地面雷达的位移监测试验研究

是一种新型的对地变形监测设备，采用与星载 SAR相同的技术原理[1]，与星载SAR相比，有更 高的时间分辨率和空间分辨率，和GPS、全站仪 等测量技术相比， 具有空间连续覆盖的优势， 不 仅可以对滑坡等地表变形进行静态监测， 也可以 对建筑、 桥梁等设施进行动态监测， 对分析监测 对象的变形规律和变形机理， 预防灾害的发生有 重要的作用。 国外学者研究了地面雷达在对地观测中的应 用，主要利用的地面雷达设备是欧洲委员会联 合研究中心研制的 LISA（Linear SAR）[2]，另 外还有意大利 IDS 公司生产一种商用的地面雷 达—微变形监测系统（Image by Interferometric Survey，IBБайду номын сангаасS）[3]。Tarchi 等(2000)利用 LISA 对奥地利 Schwaz 镇的滑坡体进行了变形监测 研究， 监测结果表明 GB-radar 的位移监测精度 可达 1mm。Casagli 等（2002）对 Monte Beni 滑坡体的地面雷达监测数据清晰反映了滑坡体 在时间和空间的演化规律，可为地方当局的滑 坡灾害治理提供帮助。Pieraccini 等（2003）利
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引言
地面雷达（Ground Based radar，GB-radar） 用地面雷达对建筑进行动态监测，并根据监测 数据分析建筑的振动幅度和振动频率。 Tarchi 等（2003）利用地面雷达监测意大利的 Tessina 滑坡，揭示了地表运动的演化，地表变形速率 约为 1mm/d。Antonello 等（2004）利用星载 SAR 和 GB-radar 监测 Stromboli 火山的 Sciara --------------------------------------作者简介：刁建鹏（1979-） ，男，山东莱芜人， 武汉大学测绘学院在读博士研究生， 研究方向： 变形监测与灾害预报。 E-mail：lwdjp@163.com 收稿日期：2009-10-12 滑坡体的位移，分析了滑坡体的变形速率。 Martinez-Vazquez等 （2005） 用LISA系统监测Sion 山谷雪层的结构变化，得到雪层厚度的变化规 律， 可为雪崩灾害预防提供数据支持。 Bernardini 等（2007）介绍了IBIS-L系统的特点以及工作原 理， 并做了意大利Tessina滑坡体的变形监测试验 以及大坝变形监测试验，试验表明 IBIS-L能以 0.1mm的精度监测到小于1mm的位移。
模型，或“三规法”除去地形信息，获得变形信 息。 地面雷达工作时， 扫描成像的基线长度为0， 因此对变形体的形状不敏感， 干涉相位信息中只 包含视线向的变形信息。 变形量d与干涉图中的相位差Δ φ的关系为：
4 3 数据处理流程
d
过程[5,7]括以下几个步骤：
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GB-radar的数据处理由电脑完成， 数据处理 1）原始数据影像的获取：GB-radar以设定 的时间间隔对变形体进行扫描获得原始雷达数 据。 2）雷达影像的辐射定标：雷达影像的辐射 定标是为了建立影像与地物后向散射系数的精 确关系，分为内部定标和外定标两大类[11]。内 定标设计于SAR的系统参数，反映SAR 系统性 能的变化。外定标反映目标后向散射特性的变 化，可利用布置于变形体上的定标设备来测量 SAR的系统参数。 三面体金属角反射器是常用的 无源标定设备。 3）标准数据的集中：采用时间域SAR处理 器将标准数据集中。重复第二，第三步骤，处理 完所有的雷达影像， 得到集中化的雷达影像的时 间序列。 4） 主图像的选择： 对于给定的雷达影像集， 将第一幅作为主像，按顺序将其他影像作为从 像。 5）影像的精确配准：精确配准是将两幅雷 达影像通过运算建立严格的一一对应关系， 使两 幅影像对应的像点为变形体的同一目标点。 影像 的配准精度对干涉条纹的生成有直接的影像， GB-Radar影像的配准精度应达到0.1个像素[9]。 6） 干涉计算： 对主像和从像进行干涉处理， 得到一系列的干涉图。
DOI：CNKI:11-4415/P.20101119.1814.019 网络出版时间：2010-11-19 18:14 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.p.20101119.1814.019.html
地面雷达的位移监测试验研究
刁建鹏①，梁光胜②
c Rd 2B
式中，C为光速。 2.2 合成孔径雷达技术
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SAR的基本原理是利用一个小孔径的天线， 沿直线运动， 在不同位置发射电磁波并将接收回 波信号， 对回波信号进行处理， 消除由观测时距 离不同引起的相位差，修正到同时接收的情况， 合成一个等效的、天线孔径较大的雷达信号。n 个有效孔径为 D 的小天线组成的线性阵列天线 的波束段度，与长度为Ls=nD的大孔径天线的波 束宽度相同。 合成孔径雷达的方位向分辨率， 与雷达到监 测点的距离无关，为：
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微变形监测系统
(3)
4.1 系统组成
在星载SAR中，不同时间成像时，卫星的轨 道一般并不重合，因此基线长度不为0，相位差 中含有地形信息，需用“二规法”结合数字高程
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型号。IBIS-L系统用于山体滑坡、大坝、地表等 缓慢位移的监测， 用线性轨道器实现合成孔径雷 达。IBIS-S用于建筑物的远程静态和动态监测， 可对桥梁、堤坝、房屋、高塔等做变形监测，无 合成孔径雷达功能。IBIS有如下特点： ①遥感测量：-L型的测距离可达4km，-S型
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图4
试验 1 的位移变化观测结果
2）试验2 每次调节0.1mm靠近监测设备，进行5次。然后后退0.5mm。
图 5 试验 2 的位移变化观测结果
通过短距离的位移监测试验可以看出： IBIS 系统能够很精确的监测到目标的细微的位移变 化，其位移监测精度高于TCA 2003的精度。 5.2 IBIS 系统和千分表的对比试验 该试验的目的是利用千分表验证 IBIS 远距 离的位移监测精度， 试验是在岷江紫坪铺大坝上 进行。 IBIS 的反射设备安装在大坝体上，距离 IBIS系统的470m。反射设备上有千分表，通过 千分表精确调节反射设备的移动距离，见图6。 在坝体上安装一个反射设备。 IBIS的安放位 置距离目标物的距离为 470m，在目标物上千分 表，随时调节千分表，将数据和IBIS检测到的数 据进行对比验证。
