基于新型FMCW地基合成孔径雷达的大坝变形监测

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(1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 306022；2.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院， 北京 100044；3.武汉理工大学 交通学院, 武汉 430063)

基于新型FMCW地基合成孔径雷达的大坝变形监测

张昊宇1，周克勤2,宋亚腾3，李莉莉1

(1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山 306022；2.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院， 北京 100044；3.武汉理工大学 交通学院, 武汉 430063)

2017,34(12):33-37，43

大坝变形监测是确保大坝安全的重要一环。基于地基合成孔径雷达 (GB-SAR)的大坝变形监测相较于传统的方法拥有精度高、覆盖面大等优点。相较于国内通常使用的数据采集速度为5 min/组的意大利IBIS变形监测设备，采用新型的基于调频连续波(FMCW)技术的Fast-GBSAR设备对陆水大坝进行监测，取得了7 s/组的数据采集速度，对大坝在放水前后的变形进行分析，并与三维数字高程模型进行数据融合。结果表明基于7 s/组的高速数据采集能力，Fast-GBSAR几乎可以做到对大坝变形的实时分析，在变形监测领域极具潜力。

地基合成孔径雷达；调频连续波；大坝变形监测;精度分析；三维数字高程模型

1 研究背景

大坝是水利工程的核心，它的稳定性关系到河流沿岸人民财产的安全，因此，对于大坝的监测具有非常重要的意义。大坝的安全监测主要集中于坝体整体的变形情况。传统的变形观测法如三维激光仪法、空间测量法只能获取有限信息，难以实现对大坝整体变形趋势进行分析，且工作量巨大[1]。地基合成孔径雷达(GB-SAR)技术利用差分干涉原理，能够实现对大坝高精度，无接触的监测，是一种极具潜力的监测方式。该技术较为新颖，目前国内使用的GB-SAR是意大利IDS公司生产的IBIS系统，该系统基于步进连续波(SFCW)技术，每5 min可以采集一组数据，能够对大坝桥梁进行监测[2]。2013年，荷兰Metasensing公司基于调频连续波技术(FMCW)成功研制一款新型GB-SAR[3-4]，即快速地基合成孔径雷达(Fast-GBSAR)。这是世界首款基于FMCW技术的GB-SAR，得益于这种新的技术理念，数据采集速度大大加快，提高到7 s/组。与IBIS相比[5-6]，数据采集速度提高了40多倍，这大大增强了对快速变形物体的监测能力。

基于这种新技术7 s/组的数据采集速度，本文对陆水大坝开闸放水时的大坝整体变形情况进行了分析。这是Fast-GBSAR在国内的首次大坝监测，本文对测试过程，实验结果和数据进行了分析。

2 Fast-GBSAR系统原理

地基合成孔径雷达(GB-SAR)将机载、星载SAR技术移植到地面。GB-SAR利用差分干涉原理，对目标持续发射和接收电磁波，并对它们之间的相位差进行分析，利用式(1)计算得出发射接收信号期间目标的变形量。

dLOS=(λ/π)(φ2-φ1) 。

(1)

式中：dLOS为目标的变形量；φ1，φ2分别为发射和接收的电磁波相位。

荷兰Metasensing公司研发了新型Fast-GBSAR基于调频连续波(FMCW)技术。该技术将回波信号直接与发射信号进行混频并得到中频回波信号。转化为中频信号的回波无论对硬件处理速度和存储速度的要求都大大降低。此外，得益于系统对中频信号的处理，相较于对射频信号的采样，中频信号的采样率需求大大降低。这一方面降低了处理器的运算速度要求，另一方面，在采样率不变的前提下，距离向的分辨率大大提高。且FMCW技术对发射功率的要求极低，因而FMCW雷达可以做得非常轻巧，方便在野外携带工作。

