于极高的数据采集速度，观测结果几乎可以做到对目标的实时监测。该设备在近两年内对国内多座大桥进行了多项监测，取得了大量的监测数据。本文选取对某跨海大桥的监测案例，对测试过程、监测数据和试验结果进行了分析。

1 地基合成孔径雷达原理及Fast-GBSAR系统介绍

1.1 GB-SAR目标变形监测原理

地基合成孔径雷达(GB-SAR)采用电磁波主动探测成像方式[3]，利用差分干涉技术，通过对目标体发射和接收微波信号并计算它们之间的相位差来监测目标体的变形和微动情况。GB-SAR先后两次发射并接收电磁波信号，在此期间，目标视线方向(LOS)形变量记作dLOS，两次接收信号的相位记分别作φ1、φ2，则雷达视线方向(LOS)的形变量可表示为

dLOS=(λ/π)(φ2-φ1)

(1)

1.2 Fast-GBSAR系统介绍

Metasensing公司研制的Fast-GBSAR采用FMCW技术。与传统的雷达相比，FMCW SAR采用全新的信号处理方式，对回波信号进行去调频处理，将回波的射频信号转换为中频信号并进行后期处理。这一方式大大简化了雷达射频结构，同时FMCW发射功率低，避免了使用高功率器件，使雷达整体成本和重量降低，并提高了数据获取和处理速度。此外，传统雷达的距离向分辨率随信号带宽的增大而提高，因而需要更高的采样率，这加重了仪器采样速率的需求。而FMCW对差频带宽进行处理，这一处理方式在确保信号大带宽、高分辨率的同时，极大地降低了对信号采样率的要求。

Fast-GBSAR可以在两种模式下工作：SAR模式(合成孔径模式)和RAR模式(真实孔径模式)。SAR模式下，Fast-GBSAR安置在2 m长的轨道上并沿着导轨循环往复运动，每10 s间隔Fast-GBSAR可以完成一次往返运动并采集一组数据和获取二维图像。该二维图像的距离向分辨率和角度分辨率分别为0.75 m和4.5 m/rad，目标形变量测量精度为0.1 mm，如图1(a)所示。工作在RAR模式时，将Fast-GBSAR放置在三脚架上，持续发射并接收信号，此时Fast-GBSAR位置不变，因此回波信号只具有距离分辨率，如图1(b)所示。工作在RAR模式时，形变测量精度能达到0.01 mm。

图1

2 大桥形变监测案例

2015年下半年，为了对某跨海大桥进行安全监测，结合常规周期性检测，对大桥采取了短时间临时性封闭，并进行承载能力荷载试验。该大桥分为东西航道，将监测设备Fast-GBSAR设置于西航道桥下，对该航道承重负载进行监测。观测点位布设如图2所示，图2中的阴影部分为雷达发射波的覆盖范围。当载重卡车从桥上通过时，能够监测荷载变化引起的桥梁变形情况，尤其是桥梁垂直向的形变量。

图2 观测位置

2.1 数据预处理

监测期间，雷达持续对桥面发射并接收FMCW波。发射信号的基本参数如下：频率为Ku波段,17.2 GHz;带宽为-199.9 MHz；PRF为375.1 Hz；距离向分辨率为0.75 m。由于信号是持续发射并接收，为避免单个信号存储文件过大，信号每724 s被切割一次。所有采集的数据存储在雷达内嵌的FPGA中，雷达的动作由连接在雷达上的笔记本电脑进行控制。

图3为其中一组接收数据，该数据纵坐标为接收信号强度，横坐标为视线方向(LOS)距离。由于雷达附近的干扰物会对回波信号产生强干扰，首先利用汉明窗对回波信号采用滤波处理，滤除近距离强散射信号。

图3 回波能量

图4为滤波后的回波能量图，在近距离处的反射杂波强度明显被减弱，而远距离处的桥梁散射信号被保留。

随后对雷达与大桥的相对位置和信号信噪比进行了计算。其中图5(a)显示了雷达的位置，黑线为桥梁，圆圈为雷达位置，灰线为雷达波束覆盖面。图5(b)为雷达接收信号的信噪比，纵坐标是雷达信噪比大小，横坐标依然是视线方向(LOS)距离。

图4 滤波后的回波能量

图5

2.2 永久散射点(PS)选取

永久散射点(PS)是指监测目标上具有较高稳定性和强反射特性的点，PS会对雷达波进行强反射。而通过监测桥梁上PS点的形变量可以对桥梁在通行卡车重力作用下的变形情况进行准确监测。图6(a)显示了回波信号经过预处理后的信噪比，其中横坐标为视线方向(LOS)距离，纵坐标为信噪比(SNR)。通过选取SNR曲线中的峰值点可以得到PS点的位置和SNR大小，其中PS点均用黑色×予以标注。随后，这些PS点在极化图中进行了绘制。如图6(b)所示，极化图中不同的点代表了不同的PS点，其中，每个点所在位置的半径代表了SNR大小，而角度代表了PS点的相位。能够看出，一些PS点含有较大的噪声，通过删除较大的噪声点能够选取低噪声的PS点做下一步处理，如图6(c)所示。

通过对低噪声PS点的选取，可以对每个PS点的形变情况进行分析，并进而得出桥梁在载重卡车通过时的形变量，用于分析桥梁健康状况。其中，雷达视线方向(LOS)形变量dLOS的计算公式为

dLOS=λ·Δφ/π

(2)