Ra
D 2
(2)
2.3 干涉测量技术 干涉测量技术用于获取变形体在视线向的 一维变形信息。干涉测量技术用公式(3) 对主图 像( m )和副图像（S）做干涉处理，得到干涉图 （I），根据相位差，得到变形体的位移信息。
I (k , l ) m(k , l ) s(k , l )
式中：*表示共轭。
图2
线形扫描器单元
辨率高：IBIS的空间分辨率为0.5m。
微变形监测系统(IBIS) 是意大利IDS公司与 佛罗伦萨大学合作研发的一套地面雷达设备， 由 以下几个单元组成： 1）传感器单元：IBIS的主体设备是一台步 进频率连续波雷达，包括信号发射器和接收器， 频率扫描和传感器位置间的同步控制器等几个 部分，可生成、发射、接受微波信号。 2）线性扫描器单元：线性扫描器单元包括 一根2m长的铝轨、步进电机以及位置编码器。 用于实现合成孔径雷达。 3）能量供应单元：IBIS通过12V的电池或 外接220V交流电源提供能量。 4） 数据记录和处理单元： 该单元为带SW控 制软件的个人电脑，SW软件为与系统配套的控 制和处理软件， 可以设置测量参数、 查看初步测 量成果、控制系统状态。 4.2 用途和特点 根据监测对象的不同，IBIS分为-L和-S两种
图1 传感器单元
的测距距离达1km；②位移测量精度高：-L型静 态监测精度达到0.1mm，-S型的动态监测精度为 0.1-0.01mm；③全天候24h连续监测：在恶劣的 天气条件下也能够提供几乎连续的扫描； ④图像 采集时间短：-L型允许每5min采样一次，-S型的 图像采集频率可达200Hz，能准确测量和追踪频 率为[0-50]Hz的振动；⑤运输和安装简洁方便， 操作全自动， 控制和处理软件的功能强大； ⑥分
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位移监测对比试验
将观测目标和千分表相连， 用千分表对目标
5.1 IBIS 系统和 TCA 2003 的对比试验 进行微小的调节，用IBIS系统和TCA 2003观测 目标的位移变化量。 观测设备与观测目标的距离 为33m，见图3。
图 3 对比试验现场图
对比试验进行2次，每次千分表的调节距离 不同，两次试验的调节值以及观测结果如下： 1）试验1 每次调节1mm靠近监测设备，进行3次。然 后后退3mm。
（①武汉大学测绘学院，武汉 430079；②北京博泰克机械有限公司,北京 100044） 【摘 要】地面雷达是一种基于微波干涉测量的创新型变形监测设备，具有高精度、高分辨率的监 测优势，在对地变形监测中有广泛的应用前景。本文研究了地面雷达的技术原理和数据处理流程， 介绍了微变形监测系统，并进行了位移监测的对比试验，将微变形监测系统与TCA 2003、千分表的 位移监测数据进行对比。试验数据分析结果证明：地面雷达具有高精度的位移监测能力。 【关键词】地面雷达；微变形监测系统；TCA 2003；千分表；位移监测 【中图分类号】 P225.7 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）02Experimental study on monitoring displacement by ground-based radar Abstract ：Ground-based radar is an innovative equipment of deformation monitoring based on microwave interferometric survey technology with the advantages of high precision and high resolving power, so has wide prospect in application of monitoring on ground deformation. The paper researched the technologies adopted by GB-radar and it’s data processing flow, i ntroduced the Image by interferometric survey system. In the end, an experiment about displacement monitoring was done by IBIS and TCA 2003, micrometer, the result proved that ground based-radar has capability of high precision in displacement monitoring. Key words: ground-based radar; image by interferometric survey; TCA 2003; micrometer; displacement monitoring ① ② DIAO Jian-peng , LIANG Guang-sheng (①School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China; ②Beijing PT Equipment Co Ltd, Beijing 100044, China)
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地面雷达的技术原理
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GB-radar采用三种先进的技术[3]： 步进频率连续波(SF-CW)技术、合成孔径雷达 (SAR) 技术 和干涉测量(Interferometry)技术，用于获取高精 度、高分辨率的变形信息。 2.1 步进频率-连续波技术 SF-CW 技术用于提高地面雷达的距离向分 辨率。 提高雷达的距离向分辨率， 需要发射较窄 的脉冲信号， 但这样存在影像质量低、 硬件设备 制造困难等问题， 可利用脉冲压缩技术解决这个 问题。 地面雷达的脉冲压缩技术采用频率步进的 连续波来得到窄脉冲信号。 步进变频技术[10]是以连续波的形式发射离 散的频率分量， 然后在时域内重建电磁脉冲的波 形， 合成为一个等效的脉冲。 合成脉冲的距离向 分辨率Rd与带宽B有关：