Fast-GBSAR具有SAR(合成孔径模式)和RAR(真实孔径模式)2种工作模式。在SAR模式下，如图1(a) 所示，雷达被安置在2 m长的导轨之上，并沿着导轨滑动。每5 s雷达完成一次滑动，从起始端到达末端，完成一组数据采集并生成一幅二维图像，然后用2 s时间从末端回到起始端并开始下一组数据采集。生成的二维图像分辨率为0.75 m和4.5 m/rad，如图1 (b)。对目标变形观测精度可以达到亚毫米级(0.1 mm)[3-4]。而IBIS系统采用步进连续波技术(SFCW)，每5 min完成一组数据采集，相较之下，采用FMCW技术的Fast-GBSAR数据采集速度快了30倍。这在监测快速变形物体具有极大的优势。

图1 Fast-GBSAR 的现场配置图以及 SAR模式的分辨率示意图

在RAR模式下，雷达被安置在三脚架上并对目标持续发射并接收电磁波，因而在这种模式下只具有距离向上的分辨率。RAR模式下能够对小范围的目标进行监测，更加适合于桥梁建筑物等目标监测。在RAR模式下已经成功对武汉铁路二桥和厦门海沧大桥进行了变形监测，取得了0.01 mm的变形精度监测。

3 陆水大坝变形监测

该试验观测目标为陆水大坝。陆水大坝位于湖北省赤壁市陆水河，大坝为混凝土重力坝，电站装机4台，总装机容量35.2 MW,水库总容量7.06亿m3。

监测内容是水坝放水前后以及放水时坝体的整体位移和变形情况。Fast-GBSAR架设于大坝对岸，距离大坝370 m，大坝厚度约为40 m。图2(a)为现场图，可以看见大坝位于雷达正前方，雷达前方有一片灌木岛，右前方有一条围栏道路。

在试验开始前，首先利用SAR模式获取一副二维能量图(如图2(b))用以选取永久散射点(PS)。PS是指目标体(大坝)上具有极强稳定性的强反射点，该点反射系数高，能对雷达波进行强反射。通过选取PS点可以在试验中持续跟踪PS点的位移情况以估计目标(大坝)变形情况。图2(b)中生成的二维图像分辨率为0.75 m和4.5 m/rad。通过图2(b)中的高幅值点可以看见大坝和围栏道路具有强反射特性，因为大坝和围栏是混凝土结构且无植被覆盖，具有稳定反射性。而岛礁上拥有很多灌木，因而也对雷达波具有反射性，其他区域对雷达信号的反射性极低。

图2 水坝监测现场以及获取的反射能量图

3.1 试验分析

实验开始于2014年5月26日03:12:54，结束于2014年5月27日06:57:22，持续时间1.29 d(以下数据分析均基于“d”为时间单位)，Fast-GBSAR在滑轨上来回往复移动，每7 s完成一次往复移动并采集一组数据和一副二维图像，所有数据自动存储在GB-SAR雷达内嵌的FPGA中，雷达的动作由连接的笔记本电脑进行控制。整个试验共采集15 922组数据和图像，其中开闸放水时间开始于t=1.255 d，结束于t=1.269 d，共持续20 min。数据分析共分为开闸放水前(0～1.255 d)、放水时(1.255～1.269 d)、停止放水后(1.269～1.290 d)坝体的变形位移情况。

3.1.1 PS点的选取

从大坝选取3个PS点，如图3(a)所示，并对应分析3个PS点的能量分布，详见图3(b)。

图3 PS点位置示意图

如图3(a)所示的3个PS点，其中红色点位于大坝顶部，蓝色点在大坝闸门上，绿色点在大坝消力坎上。由于空间基线为0，所以GB-SAR只能生成二维图像，并没有高程信息，即z=0。二维图像分辨率为0.75 m和4.5 m/rad，所以选取的PS点的位置必须位于不同的分辨率单元之内。在二维能量图像中，这3个PS点分别位于：红点(x=-25.8 m,y=400.9 m)，蓝点(x=-34.8 m,y=388.6 m)，绿点(x=-34.2 m,y=380.1 m)，如图3 (b) 所示。

3.1.2 回波信号分析

图4是3个选取的PS点的回波信号，横坐标是时间轴；纵坐标是回波信号强度，代表该点的变形量。其中，变形量为“正”代表PS点向下游漂移(即靠近雷达)，变形量为“负”代表PS点向上游漂移(即远离雷达),其中PS1代表蓝色点的位移，PS2代表红色点的位移，PS3代表绿色点的位移，PS(ref)为参考曲线。

