变形监测的若干新技术

变形监测的若干新技术秦滔摘要：主要介绍了光纤监测技术、卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术及GPS伪卫星组合定位技术在变形监测中的应用，同时分析了使用这些新技术的优势和应用前景。关键词：变形监测GPS伪卫星组合定位光纤监测合成孔径雷达差分干涉测量Abstract:Mainlyintroducethefiber-opticmonitoringtechnology,D-InSARandintegrationofGPSandPseudolitepositioningtechnologyintheapplicationofdeformationmonitoring,andanalysisoftheuseoftheadvantagesofthesenewtechnologiesandapplications.Keywords:deformationmonitoringintegrationofGPSandPseudolitepositioningfiber-opticmonitoringD-InSAR1引言我国的变形监测工作起步于20世纪50年代，经过半个世纪的发展，形成了完成的理论体系和技术方法。尤其近20年来，许多大型工程开工建设，各种先进的仪器设备飞速发展，变形监测工作也取得了很大的进步。早期的变形监测，主要采用精密的光学测量仪器进行观测，例如精密水准测量、经纬仪、垂线及视准线等。随着电子仪器的发展，应变计、无应力计、测缝计、钢筋计、测压计、渗压计等广泛应用于变形监测中。另外，用于监测环境量的电子温度计、水位计等也开始使用。电子计算机的广泛应用和发展，促使变形监测工作提高效率，走向自动化、智能化之路，尤其是全站仪、GPS等先进仪器出现，计算机技术不断发展，数据处理技术不断优化，变形监测工作走上了数据采集、传输、存储、处理自动化的道路。近年来，变形监测工作中又出现了若干新的技术方法，这些新技术拥有广阔的应用前景，本文主要介绍以光纤传感器为基础的光纤监测技术、以卫星合成孔径雷达为基础的差分干涉测量技术（D-InSAR）及以GPS伪卫星组合定位技术在变形监测中的应用。2光纤监测技术光纤技术是一种集光学、电子学为一体的新兴技术，其核心技术是光纤传感器。广义上说，凡是采用了光纤的传感器都可称为光纤传感器，它主要可分为两种类型，即传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。传光型光纤传感器已在数字通信领域有了广泛的应用，在变形监测自动化系统中也常使用其来传输数据，而传感型光纤传感器，可用于测量温度、渗流等外部环境变化，也能测量位移、应力、应变等变形量。光纤传感器系统由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调器组成，其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。国内外工程变形监测领域主要的光纤传感器主要包括光纤Bragg光栅传感器（FBG）、Brilliouin光时域反射计（BOTDR）、Fabry-Pérot空腔传感器（FPI）及SOFO点式光纤传感器等。FPI和SOFO分辨率高，但受信号传输和解调技术的限制，布点数量有限，还不能从根本上突破点式测量的局限，比较适用于结构重点部位的监测。分布式的BOTDR可对结构进行大范围监测，但分辨率较低，测得应变是所在位置后面一定距离（空间分解率）的平均应变值。FBG不仅分辨率高，所测的应变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。目前，光纤技术已从初期的单纯温度监测，发展到渗流监测、应力应变监测、位移监测等多个方面，例如：渗漏定位监测、裂缝监测、混凝土应力应变监测、动应变及结构振动监测、岩石锚固监测（锚杆及锚索预应力监测）、钢筋混凝土薄体结构物受力监测、混凝土固化监测、钢筋锈蚀监测、温度与渗流的耦合监测等。与传统技术相比，光纤监测技术具有独特的优越性:(1)光纤传感器以光信号作为载体，以光纤作为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，光纤传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点；(2)光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；(3)光纤传感器灵敏度高，可靠性好，潜在故障大大低于传统技术；使用寿命长，具有良好的性能价格比；(4)可以准确地测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，监测效应量分布连续，成果直观，有助于实现动态监控。3卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术20世纪70年代末发展起来的卫星合成孔径雷达差分干涉测量技术（DifferentialSARInterferometry，D-InSAR），为地表沉陷变形实时动态监测提供了新的手段。其利用雷达复信号中的相位成分，作为附加的信息源来获取地形三维特征。