式中，λ代表发射信号波长；Δφ代表发射与接收信号相位差。由于采用Ku波段发射信号，因此dLOS的精度可以达到0.01 mm。

图6

通过式(2)计算得出每个PS点的形变量(displacement)随时间变化的特性曲线，并在垂直方向进行投影计算出大桥垂直方向的形变量，如图7(a)所示，其中横坐标为时间，纵坐标为PS点的形变量。可以看出，大桥西段在卡车通过时的形变量范围在±0.5 mm之间，而且Fast-GBSAR的形变监测精度也达到亚毫米级(0.01 mm)。

对PS点形变曲线进行频域分析可以得到该跨海大桥的本征频率、阻尼系数等桥梁信息。如图7(b)所示，对图7(a)做FFT之后得出频域的形变曲线，在2.15 Hz处形变量取得最大值，可以得出大桥的本征频率为2.15 Hz。此外，阻尼系数也可以计算得出，如图7(c)所示，其中阻尼系数ζ=0.108 74%。

图7

通过以上分析可知，该跨海大桥西侧在通过载重卡车时的荷载形变范围为±0.5 mm，小于安全形变量阈值，桥体形变状况满足安全要求。

3 结 语

本文介绍了利用Fast-GBSAR对某跨海大桥进行形变监测的情况。通过对雷达回波信号数据的分析处理，得出了大桥西段在载重汽车通行下的形变量范围为±0.5 mm,雷达测量精度达到亚毫米级(0.01 mm)。采用模态分析计算得出大桥本征频率为2.15 Hz。监测成果表明了采用Fast-GBSAR对桥梁变形安全监测的有效性、可靠性和精确性。

地基合成孔径雷达技术目前正处于蓬勃发展的阶段，虽然在应用中还存在着一些不完善，但通过更多的实践和改进，将会在桥梁安全监测和结构安全评估领域发挥更加重要的作用。

[1] 徐亚明,王鹏,周校,等. 地基干涉雷达IBIS-S桥梁动态形变监测研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2013,38(7):845-849.

[2] 秦晓琼,杨梦诗,王寒梅,等. 高分辨率PS-InSAR在轨道交通形变特征探测中的应用[J]. 测绘学报, 2016, 45(6): 713-721.

[3] 徐进军,廖骅,韩达光,等. 大跨度桥梁桥面线形测量新方法[J]. 测绘通报, 2016(1): 91-94.

[4] 王庆,张涛,邱志伟,等. InSAR 技术在南京河西新城地面沉降监测中的应用[J]. 城市勘测,2014(2):96-98.

[5] 龙四春,陈鹏琦,袁英,等.GB-InSAR技术及其形变监测[J]. 测绘通报, 2015(9): 1-5.

[6] 靳国旺,张红敏,徐青,等. 多波段InSAR差分滤波相位解缠方法[J]. 测绘学报, 2012, 41(3): 0-416.

[7] BERNARD I G,RICC I P,COPPI F.A Ground Based Microwave Interferometer with Imaging Capabilities for Remote Measurements of Displacements[C]∥Proceedings of the 7th Geomatic Week.Barcelona,Spain:[s.n.],2007.

[8] META A,TRAMPUZ C.MetaSensing Compact, High Resolution Interferometric SAR Sensor for Commercial and Scientific Applications[C]∥2010 8th European RADAR Conference on Synthetic Aperture Radar. Paris， France:VDE,2011.

[9] IMBEMBO E,META A,TRAMPUZ C,et al. An Overview of MetaSensing SAR Interferometric Capabilities at L, C, X and Ku Band[C]∥Fringe 2011 Workshop. Frascati, Italy:[s.n.],2011.

[10] RODELSPERGER S,COCCIA A,VICENTE D,et al. Introduction to the New Metasensing Ground-based SAR: Technical Description and Data Analysis[C]∥2012 IEEE International Conference on Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS).[S.l.]: IEEE，2012.

A Novel FMCW GB-SAR Based Bridge Deformation Measurement Campaign

GUO Peng1,ZHANG Haoyu2,CHEN Li3,ZHOU Keqin1,WANG Chunlai4

(1. Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. Zhejiang Ocean University, Zhoushan 306022, China; 3. Beijing FSD Technology Co. Ltd., Beijing 100078, China; 4. Armed Police Gold of The Seventh Detachment, Yantai 264004, China)

Ground-based synthetic aperture radar (GB-SAR) is a new type of building deformation monitoring technologies. Compared with the traditional monitoring methods, this method features high precision and large area. Fast-GBSAR is designed based on the frequency modulated continuous wave (FMCW) technology. Compared with the similar system based on the stepping continuous wave technology in China, the processing speed of the system is increased by 30 times and the reliability is higher. Fast-GBSAR has carried on the public test to many bridges in the country, the monitoring result indicated that Fast-GBSAR measurement precision can achieve 0.01 mm. Fast-GBSAR has the great potential in the deformation monitoring domain.

ground-based synthetic aperture radar; frequency modulated continuous wave; bridge deformation monitoring

郭鹏，张昊宇，陈力,等.新型FMCW地基合成孔径雷达在大桥变形监测中的应用[J].测绘通报，2017(6)：94-97.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0198.

2016-10-10

国家自然科学基金(41501494)；浙江海洋大学科研启动经费(21045012815)

郭 鹏(1993—)，男，硕士，主要研究方向为地基SAR技术及其应用。E-mail:2531232650@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)06-0094-04