地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析——科技論文

隨著我國(guó)水利工程的快速發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了一批重點(diǎn)水利項(xiàng)目。在項(xiàng)目建設(shè)期間為了深度掌握水利工程的穩(wěn)定性，就需要對(duì)工程變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)前，工程變形為了全面了解水利工程的穩(wěn)定性能，希望預(yù)測(cè)其變形情況?，F(xiàn)階段，在觀測(cè)工程變形時(shí)所應(yīng)用的方法主要分為地面測(cè)量，空間測(cè)量和攝影測(cè)量。由于上述變形觀測(cè)方法均存在不足與缺陷，無(wú)法滿足工程變形檢測(cè)要求，因此必須開發(fā)研究出新型變形監(jiān)測(cè)方法。

1  地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L分析

地基雷達(dá)系統(tǒng)在獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域觀測(cè)圖像時(shí)主要是利用微波探測(cè)成像方式實(shí)現(xiàn)，通過合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率能夠全面提升方位與距離的分辨率，能夠其能夠深入處理星載合成孔徑雷達(dá)影像的不足問題中，避免其受到時(shí)空失相問題影響，利用干涉技術(shù)能夠提升變形監(jiān)測(cè)精度。通過雷達(dá)技術(shù)能夠?qū)Ρ粶y(cè)物表面的微小變形情況進(jìn)行精確測(cè)定。IBIS-L可以應(yīng)用到遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位移監(jiān)測(cè)中，通過微波干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)。IBIS-L的遙測(cè)距離長(zhǎng)達(dá)4km，測(cè)量精度小于0.1mm。相比于全站儀和GPS測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，IBIS-L能夠全面覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)環(huán)境，并且能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域的變形規(guī)律和原理進(jìn)行分析探索，降低事故發(fā)生率。地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L主要是結(jié)合干涉測(cè)量技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和連續(xù)波技術(shù)，利用合成孔徑能夠獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域二維影像，并且利用干涉技術(shù)獲得相位變化情況。

（1）步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)：該項(xiàng)技術(shù)主要是以不同頻率在時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的電磁波實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)，利用步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)能夠確保電磁波的遠(yuǎn)程傳輸，還可以給予雷電較高距離向分辨率。雷達(dá)所提供的最大頻率帶寬為3×108。

（2）合成孔徑技術(shù)：從本質(zhì)上看，此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)當(dāng)歸入到多普勒分析技術(shù)中，在相同距離單元中的不同方位能夠確保其利用運(yùn)動(dòng)雷達(dá)向散射體間細(xì)微的多普勒頻移差全面加強(qiáng)方位維分辨率。簡(jiǎn)言之，合成孔徑技術(shù)就是通過小天線運(yùn)動(dòng)來(lái)等效長(zhǎng)天線運(yùn)動(dòng)，因此稱之為合成孔徑。

（3）大氣擾動(dòng)影響因素分析：第一，頻譜質(zhì)心不相同所導(dǎo)致的去相干；第二，基線去相干；第三，時(shí)間去相干，包括重訪周期內(nèi)受到大氣條件和溫度所導(dǎo)致的去相干。雖然星載In合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和地基In合成孔徑雷達(dá)技術(shù)在獲取地表形變上所應(yīng)用的技術(shù)不存在基線，因此可以忽略星載In合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和地基In合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的去相干，大氣條件所導(dǎo)致的時(shí)間去相干已經(jīng)成為地基In合成孔徑雷達(dá)技術(shù)加強(qiáng)變形觀測(cè)精度的主要因素。

2  大壩變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

2.1  實(shí)驗(yàn)背景

此次監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)儆诘貐^(qū)水庫(kù)大壩，大壩基礎(chǔ)為寒武系灰?guī)r，兩岸壩肩上部為灰?guī)r和頁(yè)巖互層。大壩總庫(kù)容量為33億立方米，裝機(jī)容量為120.1萬(wàn)kW。該大壩是雙曲重力拱壩，壩頂長(zhǎng)為642.4m，壩高為149m，壩頂高程為204m。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2017年11月13日至14日，觀測(cè)時(shí)間總計(jì)為24小時(shí)，共獲取256幅合成孔徑雷達(dá)影像，數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔為5min。地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L設(shè)備裝置的最大遙測(cè)距離為4km，實(shí)驗(yàn)最大觀測(cè)距離大約在1266m，設(shè)備安置點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在壩體正前方，且設(shè)備與大壩間無(wú)視線阻礙物，可以對(duì)整個(gè)壩體和坡岸進(jìn)行觀測(cè)。

