地基SAR在建筑基坑監測中的應用

陳耀輝

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300143)

隨著我國國民經濟的高速發展，各種超大型建筑不斷涌現，這就對超大型建筑的安全施工和安全運營提出了更高的要求，對其施工過程進行高精度監測就顯得尤為重要[1]。常規的形變監測手段有全站儀、水準儀、GPS、三維激光掃描儀等[2]，這些常規測量手段雖然適用性廣，但缺點也十分顯著，如野外工作強度大、效率低、危險性高等[3]；受多路徑效應、電磁波干擾等影響，GPS定位精度不穩定；三維激光掃描技術施測方便快捷，但測量精度較低。

近年來，隨著SAR(Synthetic Aperture Radar)技術不斷發展，其應用范圍也不斷擴大。龍四春[4]從地基SAR的基本原理出發，介紹了該技術在形變監測中的發展前景；劉學敏[5]和黃其歡[6]以實際工程為例，認為地基SAR在水利工程變形監測中可以獲得優于毫米級的連續形變信息；王鵬[7]以某酒店大樓的變形監測為例，論證了地基SAR可以獲取目標區域的高精度形變信息。地基SAR采用新型主動微波遙感技術，可以獲得監測目標區域微小的形變量[8-9](亞毫米級或者0.01 mm)，不需要接觸目標區域，儀器安放簡單，數據采集方便[10]。以某地下停車場的建筑基坑工程為例，使用Fast GBSAR對該建筑基坑壁進行持續觀測，而后使用改進后的限幅濾波法對觀測結果進行處理分析。

1 Fast GBSAR基本工作原理

Fast GBSAR由意大利MetaSensing研發，是一個高精度、高分辨率的地基SAR系統。該系統包含兩種監測模式，即SAR模式和RAR模式。RAR模式下，可以進行橋梁、高塔、風力發電機等建筑物的靜態監測以及動態結構變形健康監測。SAR模式下，設備安裝于可以滑動的導軌上，可提供距離向和方位向的雷達影像，用于露天礦、大壩、滑坡等人工設施及自然邊坡的變形監測[11-12]。

距離向分辨力是地基SAR監測目標形變時一個非常重要的指標，更高的距離向分辨力可以更高效地了解監測目標的位移情況[13-14]。Fast GBSAR采用步進頻率連續波技術來提高監測影像的距離分辨力。步進頻率連續波由一系列線性變化的連續信號組成，可以提高影像的分辨力，降低信號處理機瞬時帶寬要求[15]。

圖1 步進頻率連續波示意

Fast GBSAR的主機設備采用16.6 ～16.9 GHz的Ku波段雷達，由式(1)可知，Fast GBSAR的距離分辨力為0.5 m，也就是說，對于待監測目標，在雷達觀測方向相距0.5 m以上的監測點可以在雷達影像上區分。

(1)

式中，c為光速，τ為單個脈沖的持續時間，B為帶寬。

在觀測過程中，對監測目標連續采樣，通過計算相鄰反射波的相位差推算出監測目標的位移量，相位差與位移變化關系如式(2)所示。通過這種干涉測量技術，可以使Fast GBSAR比較容易的探測到亞毫米乃至0.01毫米的形變量。

(2)

2 Fast GBSAR基坑監測實驗

2.1 監測設備安裝及參數設置

如圖2所示，Fast GBSAR監測設備安裝于被監測基坑壁對面兩個固定的石墩上，在基坑壁上均勻安裝了5個永久反射體裝置，以便于在影像上可以快速找到監測點并了解其形變信息。施測前應調整安裝角度以及安置位置，確保永久反射體裝置在雷達觀測區域內。

圖2 Fast GBSAR設備工作圖

采集參數如表1所示。

表1 Fast GBSAR采集參數指標

在監測期間，基坑依然處于施工階段，并且有混凝土泵車不斷地向基坑內注入混凝土。為了得到真實有效的監測效果，觀測過程中的影響因素及時點都需要記錄下來，以便于在數據處理階段分析剔除。

