一種基于地基InSAR的橋梁形變近距離監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及監控系統，具體涉及一種基于地基干涉合成孔徑雷達的橋梁形變近距 離監測方法。
【背景技術】
[0002] 橋梁，作為我國重要的基礎設施之一，對國民經濟的發展有著至關重要的作用。一 旦橋梁的安全性不能完全保證，就會給經濟發展帶來負面影響。而且隨著社會進步和科技 的發展，造橋技術不斷進步，橋梁結構逐步向輕巧、纖細方面發展，與此同時橋梁的載重、跨 徑和橋面寬度不斷增長，結構型式不斷變化。傳統的變形監測手段差不多都是基于"點"式 數據采集方法，不能全面完整地體現橋梁的形變，在空間上也不能實現橋梁形變早期識別 及動態監測的目的，于是，這就迫切需要一個更可靠的能對橋梁的健康參數進行長期的實 時監測的方法。
[0003] 上世紀九十年代，干涉合成孔徑雷達逐漸發展起來，可以監測地表的微小形變，具 有全天候、全天時、覆蓋面廣、高度自動化和高精度監測地表變形的優勢，是水準測量和GPS 測量的有效補充，在長期監測橋梁形變及其健康程度上具有明顯優勢。
[0004] 經研究表明，由于橋梁形變監測是一個長期的過程，導致SAR的影像質量受到了很 多因素的影響，尤其是季節和天氣變換的影響。所以在數據處理的環節中，要加入季節和天 氣條件加以改正，要濾除對橋梁形變監測無用的數據，從而使測量更加精確。
【發明內容】
[0005] 1.目的：本發明所要解決的問題是在現有的監測方法上，提供一種基于地基干涉 合成孔徑雷達的橋梁形變近距離監測方法。
[0006] 2.技術方案;本發明是一種基于地基干涉合成孔徑雷達的橋梁形變近距離監測方 法，該方案的具體步驟如下：
[0007] 步驟一 :SAR影像的預處理
[0008] 為了防止橋面上的散射系數相差較大而得到非平穩圖像，需要對圖像進行預濾波 處理一一方位向濾波和距離向濾波，即減少因回波方位向多普勒頻率中心不同和基線引入 所引起的失相關效應。
[0009] 步驟二:SAR影像配準
[0010] 由于基線的存在，兩部天線對目標區域的角度和斜距都有區別，所以兩幅SAR圖像 在距離向和方位向都存在一定的錯位和旋轉角度，導致相同的目標點在兩幅圖像中的位置 不一。圖像配準的目的就是使復圖像中相同位置的點對應地面場景中的同一點，提高后續 干涉處理的信噪比，使得干涉條紋更加清晰。
[0011] 步驟三:去地平效應
[0012]平地效應不包含高程變化的信息，而且使干涉相位的條紋變密，影響相位解纏的 效果，所以在此之前需要去掉平地效應條紋。
[0013] 步驟四：干涉相位濾波
[0014] 儀器工作和環境會產生加性噪聲，且SAR中存在特有的乘性噪聲。所以為了保證后 續相位解纏的質量，必須要去噪濾波，使相位更加清晰。
[0015] 步驟五：相位解纏
[0016] 電子設備只能記錄0到2JI的相位，即纏繞相位，而真實的干涉相位需要在纏繞相位 的基礎上加上2ηπ，所以必須通過相位解纏這一步驟，得到與地形高度相對應的真實相位。
[0017] 3.優點及功效：
[0018] 本發明一方面能克服"點"式數據采集方法的缺陷，對橋梁進行全方位的監測，具 有全天時、全天候、不受大氣傳播和氣候影響，而且其測量精度能達到毫米級別。另一方面 通過干涉圖能夠觀察橋梁形變的整個過程，可以及時發現橋梁是否受損，便于其維護。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明中干涉合成孔徑雷達對橋梁監測的結構示意圖；
[0020] 圖2為本發明中InSAR測高原理示意圖。
[0021]圖3為本發明處理過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 本發明涉及到的一些運算方法
[0023] 1、測高原理
[0024] 利用具有一定視角差的兩幅天線獲取同一區域的相干SAR圖像，然后根據其干涉 相位來計算高程值，如圖2所示。
[0025] 2、橋梁形變量和干涉圖相位差的關系
[0026]天線Μ和天線A2分別代表兩副天線的位置，天線間的距離用基線距離B表示，基線 與水平方向的夾角為α A代表天線與橋梁底面的高度，P為目標點，R為P到天線^的距離，R+ A R為P到天線知的距離，Θ是第一副天線的參考視角，P點形變量用z表示。
[0027] 天線&和天線A2接收到的信號的相位差為： Cl)
[0028] 由于在實際的電子系統中，只能記錄0到2π的相位，而實際的相位為：
[0029]
(2)
[0030] 由圖2可以求得
[0031 ]
〇)
[0032] z = h-Rcos9 (4)
[0033] 忽略AR2項，由上式可得
[0034]
(5)
[0035] 綜上所述
(6)
[0036] 上式反映了干涉相位隨形變量變化的規律