2.2  分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)之前，首先分析了地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。圖1為觀測(cè)區(qū)域的雷達(dá)反射功率圖，從圖中數(shù)據(jù)能夠看出，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以獲取大壩雷達(dá)反射信息，還可以從圖中分辨出江岸，基巖和廠房框架。從信號(hào)特征分析圖能夠得出，大壩壩體表現(xiàn)信噪比大于15dB，壩體表面相干系數(shù)大于0.7，相位穩(wěn)定性大于3。按照上述分析能夠看出，地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)可以獲取大壩壩體表面的雷達(dá)反射信息，設(shè)備數(shù)據(jù)采集的可靠性比較高。

此次實(shí)驗(yàn)選擇在大壩左側(cè)基巖處GCP1作為地面控制點(diǎn)，選擇該點(diǎn)的原因主要是在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯變化情況。在壩體上選擇若干個(gè)特征點(diǎn)，主要設(shè)置在壩體上部，中部和下部。

從圖2能夠看出，在開始觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)到17:38，只有部分點(diǎn)壩體穩(wěn)定性比較高，其余均出現(xiàn)形變量。17:38之后到18:05，觀察發(fā)現(xiàn)，靠近雷達(dá)方向的壩體出現(xiàn)線性形變問題，在19:12時(shí)，壩體慢慢恢復(fù)到初始狀態(tài)。等到19:58點(diǎn)開始之后，壩體靠近雷達(dá)方向出現(xiàn)線性形變問題，在次日晨間，壩體靠近雷達(dá)方向出現(xiàn)線性形變問題，之后逐漸趨于穩(wěn)定。至午間之后，由于受到外力作用，壩體產(chǎn)生線性形變問題，在半小時(shí)后逐漸恢復(fù)到初始化狀態(tài)。相比于初始化壩體來(lái)說(shuō)，此時(shí)壩體出現(xiàn)的形變位移情況比較小。

為了對(duì)比分析地基雷達(dá)地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L所獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)期間需要對(duì)大壩進(jìn)行垂線監(jiān)測(cè)，垂線監(jiān)測(cè)方法主要是假設(shè)壩底底點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn)實(shí)行變形位移監(jiān)測(cè)，地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)所獲取的位移值為視線向數(shù)據(jù)。因此需要將視線向轉(zhuǎn)化為相對(duì)徑向，之后對(duì)壩體和壩底間位移差量進(jìn)行計(jì)算，之后對(duì)兩種觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。通過比較分析能夠看出，視線向與相對(duì)徑向方法所獲得結(jié)果的誤差在2mm以內(nèi)，這主要是由于大氣擾動(dòng)影響所導(dǎo)致的誤差問題所致。按照比較分析結(jié)果可以看出，通過地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大壩變形具有較高的實(shí)用性和可靠性，可以有效監(jiān)測(cè)大壩等水利工程變形問題。

3  結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)主要是通過干涉測(cè)量技術(shù)獲取細(xì)微變形的有效措施，因此被廣泛應(yīng)用到邊坡工程，橋梁工程和大壩工程變形監(jiān)測(cè)中。相比于傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方法來(lái)說(shuō)，地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L監(jiān)測(cè)方法具備二維成像，高精度以及全天候監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，因此可以被廣泛應(yīng)用到壩體變形監(jiān)測(cè)中。此次研究主要是對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得壩體表面特征點(diǎn)視線向時(shí)間-位移關(guān)系。通過變形監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠看出，應(yīng)用地基雷達(dá)系統(tǒng)IBIS-L監(jiān)測(cè)方法可以有效獲取大壩變形問題，值得推廣應(yīng)用。

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