变形监测的若干新技术

变形监测的若干新技术

秦滔

摘要：主要介绍了光纤监测技术、卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术及GPS 伪卫星组合定位技术在变形监测中的应用，同时分析了使用这些新技术的优势和应用前景。

关键词：变形监测GPS伪卫星组合定位

光纤监测合成孔径雷达差分干涉测量

Abstract:Mainly introduce the fiber-optic monitoring technology, D-InSAR and integration of GPS and Pseudolite positioning technology in the application of deformation monitoring, and analysis of the use of the advantages of these new technologies and applications.

Keywords: deformation monitoring integration of GPS and Pseudolite positioning fiber-optic monitoring D-InSAR

1 引言

我国的变形监测工作起步于20世纪50年代，经过半个世纪的发展，形成了完成的理论体系和技术方法。尤其近20年来，许多大型工程开工建设，各种先进的仪器设备飞速发展，变形监测工作也取得了很大的进步。

早期的变形监测，主要采用精密的光学测量仪器进行观测，例如精密水准测量、经纬仪、垂线及视准线等。随着电子仪器的发展，应变计、无应力计、测缝计、钢筋计、测压计、渗压计等广泛应用于变形监测中。另外，用于监测环境量的电子温度计、水位计等也开始使用。电子计算机的广泛应用和发展，促使变形监测工作提高效率，走向自动化、智能化之路，尤其是全站仪、GPS等先进仪器出现，计算机技术不断发展，数据处理技术不断优化，变形监测工作走上了数据采集、传输、存储、处理自动化的道路。

近年来，变形监测工作中又出现了若干新的技术方法，这些新技术拥有广阔的应用前景，本文主要介绍以光纤传感器为基础的光纤监测技术、以卫星合成孔径雷达为基础的差分干涉测量技术（D-InSAR）及以GPS伪卫星组合定位技术在变形监测中的应用。

2 光纤监测技术

光纤技术是一种集光学、电子学为一体的新兴技术，其核心技术是光纤传感

器。广义上说，凡是采用了光纤的传感器都可称为光纤传感器，它主要可分为两种类型，即传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。传光型光纤传感器已在数字通信领域有了广泛的应用，在变形监测自动化系统中也常使用其来传输数据，而传感型光纤传感器，可用于测量温度、渗流等外部环境变化，也能测量位移、应力、应变等变形量。

光纤传感器系统由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调器组成，其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

国内外工程变形监测领域主要的光纤传感器主要包括光纤Bragg光栅传感器（FBG）、Brilliouin光时域反射计（BOTDR）、Fabry-Pérot空腔传感器（FPI）及SOFO点式光纤传感器等。FPI和SOFO分辨率高，但受信号传输和解调技术的限制，布点数量有限，还不能从根本上突破点式测量的局限，比较适用于结构重点部位的监测。分布式的BOTDR可对结构进行大范围监测，但分辨率较低，测得应变是所在位置后面一定距离（空间分解率）的平均应变值。FBG不仅分辨率高，所测的应变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。

目前，光纤技术已从初期的单纯温度监测，发展到渗流监测、应力应变监测、位移监测等多个方面，例如：渗漏定位监测、裂缝监测、混凝土应力应变监测、动应变及结构振动监测、岩石锚固监测（锚杆及锚索预应力监测）、钢筋混凝土薄体结构物受力监测、混凝土固化监测、钢筋锈蚀监测、温度与渗流的耦合监测等。

与传统技术相比，光纤监测技术具有独特的优越性:

(1)光纤传感器以光信号作为载体，以光纤作为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点；

(2)光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；

(3)光纤传感器灵敏度高，可靠性好，潜在故障大大低于传统技术；使用寿命长，具有良好的性能价格比；

(4)可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，监测效应量分布连续，成果直观，有助于实现动态监控。

3 卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术

20 世纪 70 年代末发展起来的卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术 （Differential SAR Interferometry ，D-InSAR ），为地表沉陷变形实时动态监测提供了新的手段。其利用雷达复信号中的相位成分，作为附加的信息源来获取地形三维特征。与常规测量方法相比，差分干涉测量监测地表沉陷，具有区域大、快速、准确等优势，是水准测量和GPS 测量的有益补充。从国内外研究来看，D-InSAR 技术在监测较大幅度垂直变形方面，已有一些成功的例子，在地震、地下水过度开采等方面造成的地表沉陷变形均有应用。

星载 SAR 系统所获取的影像中，除了包含地面分辨单元的雷达后向散射强度信息以外，还包含了与斜距有关的相位信息，形变信息的获取就是利用其中的相位信息。通过覆盖同一地区的不同时间获取的多幅 SAR 影像来获得干涉图像，相同的相位差值会在干涉图像中形成干涉条纹。如果在两幅影像获取的时间段内，发生了地表的变形移动，干涉图像中的干涉条纹则主要由地形效应和地表变形所造成，则：

(1) 式中，m Φ为主从影像对应相位相减所获得的相位差，d Φ为地表变形移动所形成的相位差，t Φ为地形起伏所形成的相位，a Φ为大气条件所造成的相位延迟，n Φ为噪声所引起的相位变化。

D-InSAR 就是通过去除地形、大气和噪声等干涉相位信号的影响，来提取和分离出地表形变信息。一般来说，对于大气影响所造成的相位延迟，多通过相位累积法和直接校正法去除。而对于噪声所引起的相位变化，可以在干涉处理过程中，采用滤波方式来抑制其对差分相位的影响。因此，为了从干涉图像中获得地表移动变形信息，非常重要的一步就是移除地形效应产生的相位信息。目前，根据移除地形效应方法的不同，可以将提取地表形变信息的方法分3种。

(1) 两轨法。使用两个雷达图像和一个外部数字高程模型，称为“两轨”方法。指导思想是利用已有的 DEM 数据，模拟地形相位和干涉处理生成地形相位来消除地形影响。在移除地形相位之后，可以得到地表形变所造成的差分相位；

(2) 三轨法。为了获得地形效应产生的干涉图像，需使用第三张雷达影像。使用三个雷达图像形成两个干涉对，一个为地形干涉对，用来获得地形形变之前的地形信息；另一个为地形2形变对，通过处理获得地形变形信息；

(3) 四轨法。使用四个雷达图像形成两个干涉对，称为“四轨”方法。实质n

a t d m Φ+Φ+Φ+Φ=Φ