[0037] 本發明是通過先獲取橋梁形變前后的兩對SAR成像，將他們各自進行相干處理，得 到形變前后的兩幅相位相干圖；再將這兩幅圖像進行差分處理，最后得到的差分相位，通過 相位差可以得到橋梁形變量。其具體過程如圖3所示
[0038] 第一步:分別將前后兩幅圖進行圖像配準。
[0039] 運用最大頻譜方法，干涉相位圖的距離向頻譜在某個頻點上出現峰值，具體位置 由峰值信噪比HLR確定
[0040]
(7)
[0041 ]式中RF12為干涉相位圖的頻譜 [0042] HLR最大的位置就對應著最佳的配準。
[0043]第二步:主從影像濾波。
[0044] 第三步:去平地效應。
[0045] 設第N點干涉相位的功率譜峰值出現在1點處，則對應的條紋頻率為
[0046]
(8)
[0047] 其中RSR為距離采樣率：
[0048](9) 一 r
一.V
[0049]其中Atr為采樣時間間隔;Rr為天線到目標的斜距向距離。在頻域將功率譜峰值循 環移位到零點，則對應的時域相位修正Φ
[0050]
(10)[0051] 因為對于任何等高參考面，條紋頻率心^_與斜距條紋頻率ffrlnge.r的關系為：
(11)
[0052] (12)頻 移法實質上是通過頻率譜的循環移位，在時域引入等于相對平地相位的修正因子，從而達 到去除平地效應的目的。
[0053] 第四步:空間濾波降噪
[0054] 利用細胞神經網絡并行處理特性快速獲取干涉條紋圖的條紋中心線，根據條紋中 心線求取濾波窗口，利用此濾波窗口對干涉條紋圖進行濾波。考慮到InSAR干涉相位條紋圖 有2π跳變線，采用正余弦濾波法實現InSAR干涉圖的濾波。
[0055] 第五步:相位解纏。
[0057]
[0056] 設相位解纏后的相位數據為Φ^，則最小二乘相位解纏方法的思想是最小化下 式：
(13)
[0058] 設置權值之后，上式變為加權方程：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]由于加權最小二乘無法用DCT、FFT等快速算法求解，只能采用迭代算法進行求解。 可以表示為：
[0063]
[0064] (16)
[0065]其中Ci, j為加權的Laplacian算子，其表達式為：
[0066]
[0067] 第六步:差分干涉
[0068] 將前后獲得的兩幅干涉圖進行差分，得到前后的差分干涉圖，然后將相位差反映 到橋梁形變量中。
【主權項】
1. 一種運用干涉合成孔徑雷達對橋梁形變監測的方法，其特征在于： A、 將干涉合成孔徑雷達安裝在橋墩上，對航道無阻礙作用 B、 利用兩部具有一定視角差的SAR進行成像 C、 運用最大譜配準法對兩幅SAR圖像進行配準 D、 運用干涉圖頻譜偏移對生成的干涉圖進行去平地效應 E、 運用干涉條紋中心線濾波方法對干涉圖濾波 F、 運用加權最小二乘法對相位進行解纏。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟C具體包括： C1、根據復數圖像對數據獲得干涉圖頻譜； C2、計算干涉圖頻譜的最大模值與其他頻率成份模值之和的比值，該比值稱為評價函 數。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟D具體包括： D1、根據干涉復位圖逐行進行的離散傅里葉變換求得最大峰值頻率即為干涉條紋距離 向的主要頻率； D2、根據主要頻率中心，通過頻域譜的循環移位，在時域引入等于相對平地相位的修正 因子。4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟E具體包括： E1、根據細胞神經網絡并行處理提取條紋中心線； E2、根據由中心線確定的濾波窗口對圖像進行濾波。5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟F具體包括： F1、根據最小二乘法利用纏繞相位計算水平方向或垂直方向的相位梯度； F2、根據水平方向和垂直方向的相位梯度進行積分。
【專利摘要】本發明公開了一種基于地基干涉合成孔徑雷達對橋梁形變監測的方法，屬于工程測量領域。本發明通過干涉合成孔徑雷達，先獲取橋梁形變前后的兩對SAR成像，將他們各自進行相干處理，得到形變前后的兩幅相位相干圖；再將這兩幅圖像進行差分處理，最后得到的差分相位即為形變相位，通過形變相位即可得到橋梁形變量。由于干涉合成孔徑雷達測量技術具有全天候、全天時、高分辨率和連續空間覆蓋的特點，所以該方法克服了傳統方法單點測量、分辨率低和極易受外界干擾等一系列缺點，可以對橋梁進行實時、長期的監控，為橋梁維護、管理決策提供依據和指導。
【IPC分類】G01S13/90
【公開號】CN105467390
【申請號】CN201610017629
【發明人】曹海林, 陶璐, 劉璟, 陳洲健, 朱澄卓
【申請人】重慶大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2016年1月12日