2.2 Fast GBSAR數據處理

Fast GBSAR監測設備自11月30日12:07開始觀測，歷經一個晝夜的不間斷持續觀測，至第二日6:32結束，歷時18 h25 min。在此觀測期間，自采集工作開始至11月30日19:00，基坑一直處于施工狀態，工人的來往以及施工器具會對觀測造成影響。自19:00至觀測結束(次日6:32)，建筑基坑屬于未施工狀態，在此時間段內得到的觀測數據無人為干擾。

使用Fast GBSAR的配套軟件SePSI進行處理分析，處理流程如圖3所示。首先將采集到的數據文件進行聚焦處理并提取觀測相位，而后對不同時刻相位的變化進行干涉處理，分析處理后的時間相干性圖、振幅離散度圖(如圖4)，選取質量效果最好的PS點進行固定點氣象矯正，得到5個永久反射體的位移變化(如圖5)。

圖3 Fast GBSAR基坑監測流程

圖4 時間相干和振幅離散

圖5 PS點位移變化

3 改進的限幅濾波法應用

3.1 傳統限幅濾波法

傳統的限幅濾波法又叫程序判斷濾波法，如式(3)所示，通常指根據經驗判斷，確定兩次采樣值允許的最大偏差為A，每次檢測到新值時判斷如下：如果本次采樣值與上次觀測值之差小于等于A，則保留本次值為有效值，如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效，用上次觀測值代替。

(3)

利用Matlab，將傳統的限幅濾波法編程實現并應用于圖5所示的5個PS點，濾波前后PS點的位移變化如圖6所示，可見限幅濾波后PS點的位移變化失真。限幅濾波法的優點是可以克服因為偶然誤差引起的干擾，但圖6的對比表明，限幅濾波法并不能達到理想的效果。

圖6 PS點原始位移(上)和限幅濾波后的位移(下)

分析原因可知：若X(1)…X(t)變化均勻且為常數，X(t+1)-X(t)=A-(1/∞)；X(t+2)-X(t+1)=A-(1/∞)，若經過兩個點的突變,則將出現圖6所示結果。究其原因，是因為有兩個未達到臨界值的突變點，突變過后又回至正常情況。

3.2 改進的限幅濾波法

限幅濾波法的應用需要注意兩點：一是相鄰點變化閾值的確定，因為閾值選取的大小決定了限幅的質量高低，體現了對偶然誤差剔除的能力，倘若閾值選取不當還可能對正常數據產生影響；二是怎樣輸出才能避免限幅后的信號失真。

選取有人為干擾的122幅觀測影像進行解算后，利用MATLAB的統計分析功能統計出5個PS點在不同采樣間隔內的位移量，從而確定限幅濾波法的閾值。對沒有人為影響的觀測時段位移統計如表2所示，從表2中可以看出，當閾值選取為0.4 mm時，可以有效消除掉白天人為施工的影響。

表2 同一點相鄰像元位移變化統計

為了解決連續穩定變化點引起的后續信號失真問題，采用了比較簡便的線性插值法。具體流程如圖7所示。

圖7 改進后的限幅濾波法流程

基于改進后的限幅濾波法，對5個原始PS點的觀測數據進行限幅濾波，處理前后的位移統計如表3所示。由表3可見，經過改進的限幅濾波法可以有效剔除觀測數據中相鄰像元大于0.5 mm的位移突變點，保證了觀測數據的穩定性。

表3 處理前后相鄰像元位移變化統計

4 結論

地基SAR技術在基坑的形變監測中易受到施工因素的影響，無法真實有效地反映出基坑的位移情況。采用基于Matlab的統計分析功能以及線性插值的方法對地基SAR的觀測數據進行濾波處理，可以有效剔除受外界因素影響導致的相鄰像元大于0.5 mm的數據突變點，保證觀測數據的真實穩定性，更加真實地反映出基坑的形變特征。