基于地基SAR的水坝实时监测系统
张昊宇+胡豪杰
摘 要：目前国内对小型水坝的监控尚未做到自动化与智能化。恶劣天气出现时只能依靠传统的人工巡检，效率低下且危险系数高。本文提出一种基于FMCW地基合成孔径雷达（GB-SAR）的水坝实时监测方法，通过该技术可以对坝面的变形进行实时监测，预测溃堤风险。文中利用GB-SAR对一座人工坝进行了测试，成功预测了水坝的位移。实验证明了基于GB-SAR技术的水坝监测的可靠性。
关键词：地基合成孔径雷达；水坝监测；变形监测
中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）01-0072-02
目前国内的航道和湖泊分布着数量众多的水坝，很多水坝缺乏有效的监管，在恶劣天气下存在垮塌的危险。传统的水坝监测大多依靠人力巡检，这在应对天气快速变化时引起的大坝变形缺乏及时有效的监控，导致溃堤的隐患较高。目前，基于调频连续波（FMCW）技术的地基合成孔径雷达（GBSAR）监测技术已经成为最有潜力的水坝监测手段之一。该技术利用差分干涉合成孔径雷达原理，对坝体表面持续发射并接收电磁波获取二维图像信息。通过对获取图像序列的分析可以获得坝面整体的变形情况。由于采用最新的FMCW技术，图像序列的获取时间可以低至5秒，这与传统的SFCW-GBSAR相比，时效性大大提高，几乎可以做到实时处理。本文利用GB-SAR对一座人工水坝进行持续扫描和数据自动分析，准确地监测了大坝的移动。
1 FMCW-GBSAR系统原理与算法
1.1 FMCW-GBSAR系统结构
FMCW-GBSAR将合成孔径雷达的原理从机载和星载平台移植到地面上，利用大带宽获取距离维的高分辨率，并利用雷达在导轨上的往复运动获取方位维的高分辨率。通过对目标持续发射和接收电磁波信号，并实时处理计算发射接收信号之间的相位差，可以获取目标的变形与微动状态。
1.2 干涉测量算法
2 人工水坝实验
2.1 人工水坝结构
为了对堤坝的变形进行观测，四川大学构建了一套人工坝用以进行大坝监测实验。FMCW-GBSAR利用该人工坝进行了大坝变形测试。由于水坝中存在的高压，水坝的底部及其容易出现渗透和撕裂，尤其是国内分布较多的小型水坝。在水坝底部由于高压会在拦水坝内部形成管道型的裂缝，并开始扩散增大。随着裂缝的增大，水坝将产生溃堤的危险。本实验试图在准确获取大坝微形变的前提下，分析蓄水、泄洪对坝体本身的影响及安全性评估。在坝体前方大约50米处放置FMCW-GBSAR并工作在SAR模式下，以持续观测坝体的变形情况。
FMCW-GBSAR被放置在距离坝体50米，长2米的导轨上，并在控制器的作用下往复运动，每7秒采集一副图像。雷达波束方位向-3B宽度为32°，在50米处的覆盖范围26米，可以覆盖大部分坝体宽度，如图1（a）。该雷达最大作用距离为4千米，因此方位向的最大覆盖范围为2080米。
2.2 实验过程与结果分析
通过对获取的二维图像与坝体的高程模型进行数据融合获取了坝体的持续变化，如图1所示。本实验首先利用反射的信号获取能量反射图寻找到固定PS点，如图1（c）（d），通过对这些PS点的位移进行跟踪监测获取整个大坝的变形情况。FMCW-GBSAR将持续发射并接收电磁波，每7秒获取一张二维图像，并通过对回波信号的实时处理获取坝体的变形情况用以预测溃堤风险。整个实验（蓄水）过程持续2小时，在初始阶段图像采样率设置为1分钟/张，这大大节约了雷达的内存空间和耗电量。在雷达观测到较为明显的坝体变形之后，系统会自动提高雷达图像的获取间隔，达到7秒/张的最高速度。
整个实验获取的各个PS点的曲线图如图2所示。从实验开始直到0.125天时，由于整个大坝没有任何放水与蓄水的活动，因此所有的PS点保持稳定，没有明显的变化。但注意到即使没有明显的变化，这些曲线依然分布着一些类似于噪声一样的“毛刺”，这是由于雷达系统自身的热噪声引起的。从0.125天到0.19天，大坝开始放水。在这些曲线中，橙色曲线代表了大坝消力池部分，可以观察到在放水之后，橙色曲线出现了较为明显的位移，大约2mm左右。这是因为大坝放水之后对消力池进行了冲击，造成了消力池的位移。本次使用FastGBSAR监测模拟坝数据共计723景，测区未有发现异常，在远程观测的数据中，经过计算，主坝体从一端到另一端依次选择的点位中，所有点位变化量在±1 mm之间，主坝体以外其他点位中，大坝下游左岸岸边和消力池外延位置移动量略大，约为0.5～2 mm。观测过程中变化较大点位处可能是由于人员走动引起（合成孔径雷达属于高精度高灵敏度监测设备），但最终结果又恢复到初始位置。
3 结论
基于FMCW-GBSAR的水坝监测技术可以对水坝进行无接触式的持续监测。通过对回波信号的分析可以做到坝体表面微动变形的实时监测。通过在四川大学对人工水坝的溃堤实验验证了FMCW-GBSAR技术的可靠性，这为我国的溃堤预警提供了重要的思路。
參考文献：
[1] Rodelsperger， S.， et al. "Introduction to the new metasensing ground-based SAR： Technical description and data analysis." Geoscience and Remote Sensing Symposium （IGARSS）， 2012 IEEE International IEEE， 2012：4790-4792.