与常规测量方法相比，差分干涉测量监测地表沉陷，具有区域大、快速、准确等优势，是水准测量和GPS测量的有益补充。从国内外研究来看，D-InSAR技术在监测较大幅度垂直变形方面，已有一些成功的例子，在地震、地下水过度开采等方面造成的地表沉陷变形均有应用。星载SAR系统所获取的影像中，除了包含地面分辨单元的雷达后向散射强度信息以外，还包含了与斜距有关的相位信息，形变信息的获取就是利用其中的相位信息。通过覆盖同一地区的不同时间获取的多幅SAR影像来获得干涉图像，相同的相位差值会在干涉图像中形成干涉条纹。如果在两幅影像获取的时间段内，发生了地表的变形移动，干涉图像中的干涉条纹则主要由地形效应和地表变形所造成，则：(1)式中，m为主从影像对应相位相减所获得的相位差，d为地表变形移动所形成的相位差，t为地形起伏所形成的相位，a为大气条件所造成的相位延迟，n为噪声所引起的相位变化。D-InSAR就是通过去除地形、大气和噪声等干涉相位信号的影响，来提取和分离出地表形变信息。一般来说，对于大气影响所造成的相位延迟，多通过相位累积法和直接校正法去除。而对于噪声所引起的相位变化，可以在干涉处理过程中，采用滤波方式来抑制其对差分相位的影响。因此，为了从干涉图像中获得地表移动变形信息，非常重要的一步就是移除地形效应产生的相位信息。目前，根据移除地形效应方法的不同，可以将提取地表形变信息的方法分3种。(1)两轨法。使用两个雷达图像和一个外部数字高程模型，称为“两轨”方法。指导思想是利用已有的DEM数据，模拟地形相位和干涉处理生成地形相位来消除地形影响。在移除地形相位之后，可以得到地表形变所造成的差分相位；(2)三轨法。为了获得地形效应产生的干涉图像，需使用第三张雷达影像。使用三个雷达图像形成两个干涉对，一个为地形干涉对，用来获得地形形变之前的地形信息；另一个为地形2形变对，通过处理获得地形变形信息；(3)四轨法。使用四个雷达图像形成两个干涉对，称为“四轨”方法。实质natdm上，“两轨”和“四轨”方法是相似的，只不过是后者使用干涉的方法产生去除地形影响所需的数字高程模型，而“三轨”方法无须产生高程模型，直接使用地形干涉对的相位从地形形变对中去除地形影响。4GPS伪卫星组合定位技术GPS测量技术在变形监测已得到广泛的使用，GPS定位的精度、可用性以及可靠性主要取决于跟踪到的可见星数目其分布的几何图形这两个重要因素。对于城市高楼密集区和位于深山峡谷的水库、电站、矿山等环境，由于受到地形及周围环境的影响，接收到的GPS卫星数目通常不能满足定位的最低要求，而且分布不均匀，导致GPS定位精度大大降低，限制了GPS在以上领域的应用。此外，GPS在垂直方向上的定位精度较差，通常是水平定位误差的2~3倍，不能满足大坝、桥梁和高层建筑等安全监测的要求。近年来发展的伪卫星增强GPS定位方法是解决以上问题的一条有效途径。伪卫星，又称“地面GPS卫星”，是从地面某特定地点发射类似于GPS信号来增强GPS导航定位性能，伪卫星采用的导航电文格式与GPS基本一致。并可根据需要安装在适当的位置，以改善可见星的数目及分布情况因此，对于在室内、地下、遂道等某些无法接收到GPS卫星信号的场合，伪卫星可以完全替代GPS卫星定位。因此，对于许多的内部变形监测，可以使用此种组合定位的方法完成。近几年来，将伪卫星增强GPS技术应用于精密定位领域受到广泛重视，并成为形变监测领域中的一个新的研究热点。伪卫星载波相位观测方程的建立与GPS载波相位观测方程一致，也存在伪卫星始终偏差、位置偏差、多路径效应、对流层误差等影响，尤其是多路径效应，伪卫星信号沿地面传播，受多路径效应影响较大，因此，需要进行一些特殊的处理才能削弱多路径效应影响。通过伪卫星和GPS的组合定位可以大大改善卫星的几何布局，从而提高定位精度。试验表明，在不利的观测条件下，当对伪卫星多路径误差进行校正后，GPS伪卫星组合系统的定位精度可达到1mm。5小结变形监测的技术和方法随着各种先进仪器，先进方法的使用，正发生着深刻的变化。传统的变形监测手段在当今大型工程大量建设的情况下，已不能满足变形监测自动化、智能化的要求，而变形监测的新技术、新方法不仅自动化程度高，而且具有较高的精度，其中，光纤监测技术由于其光纤特性，不仅能在复杂的环境下使用，还能保证不破坏建筑的内部结构，测量多种监测量；D-InSAR技术适用于大范围的变形监测，弥补了传统方法中多以点为监测单位的不足；GPS伪卫星组合定位不但精度高，还很好地解决了GPS无法进行工程建筑物内部监测的问题，为GPS测量打开了新思路。参考文献：[1]华锡生，田林亚.安全监测原理与方法[M].河海大学出版社.2007年[2]赵星光，邱海涛.光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用[J].岩石力学与工程学报.2007,26(3)[3]张森，王臻等.光纤传感技术的发展及应用[J].光纤与电缆及其应用技术.2007,3[4]梁沛华，何金平.大坝安全监测若干新技术[J].装备制造技术.2008,2[5]王行风，汪云甲，杜培军.利用差分干涉测量技术监测煤矿区开采沉陷变形的初步研究[J].中国矿业.2007.7[6]何秀凤等.GPS伪卫星组合定位方法及在变形监测中的应用[J].南京航空航天大学学报.2007,39(6)