GBInSAR技術在橋梁變形監測中的應用

戚 斌，岳 順，宋亞宏

（1. 蚌埠市交通基本建設工程質量監督管理局，安徽 蚌埠 233000；2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

GBInSAR技術在橋梁變形監測中的應用

戚 斌1，岳 順2，宋亞宏2

（1. 蚌埠市交通基本建設工程質量監督管理局，安徽 蚌埠 233000；2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

對地基合成孔徑雷達干涉測量（GBInSAR）技術的監測原理和特點進行了深入研究；并利用該技術和全站儀對南京清涼門大橋進行了監測，將橋梁在雷達視線向的變形轉化為橋梁本身垂直面真實的位移。通過對監測結果的計算分析可知，GBInSAR技術的監測精度可達到0.1 mm；再將監測結果與橋面通行情況進行對比可知，清涼門大橋的變形量主要是由橋面荷載引起的，大橋處于穩定狀態。

GBInSAR；全站儀；橋梁；變形監測；IBIS-S

隨著國民經濟的快速發展，我國公路橋梁建設進入高速發展期，橋梁結構和形勢日趨復雜，規模也越來越大，橋梁的施工正朝著超大化的方向發展。橋梁建設事業迅猛發展的同時，大型橋梁的安全性也愈加受到相關部門的重視[1]。傳統的橋梁變形監測方式分為全站儀、水準儀、GPS等，均存在精度低、成本高、誤差影響大等缺陷[2-5]。地基合成孔徑雷達干涉測量（GBInSAR）技術是一種基于微波主動探測的創新雷達技術[6]，其工作原理與星載InSAR技術類似，通過干涉技術可實現亞mm級的微變形監測，為橋梁變形監測開辟了一條新的道路[7-8]。GBInSAR技術將干涉測量技術、步進頻率連續波和合成孔徑雷達技術（SAR）有效地融合在一起，具有監測成本低、精度高、空間連續觀測等優點，是一種全新的變形監測方法，已廣泛應用于大壩、橋梁、建筑物等變形體的變形監測中，具有重要的理論和現實意義。本文針對橋梁工程變形監測的特點，利用IBIS-S系統對橋梁進行了監測與應用分析。

1 全站儀和GBInSAR技術融合的橋梁監測

GBInSAR技術比較的是天線饋送信號的波程差，采用比相法，基本原理如圖1所示。

圖1 GBInSAR的基本原理圖

從圖1可知，雷達首先發射天線（TX）饋送微波信號，信號經與目標的相互作用形成后向散射信號，最終被接收天線（RX）接收，經過相關信號與數據處理步驟，即可得到此次測量的一個采樣復信號，其中包含了信號強度和觀測相位值φ1。雷達系統持續對輻射場區的目標進行采樣，假設第二次采樣開始時目標發生了形變Δr，那么雷達得到的第二個采樣復信號就包含了相應的信號強度和觀測相位值φ2。形變相位即為兩個觀測相位的差值，計算公式為：

觀測相位和相位差均被規劃至區間[-π, π)中，計算角度差時需判斷角度所處象限[9-10]。為了避免頻繁判斷角度所處象限，通常利用復數的共軛相乘提取干涉相位，其公式為：

式中，S為采樣復信號；A、φ分別為觀測信號的強度和信號。

GBInSAR技術得到的變形量是變形體視線向的位移，不能真實顯示變形體的變形，本文在GBInSAR技術的監測過程中，同時利用全站儀進行監測，融合原理如圖2所示。

圖2 融合全站儀和GBInSAR技術對大橋監測的原理圖

如圖2所示，A點為GBInSAR儀器所處位置，B點為全站儀所處位置，F為橋面，C點為橋梁底部的監測點，CE表示GBInSAR儀器監測到的雷達視線向的距離，θ為C點在雷達視線向的投影角，則有：

2 實驗分析

本文利用地基雷達IBIS-S系統對清涼門大橋進行監測處理，監測歷時30 min；同時對橋面的通行情況進行錄像處理，采樣頻率為49.02 Hz，距離向分辨率為0.5 m。IBIS-S系統A和監測點C在全站儀坐標下的坐標分別為（12.476 8,0.001,4.040 4）和（-67.181,-24.253 6,8.591 1），經計算可得垂直投影角θ為86°52'18.61"。對雷達信號進行干涉、濾波等處理，得到大橋的雷達視線向的變形量；再利用得到的θ將橋梁雷達視線向變形投影為垂直于橋面的變形，結果如圖3所示。

圖3 清涼山大橋監測點的位移量

從圖3可知，清涼山大橋在監測時間段內發生了向下變形。將其變形與橋面的通行情況進行對比分析發現，二者具有較強的相似性，說明橋梁變形主要是由橋面荷載引起的。IBIS-S監測精度達到0.1 mm，大橋的變形量處于[-0.7,0.3]之間，監測期間未發生較大的變形，說明大橋處于穩定狀態。

3 結 語

針對傳統監測技術的不足，本文采用GBInSAR技術和全站儀，利用IBIS-S設備對南京清涼門大橋進行了監測，并將雷達視線向位移投影到橋面垂直面上，真實反映了橋梁的變形量；同時把監測結果和橋面通行情況進行對比，可以看出，橋梁變形主要是由橋面荷載引起的，橋梁監測點位移量較小，大橋處于穩定狀態，監測精度達到0.1 mm，滿足了當代大橋監測的要求。本文利用GBInSAR技術對大橋進行了高精度監測，為GBInSAR技術的推廣應用提供了案例參考。

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1672-4623（2017）07-0097-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.029

戚斌，碩士，高級工程師，主要從事交通工程的測繪與管理研究。

2016-04-26。

項目來源：湖南省重點實驗室開放研究基金資助項目（PHLHD201311）。