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第1页共12页IBIS-L紫平铺大坝外型变形监测初步结果一、IBIS-L简介IBIS-L是一种基于微波干涉技术的创新雷达；是意大利IDS公司和佛罗伦萨大学6年长期合作研究的结果。微波干涉测量是一项全新技术，它是在人造卫星和陆地激光扫描的基础上，对可靠性、精度等的改进，可以应用于对建筑物和地形的静态监测。利用SAR（合成孔径雷达）技术，IBIS-L能够提供对目标物的变形量提供高精度的监测。设置一个针对高敏感区域的固定监测基站之后，IBIS-L就能进行连续、全面的实时监测，为研究和决策制定提供支持；在一系列不同的预设基站实施监测，便可以得到对同一目标区域的不同时段不同角度的多点监测结果；把仪器置于同一基站，则可以得到在整个监测期间目标区域的位移变化的不间断监测结果。同时，IBIS-L拥有功能强大的软件系统，整个过程的操作和数据的后期处理非常简便。使用IBIS-L，无须接近目标区域就可完成快速、高精度的测量；操作全自动；并且可以24小时不间断监测。用途IBIS-L是一种用于减轻山体滑坡和山崩危害、沉降危害、雪崩危害等的高级远程监控技术，它可广泛用于山体、坝体、地表和雪面等缓慢位移的监测。1、坝体监测：◆大坝坝体、水工建筑、水库边坡监测2、山体滑坡和山崩等自然灾害研究：◆山体表面变化和不稳定边坡观测◆山体滑坡和山崩运动的测量◆斜坡稳定性和火山灾害的监测3、地形和地表等的观测：◆地形变形观测◆地表和基础的沉降观测4、雪崩和雪块、冰河监测：◆雪崩运动和地表变化的测量，冰河监测◆雪块和冰河的稳定性、体积评估◆雪崩预测IBIS-L对于地面运动物体的精确测量，使理解不稳定斜坡动力学特性、评价地质灾害和监测山体、坝体运动危害点等成为可能；对于自然灾害的研究、预测和防治意义深远！第2页共12页特点◆遥测距离可达4千米，无须在目标区域安装传感器，无须进入目标物◆位移测量精度达到0.1毫米◆全目标24小时连续监测◆可以在相同或不同时间间隔内测量同一表面◆图像采集时间短,允许每5分钟采样一次◆在天线波束达到的范围内同时获取信息(一般有几平方千米)；通过解析几平方米的象素信息，可以得到局部的位移◆运输和安装简洁方便，操作全自动，控制和处理软件的功能强大◆即使在比较恶劣的天气条件下也能够提供几乎连续的扫描主要硬件图1传感器单元图2线性扫描器单元图1为传感器单元，包括：图2为线形扫描器单元，包括：＊信号发射器和接收器＊2m铝轨＊频率扫描和传感器位置间的同步控制器＊步进电机＊位置编码器图3能量供应单元图4记录和处理单元图3为能量供应单元，包括：图4记录和处理单元，包括：＊2个12V直流、130Ah的电池＊带SW控制软件的个人电脑＊光电太阳能12V直流输入＊220V交流输入控制和处理软件控制和处理软件SW：静态参数设置动态参数设置第3页共12页IBIS系统控制和处理软件SW有如下功能：◆设置测量参数◆控制测量◆查看初步结果◆控制系统状态图5参数设置面板图6干涉图样面板图5和6分别为系统控制和处理软件SW的几个界面。使用SW软件，可以根据测量的实际情况，方便、自主地设置和控制参数。SW软件还可以根据需要生成多种图表文件。如：位移图、能量图、单象素点实时位移图等等。图7位移图图8单象素点实时位移图8是使用SW软件得到的单象素点实时位移图，即为图7中一个位移较大的象素位移-时间曲线。工作原理IBIS-L系统是步进频率连续波（SF-CW）和合成孔径雷达（SAR）技术的结合，具有干涉测量的能力。这两种技术确保了IBIS-L系统拥有极高的距离向分辨率和横向分辨率。SF-CW技术以不同的步进频率，在一段时间内连续发射一组（n个）电磁波，如图9所示。距离分辨率，其中为光速，为系统Bc⋅=2cB带宽。因此，距离分辨率的大小与测距无关。IBIS-L系统在它的最大探测范围内，距离向分辨率可达到50cm。图9SF-CW工作原理图配置按钮测量信息测量控制选择点的象素位移Bf第n个频率y象素图10能量图使用SAR技术处理系统从不同观察角度向定器轨道上运动时，好比米轨道运动的所有信息，横向分辨率=角分辨率×分辨率的大小与测距有关第2页共12页干涉图干涉图civ2501001502002503001002003004005006007008009001000civ3501001502002503001002003004005006007008009001000图像图像11图像图像22()nnnnIIIntφΔ=∗=+*1arg图12被动雷达反射器图12为被动雷达反射器（即角形反射器）。一般在以下两种情况下需要安装。◆对预先确定点的位移进行采样时◆在被监测目标（如建筑）的反射率很低的情况下，为得到较合适的信噪比和良好的位移精度干涉测量技术把同一地区，不同时间的合成孔径雷达图像结合起来，通过比较目标体在不同时刻的反射波相位，得到目标体的位移信息（如图11所示）图11干涉图的形成第3页共12页主要仪器参数说明：◆IBIS-L的空间分辨率包括距离向分辨率和横向分辨率。距离向分辨率为0.5米，与测距无关；横向分辨率=角分辨率×测距，角分辨率为定值（4.5mrad），故横向分辨率与测距有关。◆位移精度一般可达到0.1毫米。