地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中的应用分析
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【摘 要】在变形观测过程中，水利工程变形监测问题属于热点问题，文章从测量原理和测量工具等方面入手，探讨和分析地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中的應用，获得坝体表面特征点视线向时间-位移关系，并且通过实验说明地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中具有广泛的应用前景。
【关键词】地基雷达系统IBIS-L;大坝变形监测;应用分析
【中图分类号】TV698.11;TN959【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2019）03-0151-02
随着我国水利工程的快速发展，出现了一批重点水利项目。在项目建设期间，为了深度掌握水利工程的稳定性，需要对工程变形情况进行预测。现阶段，在观测工程变形时所应用的方法主要有地面测量、空间测量及摄影测量。由于上述变形观测方法均存在不足与缺陷，无法满足工程变形检测要求，因此必须开发研究新型变形监测方法。
1 地基雷达系统IBIS-L分析
地基雷达系统在获取监测区域观测图像时，主要利用微波探测成像方式实现，通过合成孔径技术和步进频率，能够全面提升方位与距离的分辨率，能够解决星载合成孔径雷达影像不足的问题，避免其受到时空失相问题的影响，利用干涉技术能够提升变形监测精度。通过雷达技术能够对被测物表面的微小变形情况进行精确测定。IBIS-L可以应用到远距离监测目标的位移监测中，通过微波干涉技术实现变形监测。IBIS-L的遥测距离长达4 km，测量精度小于0.1 mm。相比全站仪和GPS测量技术，IBIS-L能够全面覆盖整个监测环境，并且能对监测区域的变形规律和原理进行分析，降低事故发生率。地基雷达系统IBIS-L主要结合干涉测量技术，合成孔径雷达技术和连续波技术，利用合成孔径能够获得监测区域二维影像，并且利用干涉技术获得相位变化情况。
（1）步进频率连续波技术：该项技术主要是以不同频率在一段时间内所发出的电磁波实现变形监测，利用步进频率连续波技术能够确保电磁波的远程传输，还可以给予雷电较高距离分辨率。
（2）合成孔径技术：从本质上看，此项技术应当归入多普勒分析技术中，利用运动的雷达在同一距离单元中不同的方位向散射体之间小的多普勒频移的差别来提高方位维的分辨率。简言之，合成孔径技术就是通过小天线运动来等效长天线运动，因此称之为合成孔径。
（3）大气扰动影响因素分析：①频谱质心不相同所导致的去相干;②基线去相干;③时间去相干，包括重访周期内受到大气条件和温度所导致的去相干。由于星载In合成孔径雷达技术和地基In合成孔径雷达技术在获取地表形变上所应用的技术不存在基线，因此可以忽略星载In合成孔径雷达技术和地基In合成孔径雷达技术的去相干，大气条件所导致的时间去相干已经成为地基In合成孔径雷达技术加强变形观测精度的主要因素。
2 大坝变形监测实验分析
2.1实验背景
此次监测区域属于地区水库大坝，大坝基础为寒武系灰岩，两岸坝肩上部为灰岩和页岩互层。大坝总库容量为33亿m3，装机容量为120.1万kW。该大坝是双曲重力拱坝，坝顶长642.4 m，坝高149 m，坝顶高程为204 m。
实验观测时间为2017年11月13日至14日，观测时间总计为24 h，共获取256幅合成孔径雷达影像，数据采样的时间间隔为5 min。地基雷达系统IBIS-L设备装置的最大遥测距离为4 km，实验最大观测距离在1 266 m左右，设备安置点地质结构比较稳定。观测点设置在坝体正前方，且设备与大坝间无视线阻碍物，可以对整个坝体和坡岸进行观测。
2.2 分析和处理实验数据
在数据监测之前，分析了地基雷达系统IBIS-L系统监测获得的各项数据。图1为观测区域的雷达反射功率图，从图1中的数据能够看出，监测系统可以获取大坝雷达反射信息，还可以从图1中分辨出江岸、基岩和厂房框架。从信号特征分析图能够得出，大坝坝体表现信噪比大于15 dB，坝体表面相干系数大于0.7，相位稳定性大于3。按照上述分析发现，地基雷达系统IBIS-L系统可以获取大坝坝体表面的雷达反射信息，设备数据采集的可靠性比较高。
此次实验选择在大坝左侧基岩处GCP1作为地面控制点，选择该点的原因主要是在观测时间内无明显变化情况。在坝体上选择若干个特征点，主要设置在坝体上部、中部和下部。
从图2能够看出，在开始观测时间点到17：38，只有部分点坝体稳定性比较高，其余均出现形变量。17：38之后到18：05，经观察发现，靠近雷达方向的坝体出现线性形变问题，在19：12，坝体慢慢恢复到初始状态。等到19：58，坝体靠近雷达方向出现线性形变问题，在次日晨间，坝体靠近雷达方向出现线性形变问题，之后逐渐趋于稳定。至午间之后，由于受到外力作用，坝体产生线性形变问题，在半小时后逐渐恢复到初始化状态。相比于初始化坝体来说，此时坝体出现的形变位移比较小。
为了对比分析地基雷达地基雷达系统IBIS-L所获取的监测数据，在监测期间需要对大坝进行垂线监测，垂线监测方法主要是假设坝底底点为稳定点，地基雷达系统IBIS-L系统所获取的位移值为视线向数据。因此，需要将视线向转化为相对径向，之后对坝体和坝底间位移差量进行计算，再对两种观测结果进行比较分析。通过比较分析发现，视线向与相对径向方法所获得结果的误差在2 mm以内，这主要是由于大气扰动影响所致。比较分析结果可以看出，通过地基雷达系统IBIS-L系统监测大坝变形具有较高的实用性和可靠性，可以有效监测大坝等水利工程的变形问题。
3 结语
综上所述，地基合成孔径雷达技术主要是通过干涉测量技术获取细微变形的有效措施，因此被广泛应用到边坡工程、桥梁工程和大坝工程变形监测中。相比传统变形监测方法，地基雷达系统IBIS-L监测方法具备二维成像、高精度及全天候监测等优势，因此可以被广泛应用到坝体变形监测中。此次研究主要是对水库大坝进行监测实验，获得坝体表面特征点视线向时间-位移关系。通过变形监测结果能够看出，地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中具有广泛的应用前景。
参 考 文 献
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[责任编辑：陈泽琦]
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