地基干涉雷達IBIS-S應用于橋梁微變形監(jiān)測的測量精度影響因素研究

李相松

摘 要：對地基干涉雷達IBIS-S的基本參數(shù)和工作原理進行了介紹，主要研究其應用于橋梁監(jiān)測時作業(yè)環(huán)境和檢測距離對精度的影響。研究表明：地基干涉雷達測量精度在不同的外部環(huán)境下差異較大，相對干燥環(huán)境（陸域）條件下地基干涉雷達測量精度高于濕潤潮濕環(huán)境（水域）;地基干涉雷達的測量誤差隨著測量距離的增加而遞增，100 m檢測距離范圍內，檢測精度可以達到優(yōu)于0.1 mm的水平。

關鍵詞：IBIS-S地基干涉雷達;橋梁;檢測環(huán)境;測量距離;精度

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A

0 引言

在變形監(jiān)測領域，地基干涉雷達作為一項新型監(jiān)測設備，其采用微波技術進行非接觸檢測。區(qū)別于GPS-RTK、全站儀、水準儀等單點采樣設備，其主要采用干涉測量及步進頻率波技術，能同時獲得精度和分辨率較高的面狀區(qū)域群點檢測信息，動、靜態(tài)高精度監(jiān)測地面目標。IBIS-S地基干涉雷達由意大利公司IDS研發(fā)，其通過非接觸式測量面狀目標，獲取變形信息，進而分析的得到監(jiān)測范圍空間內的變形情況。基于非接觸面狀區(qū)域測量的快速、高效，以及測量的高精度優(yōu)勢，IBIS-S地基干涉雷達可以有效地應用于橋梁、隧道等公路建構筑物的微變形監(jiān)測中[1]。

測量儀器應用效能受限的一項關鍵因素是測量誤差及其來源。IBIS-S采用的雷達波為微波，通過理論分析，傳播的環(huán)境介質對其傳播過程影響較大;公路領域的工程實踐應用表明，隨著探測距離的變化，其檢測精度隨之變化。所以，本文通過江蘇省002省道秦淮河大橋實地試驗、理論和數(shù)據(jù)后分析的形式研究了靜態(tài)模式下影響IBIS-S測量精度的檢測環(huán)境和測距兩項影響因素。

1 IBIS-S簡介

IBIS-S地基干涉雷達集成了合成孔徑雷達、干涉測量和SF-CW步進頻率連續(xù)波等技術。有效探測距離最大可以達到1公里，靜態(tài)模式下，擁有0.1 mm標稱精度，可實現(xiàn)50 cm級的距離分辨率和200 Hz級的目標信息采樣頻率。

IBIS-S主要基于對監(jiān)測目標前后兩次采樣獲得的變形信息電磁波相位差異，分析計算變形量，即：

式中，為兩次采樣的前后位移，為測量前后兩次的相位差，為波長。

2 介質環(huán)境對精度的影響

IBIS-S發(fā)射和接收的微波通過大氣傳播時，由于環(huán)境介質密度變化等因素影響，容易導致微波發(fā)生折射。

所以在外部不同的環(huán)境下，IBIS-S測量精度有所不同。在大型橋梁的微變形監(jiān)測中，IBIS-S發(fā)射和接收的微波在水域上方濕氣較大的環(huán)境下通過時更容易產(chǎn)生折射，進而影響測量精度。所以分別取水域臨空段和陸域（引橋遠水段）地點對大橋固定目標進行試驗測量，并對測量精度開展對比分析。

試驗方案如下：在0.02 mm級分辨率的游標卡尺上固連角反射器，可定量同步滑動，進行對比分析。分別取臨水域測點和陸域（遠水域）地點對大橋固定目標進行試驗測量，測量距離分別為100 m和200 m。在特制支架上安置兩個角反射器，單次移動3 mm～4 mm，連續(xù)進行7次，最后將IBIS-S測得的變形值取平均值。結果見圖1和圖2所示。

IBIS-S在陸地干燥環(huán)境和水域潮濕環(huán)境下的測量精度如表1所示。從表1可以看出，環(huán)境的不同對IBIS-S測量精度影響明顯。100 m測量距離時，IBIS-S陸地環(huán)境測量精度為±0.1 mm，在水域環(huán)境中為±0.13 mm的測量精度;200 m測量距離時，IBIS-S陸地環(huán)境的測量精度為±0.32 mm，在水域環(huán)境中為±0.57 mm的測量精度。試驗結果可知，水域環(huán)境相比于陸地環(huán)境，IBIS-S的測量精度較低;距離越長，水域影響越大。由于IBIS-S使用的微波經(jīng)過水域潮濕環(huán)境時，容易發(fā)生散射、反射、折射，水域環(huán)境的大氣濕度較大，對IBIS-S測量精度產(chǎn)生不利影響。

3 距離對測量精度的影響

為研究IBIS-S測量精度受測量距離的影響，同樣在游標卡尺上固連角反射器，通過定量滑動開展比對分析。試驗在橋梁引橋陸域開闊位置進行，為減少環(huán)境因素對測量精度的影響，采用穩(wěn)定點校正法[2-4]。設置A角反射器和B角反射器，其中A角反射器設置為穩(wěn)定點，固定不動;B角反射器設置為移動目標，固連游標卡尺，單次移動游標卡尺2 mm。分別設置測量距離為50 m、90 m、120 m、215 m、315 m和375 m，其中90 m測量距離時的測量結果如圖3所示。

由試驗可得IBIS-S在不同測距條件下的測量精度見表2所示。可以從表2看出，隨著測距增加，IBIS-S測量誤差遞增，測量數(shù)據(jù)質量遞減。在開闊陸地條件下，小于100 m的測距下，IBIS-S可以達到±0.1 mm的測量精度;測距在100 m～200 m時，可以達到優(yōu)于±0.25 mm的測量精度水平;測距為200 m～400 m時，可以達到優(yōu)于±0.5 mm測量精度水平。

4 結語

IBIS-S地基干涉雷達作為新型變形測量監(jiān)測儀器，可達到±0.1 mm靜態(tài)標稱精度，逐步開始應用于大型橋梁及其他構筑物的變形監(jiān)測中。但其使用的微波易受測量環(huán)境的影響，不同測量環(huán)境下測量精度差異明顯;并且測距的變化對測量精度的也有影響。本文對影響IBIS-S測量精度的兩個因素（環(huán)境和測距）進行了研究。研究結果表明，相比于陸地環(huán)境，在水域環(huán)境下IBIS-S測量精度明顯低;隨著測距增加，IBIS-S測量誤差遞增，100 m測距范圍內測量精度優(yōu)于±0.1 mm。

參考文獻：

[1]徐亞明，王鵬，周校，等.地基干涉雷達IBIS-S橋梁動態(tài)形變監(jiān)測研究[J].武漢大學學報（信息科學版），2013，38（07）：845-849.

[2]刁建鵬.微波干涉測量在高層建筑動態(tài)監(jiān)測中的應用[J].振動與沖擊，2010，29（11）：177-179+261.

[3]徐亞明.地基雷達干涉測量的環(huán)境改正方法研究[J].大地測量與地球動力學，2013，33（03）：41-43+51.

[4]華遠峰，李連友，胡伍生，等.地面雷達靜態(tài)微變形測量環(huán)境影響改正方法研究[J].東南大學學報（自然科學版），2013，43（S2）：428-432.