IBIS-L的测量精度不仅与设备的精度有关，更与所使用的对大气引起的偏差的修正技术密切相关。IBIS-L现已完成的测量精度的总准确度达到0.1毫米。◆图像采集时间一般小于等于6分钟。天线沿2米轨道运动占了其中大部分的时间。IBIS-L的图像采集时间与系统的横向分辨率密切相关：减小或增大图像采集时间，意味着横向分辨率相应变低或变高。二、IBIS-L大坝监测实施方案IBIS-L的设计理念是能够一次完成对整个坝体的监测，因此首先要选取合适的架设位置使得设备能够监测到整个坝体。紫平铺大坝坝高共156米，经过计算，IBIS-L架设的位置距离坝顶的距离为800米，并且和大坝底部基本处在同一个水平面上。如下图主频Kuband位移精度0.1mm雷达类型SF-CW图像采集时<=6min平台地面带宽300MHzSAR性能是安装时间<=2h干涉测量性是能量供应12V直流或电射程[0.2-4.0]Km大小250x100x100空间分辨率距离分辨率：0.5m重量100Kg横向分辨率：[0.2-4.0]×4.5mrad耗电量70W第4页共12页图13、IBIS-L架设位置IBIS-L位置图14，IBIS-L相对于大坝位置如上图所示，IBIS-L在该位置上能够对整个坝体的外型变形进行监测。IBIS-L架设在大坝的下游面，在设备和大坝之间基本没有遮挡物，保证设备所架设位置的稳定，这样就能够测得准确的结果。第5页共12页三、初步结果IBIS-L参数设置1、电磁波反射能量图IBIS-L是通过发射并接收电磁波，运用高频电磁波的相位差对目标物的微小变形进行监测，因此需要根据电磁波的反射强度来决定其中一点的数据准确性如何。[dB]IBIS-L到大坝坝体距离中间部分[m]550-780IBIS-L主机离地高度[m]0.40天线倾角[度]5雷达波主覆盖角度(-3dB)[度]34采样频率[一小时采样次数]10总监测时间[小时]15距离向分辨率[m]0.5角度向分辨率[mrad]4.5最远监测距离[m]1700紫平铺大坝基岩部分厂房第6页共12页图14、监测区域电磁波反射情况在该图中，电磁波的反射情况得到很好的解释。图中将整个监测区域内的所有反射物的情况都记录了下来。在右侧图例中将美中颜色所代表的反射情况大小表示出来。为了能够更加清晰的得到大坝区域的反射情况，将其中的大坝部分进行放大，如下图图15、大坝反射情况示意图在上图中，大坝中的每一个部分都显示的非常清楚。现将IBIS-L所得到的图和大坝照片进行比较。在图中大坝的楼梯和马道都清晰可见，这样就很同意将图中得到的变形情况和大坝的实际情况结合起来。岷江江岸第7页共12页ZiPingpudamdrawing从图中可以看出，大坝区域的各点的信噪比大部分在15dB之上，这就为得到最终准确的结果提供了良好的基础。2、估计信噪比电磁波的反射情况是得到准确结果的前提，但这不是惟一的条件，还要有其他因素的影响。估计信噪比就是其中的一个，它代表着电磁波的稳定性。第8页共12页图16、大坝电磁波稳定性示意图在上图中可以看出，大坝区域的估计信噪比值都比较大，这也为得到整个大坝区域变形结果提供了前提。3、目标点的相关性一般情况下，岩石的电磁波反射情况相对较好，植被的反射情况相对较差。在IBIS-L中要通过目标物的相关性来判定该点的稳定性。图17、大坝区域相关性示意图相关性的最大值为1，最小值为0。相关性的值越接近于1，代表这个点的反射稳定性第9页共12页越好。在图中可以看出，整个大坝区域各点的相关性值均接近于1，这也是得到准确结果的保证。4、区域位移图IBIS-L得到的最终结果是整个区域每个点的变形情况，这些点的变形量在位移图中予以显示。由于IBIS-L所采取的是长时间的实时监测，在整个监测过程中，气温、湿度等的变化会对整个探测结果造成一定的影响，因为在不同的环境下电磁波的传播速度不同。为了能够得到最终的准确结果，需要在整个监测区域内选取若干稳定点，也就是整个坝体的基准点。通过这些基准点对最终结果进行校准。图18、大坝的区域位移图为了能够准确的校准气候对大坝监测的影响，需要在大坝区域内选取一个稳定点，通过这种方法去掉气候变化所带来的影响。[mm]校准点图19、大坝区域位移图及校准点位置在右侧图例中，不同的颜色表示不同的位移量，在图中将各点的变形情况和变形量联系起来。通过图中可以看出，整个坝体区域的变形情况在零点几毫米左右。5、点位移图通过区域位移图能够对整个区域的变形情况有一个宏观的掌握，此外还可以得到其中任意一个点的变形情况。第10页共12页GCPPP1P2P2P2P77P13P12PPPPP1PP2PPPGCGC[mm]图20、观测点在大坝上的分布21:0000:0003:0006:0009:0012:00-5-4-3-2-1012345Time[hours]LOSDisplacement[mm]P1P2P3P4P5P6P7P8P910图21、每个点的点位移图通过对每个点的变形情况进行观测，每个点的变形量均在1毫米以内，变化量相对较小。在整个区域内可以任意选取一个点进行进一步观察，在点位移图中可以非常明显的看出每一个点在监测时间内的变形情况。四、结论通过对上述结果的观察，可以基本判定大坝在整个监测时段内是非常稳定的，只是大坝随着气温的变化而出现了些许变化。并且，在准确的进行气候的校准之后，IBIS-L能够很好的完成大坝的外形变形监测任务。