摘 要：目前国内对小型水坝的监控尚未做到自动化与智能化。恶劣天气出现时只能依靠传统的人工巡检，效率低下且危险系数高。本文提出一种基于FMCW地基合成孔径雷达（GB-SAR）的水坝实时监测方法，通过该技术可以对坝面的变形进行实时监测，预测溃堤风险。文中利用GB-SAR对一座人工坝进行了测试，成功预测了水坝的位移。实验证明了基于GB-SAR技术的水坝监测的可靠性。
关键词：地基合成孔径雷达；水坝监测；变形监测
中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）01-0072-02
目前国内的航道和湖泊分布着数量众多的水坝，很多水坝缺乏有效的监管，在恶劣天气下存在垮塌的危险。传统的水坝监测大多依靠人力巡检，这在应对天气快速变化时引起的大坝变形缺乏及时有效的监控，导致溃堤的隐患较高。目前，基于调频连续波（FMCW）技术的地基合成孔径雷达（GBSAR）监测技术已经成为最有潜力的水坝监测手段之一。该技术利用差分干涉合成孔径雷达原理，对坝体表面持续发射并接收电磁波获取二维图像信息。通过对获取图像序列的分析可以获得坝面整体的变形情况。由于采用最新的FMCW技术，图像序列的获取时间可以低至5秒，这与传统的SFCW-GBSAR相比，时效性大大提高，几乎可以做到实时处理。本文利用GB-SAR对一座人工水坝进行持续扫描和数据自动分析，准确地监测了大坝的移动。
1 FMCW-GBSAR系统原理与算法
1.1 FMCW-GBSAR系统结构
FMCW-GBSAR将合成孔径雷达的原理从机载和星载平台移植到地面上，利用大带宽获取距离维的高分辨率，并利用雷达在导轨上的往复运动获取方位维的高分辨率。通过对目标持续发射和接收电磁波信号，并实时处理计算发射接收信号之间的相位差，可以获取目标的变形与微动状态。
1.2 干涉测量算法
2 人工水坝实验
2.1 人工水坝结构
为了对堤坝的变形进行观测，四川大学构建了一套人工坝用以进行大坝监测实验。FMCW-GBSAR利用该人工坝进行了大坝变形测试。由于水坝中存在的高压，水坝的底部及其容易出现渗透和撕裂，尤其是国内分布较多的小型水坝。在水坝底部由于高压会在拦水坝内部形成管道型的裂缝，并开始扩散增大。随着裂缝的增大，水坝将产生溃堤的危险。本实验试图在准确获取大坝微形变的前提下，分析蓄水、泄洪对坝体本身的影响及安全性评估。在坝体前方大约50米处放置FMCW-GBSAR并工作在SAR模式下，以持续观测坝体的变形情况。
FMCW-GBSAR被放置在距离坝体50米，长2米的导轨上，并在控制器的作用下往复运动，每7秒采集一副图像。雷达波束方位向-3B宽度为32°，在50米处的覆盖范围26米，可以覆盖大部分坝体宽度，如图1（a）。该雷达最大作用距离为4千米，因此方位向的最大覆盖范围为2080米。
2.2 实验过程与结果分析
通过对获取的二维图像与坝体的高程模型进行数据融合获取了坝体的持续变化，如图1所示。本实验首先利用反射的信号获取能量反射图寻找到固定PS点，如图1（c）（d），通过对这些PS点的位移进行跟踪监测获取整个大坝的变形情况。FMCW-GBSAR将持续发射并接收电磁波，每7秒获取一张二维图像，并通过对回波信号的实时处理获取坝体的变形情况用以预测溃堤风险。整个实验（蓄水）过程持续2小时，在初始阶段图像采样率设置为1分钟/张，这大大节约了雷达的内存空间和耗电量。在雷达观测到较为明显的坝体变形之后，系统会自动提高雷达图像的获取间隔，达到7秒/张的最高速度。
整个实验获取的各个PS点的曲线图如图2所示。从实验开始直到0.125天时，由于整个大坝没有任何放水与蓄水的活动，因此所有的PS点保持稳定，没有明显的变化。但注意到即使没有明显的变化，这些曲线依然分布着一些类似于噪声一样的“毛刺”，这是由于雷达系统自身的热噪声引起的。从0.125天到0.19天，大坝开始放水。在这些曲线中，橙色曲线代表了大坝消力池部分，可以观察到在放水之后，橙色曲线出现了较为明显的位移，大约2mm左右。这是因为大坝放水之后对消力池进行了冲击，造成了消力池的位移。本次使用FastGBSAR监测模拟坝数据共计723景，测区未有发现异常，在远程观测的数据中，经过计算，主坝体从一端到另一端依次选择的点位中，所有点位变化量在±1 mm之间，主坝体以外其他点位中，大坝下游左岸岸边和消力池外延位置移动量略大，约为0.5～2 mm。观测过程中变化较大点位处可能是由于人员走动引起（合成孔径雷达属于高精度高灵敏度监测设备），但最终结果又恢复到初始位置。
3 结论
基于FMCW-GBSAR的水坝监测技术可以对水坝进行无接触式的持续监测。通过对回波信号的分析可以做到坝体表面微动变形的实时监测。通过在四川大学对人工水坝的溃堤实验验证了FMCW-GBSAR技术的可靠性，这为我国的溃堤预警提供了重要的思路。
參考文献：
[1] Rodelsperger， S.， et al. "Introduction to the new metasensing ground-based SAR： Technical description and data analysis." Geoscience and Remote Sensing Symposium （IGARSS）， 2012 IEEE International IEEE， 2012：4790-4792.