图4 PS点随时间的位移

3.1.2.1 放水前

如图3所示，在放水前，大坝3个PS点基本稳定，没有大的变形。其中t=0.4 d时刻出现大约2 mm的轻微抖动，坝顶(红点)向上游漂移，消力坎(绿点)向下游漂移，持续时间极短。大坝总体稳定，没有变形。

图5 3个PS点在放水时刻的漂移量

3.1.2.2 放水中

图5展示放水时雷达的回波信号，即3个PS点的变形位移情况。放水时间开始于t=1.255 d，结束于t=1.269 d，共持续20 min。从图5中可明显看到，大坝顶部(红点)因放水而受到的压力减小，而出现远离雷达而向上游产生位移变形。在t=1.255～1.260 d之间的7 min，坝顶向上游漂移变形量大约4 mm；在t=1.260～1.265 d之间的7 min，坝顶向上游漂移变形量约2 mm；在t=1.265～1.270 d之间的7 min，坝顶向上游漂移的变形量从4 mm逐渐降低到2 mm，并维持在2 mm。从大坝闸门(蓝点)的回波信号可明显地观察到，在t=1.255～1.265 d之间的14 min，闸口因为放水水流的冲击力而呈现向正负方向，幅度相等的晃动情况，闸口正负方向位移大约为±2 mm；在t=1.265～1.270 d之间的7 min，闸口的变形位移趋于稳定并逐渐回落至0 mm。消力坎(绿点)因水流的冲击而出现向下游，即雷达方向的明显变形，变形量在开闸放水的一瞬间(t=1.255 d)出现向下游约4 mm的变形。t=1.255～1.265 d持续的14 min，闸口放水量持续增大，消力坎由于受到水流冲击，它向下游的变形位移也持续增大至8 mm。由于水位上升，即使在闸口放水量逐渐减小时，消力坎的变形却由于河道中水流量压力的增大而持续增大，并最终稳定在9 mm左右。表1总结了放水过程中3个点的平均位移情况。

表1 放水过程中3个PS点的平均位移

图6 大坝放水后的PS点位移

3.1.2.3 放水后

图6展示了对大坝放水后的位移分析，其中蓝色点位于闸门上方(PS4)，红色点为闸口上部(PS5)。通过分析曲线可以看出，从t=1.27～1.28 d，随着放水量的逐渐减少，这2个PS点的变形逐渐降低稳定。但是值得注意的是，放水结束后这2点的位移并未回归为0 mm，而是稳定在-1.7 mm。这是因为上游水位降低，对坝体压力相应减少，所以这2点的位置向上游方向整体移动1.7 mm。放水结束后2个PS点的位移见表2。

表2 放水结束后2个PS点的位移

3.1.3 观测精度分析

影响观测精度的主要因素是系统稳定性因素和环境因素[1]。其中系统稳定性主要由系统的频率偏移决定，环境因素主要由雷达视线方向的水汽延迟决定。因此，本节将对本次试验在系统和环境因素影响下的测量精度进行分析。

由式 (1) 得知，观测目标的变形量由前后2组接收信号的相位φ决定。假设前后2组接收信号因系统和环境引起的相位差为Δφ，则

(2)

式中:f为系统的工作频率;R为目标距离;n(i)为大气延迟指数;i为时间;c为光速。

如果将环境因素和系统因素共同作用下产生的相位差表示为φatm，由目标变形产生的相位差表示为φdis。则实际测量中观察到的前后信号相位差为

Δφ=φdis+φatm。

(3)

由图3可知，开闸放水的时间为t=1.225 d，从0～1.255 d由于没有开闸放水，所以大坝保持稳定，φdis可以认为始终为0，则在此期间接收信号的相位差为

Δφ=φatm。

(4)

相应的，联立式(1)、式(4)可知在此期间通过接收信号计算所得目标变形量d为

d=datm。

(5)

因此，对0～1.255 d内测得的目标变形量的d值是因系统和环境因素共同引起的变形，而非目标的实际变形。

在图3中，分别对坝顶(红点)、闸门(蓝色)、消力坎(绿点)在0～1.255 d测得的变形量求均值和方差，计算中去除掉了t=0.4，1.0 d出现的轻微抖动误差(2 mm)，结果如表3。

由表3可知，在长达1.255 d的观测中，在坝体几乎没有变形的条件下，系统和环境的变化对测量精度的影响<1 mm，因此，本文使用的GB-SAR的观测精度在亚毫米级(0.1 mm)。

表3 放水中3个PS点变形量的测量精度

3.2 三维高程模型信息融合

为了更好地对大坝放水前后整体变形情况进行更好地可视化分析，在试验中使用了RIGEL公司的三维激光扫描仪构建了坝体的三维数字高程模型，如图7(a)。在利用Fast-GBSAR获取二维变形图之后，利用三维数字高程模型和SAR二维图进行了数字融合。SAR图像是二维的而缺乏高程z的信息，因此，在数据融合时选取一定数量的PS点，首先利用这些PS点在SAR图像坐标系中的位置映射到三维模型坐标系中xoy平面的位置点，也即对2个坐标系进行统一。然后利用PS点在三维模型中xoy的位置，对应找出每一个PS点的高度z。这一过程也就相当于将SAR图像“贴”到三维模型表面。

图7(b)为信息融合后的三维高程图，放水之后的SAR图像已经被“贴”到三维图表面。能够看见坝顶和闸口因放水之后的减压而明显的向上游变形，消力坎因为水位压力增大而向下游变形。

图7 三维激光扫描仪生成的大坝区域3-D图像 与SAR图像与3-D图像的信息融合

4 结 论

本文利用世界首台基于调频连续波(FMCW) 技术设计制造的Fast-GBSAR地基合成孔径雷达对陆水大坝进行因开闸放水引起的变形监测。在放水前、中、后3个时间段对大坝变形进行1.28 d的监测，数据采集速度为7 s/组，共采集15 922组数据和图像，监测变形精度达到亚毫米级(0.1 mm)。监测结果表明：

(1) 在放水中坝顶因放水而受到的压力减小，而出现远离雷达而向上游产生位移变形；闸口因为放水水流的冲击力而呈现向正负方向、幅度相等的晃动情况；消力坎因水流的冲击而出现向下游，即雷达方向的明显变形。

(2) 在放水后，坝顶和闸口因蓄水量减小而减轻了对坝顶和闸口的压力，因而相较于放水前，坝顶和闸口向上游，即远离雷达方向变形1.7 mm。

最后利用RIGEL公司的三维激光扫描仪建立了大坝区域的三维数字高程模型，并和SAR图像进行了信息融合。通过融合后的高程模型能够更加直观地分析大坝的整体变形情况，为大坝安全预警提供了更加可视化的参考。而基于7 s/组的高速数据采集速度，对大坝几乎可以做到实时的变形监控。

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A Novel FMCW GB-SAR Based Dam Deformation Monitoring

ZHANG Hao-yu1, ZHOU Ke-qin2, SONG Ya-teng3, LI Li-li1

(1.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 306022, China; 2.School of Mapping and Civic Space Information, Beijng University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 3.School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Dam deformation monitoring is an important task to refrain from hazardous situation for dam and population. The use of Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) provides great potential for dam deformation monitoring due to its strong capability of large area and high accuracy. In this paper, a Fast-GBSAR based on the Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) technology is presented to monitor the dam deformation when the dam discharges water. The data acquisition speed of the Fast-GBSAR could achieve 7 second per set, compared with 5 minute per set acquisition speed of the IBIS system. Besides, the SAR image is also combined with the DEM model to evaluate the overall deformation of the dam. Analytical results show that dam monitoring based on Fast-GBSAR can be nearly in real time.

GB-SAR; FMCW; dam deformation measurement; accuracy analysis; 3D DEM

2016-08-25;

2016-10-11

浙江海洋大学科研启动经费项目(21045012815)；浙江省自然基金委青年基金项目 (LQ15F030007)；浙江省教育厅项目(Y201432290)

张昊宇(1987-)，男，安徽宿州人，讲师，博士，研究方向为地基与机载SAR,(电话)0580-2550051(电子信箱)haoyu19871202@163.com。

10.11988/ckyyb.20160869

TP79

A

1001-5485(2017)12-0033-05

(编辑：王 慰)