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地基SAR橋梁監測理論與方法 版權信息
- ISBN：9787030729880
- 條形碼：9787030729880 ; 978-7-03-072988-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
地基SAR橋梁監測理論與方法 內容簡介
橋梁作為交通基礎設施的重要樞紐，其數量日益增長。在多種耦合因素影響下，橋梁運營安全風險顯著增加。因此，為確保既有橋梁的安全性能，亟需有針對性地開展橋梁快速檢評與安全評估。本書重點介紹地基干涉雷達測量技術在橋梁監測方面的相關理論及方法。詳細介紹了地基干涉雷達測量技術原理、性能測試、數據預處理（包括大氣參數改正和數據降噪）以及橋梁損傷識別方法，并詳細闡述了地基干涉雷達測量技術在城市橋梁、鐵路橋梁以及古橋梁三種不同類型橋梁上的實際應用，對地基干涉雷達測量在橋梁監測方面的現狀及未來發展趨勢進行總結。
地基SAR橋梁監測理論與方法 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 1
1.2 GB-SAR技術的發展歷程 2
1.3 國內外研究現狀 4
1.3.1 GB-SAR關鍵技術的國內外研究現狀 4
1.3.2 GB-SAR技術橋梁監測的國內外研究現狀 8
1.4 GB-SAR技術橋梁監測存在的問題 10
1.5 本書的結構 11
參考文獻 11
第2章 GB-SAR原理 16
2.1 SAR技術 16
2.2 干涉測量技術 19
2.3 SFCW技術 20
2.4 GB-SAR系統介紹 21
2.4.1 GB-SAR常見系統 21
2.4.2 IBIS雷達系統介紹 23
2.4.3 Fast-GBSAR系統介紹 25
參考文獻 28
第3章 GB-SAR性能測試 30
3.1 角反射器介紹 30
3.1.1 角反射器的分類 30
3.1.2 角反射器的應用及研究現狀 31
3.2 IBIS-S緩慢形變精度分析 32
3.2.1 方案設計 33
3.2.2 實驗結果分析 33
3.3 IBIS-S測量誤差分析 36
3.3.1 儀器安置誤差 36
3.3.2 大氣因素影響 39
參考文獻 43
第4章 GB-SAR大氣參數改正 44
4.1 GB-SAR電磁波大氣折射原理 44
4.1.1 對流層大氣空間特性 45
4.1.2 對流層電磁波大氣折射原理 45
4.2 微波波段大氣折射改正方法 47
4.2.1 微波波段大氣折射相位計算原理 47
4.2.2 微波波段大氣折射改正方法分析 48
4.2.3 微波大氣折射效應監測 49
4.3 Essen-Froome模型 52
4.3.1 Essen-Froome模型理論推導 52
4.3.2 氣象擾動機理實驗驗證 54
4.3.3 北京市氣象規律分析與揭示 62
4.4 顧及雷達波傳輸距離的Essen-Froome大氣參數優化改正投影模型 65
4.4.1 顧及雷達波傳輸距離的大氣參數優化改正投影模型構建 65
4.4.2 雷達監測精度與距離分析 66
4.4.3 橋梁模型驗證 74
參考文獻 83
第5章 GB-SAR信號降噪 84
5.1 希爾伯特-黃變換 84
5.1.1 希爾伯特-黃變換原理 85
5.1.2 希爾伯特-黃變換應用 89
5.2 RDT-EEMD信號降噪 92
5.2.1 隨機減量技術原理 92
5.2.2 集合經驗模態分解 94
5.2.3 實驗與分析 96
5.3 W-ESMD二級信號降噪 103
5.3.1 W-ESMD降噪方法原理 103
5.3.2 W-ESMD降噪方法應用與分析 107
5.4 MF-ESMD二級信號降噪 112
5.4.1 MF-ESMD降噪方法原理 112
5.4.2 仿真實驗與分析 115
5.4.3 實際應用與分析 118
5.5 SOBI信號降噪 122
5.5.1 改進的SOBI降噪方法原理 123
5.5.2 降噪模型實驗與分析 125
參考文獻 131
第6章 GB-SAR橋梁損傷識別 135
6.1 基于直接插值法的橋梁損傷識別 135
6.1.1 ESMD模態分解 135
6.1.2 ESMD時-頻分析 136
6.1.3 ESMD與HHT方法比較 138
6.2 基于數據驅動隨機子空間的橋梁損傷識別 141
6.2.1 子空間正交投影理論 141
6.2.2 Hankel矩陣構建與SVD分解 142
6.2.3 卡爾曼濾波狀態序列及模態參數識別 143
6.2.4 模態階數估計 144
參考文獻 148
第7章 GB-SAR在城市橋梁監測中的應用 149
7.1 監測環境簡介 149
7.2 監測方法概述 150
7.2.1 TLS獲取潛在損傷區 151
7.2.2 基于時間序列位移的地基微波干涉損傷檢測 152
7.2.3 PS-InSAR損傷分析 153
7.3 監測結果與討論 154
7.3.1 橋梁形變結果與分析 154
7.3.2 損傷檢測分析與探討 156
7.3.3 沉降分析與討論 159
7.4 結論 162
參考文獻 163
第8章 GB-SAR在鐵路橋梁監測中的應用 165
8.1 鐵路橋梁動態監測 165
8.1.1 測試目的和內容 165
8.1.2 技術路線和具體流程 165
8.1.3 1/4跨點豎向位移動態監測 167
8.1.4 梁跨中點橫向位移動態監測 170
8.2 聲屏障測試分析 174
8.2.1 測試目的和內容概述 174
8.2.2 聲屏障橫向位移 175
8.2.3 墩、梁、聲屏障橫向位移監測 178
8.3 雨棚豎向位移監測 183
8.3.1 測試目的和內容 183
8.3.2 技術路線和具體流程 183
8.3.3 實驗與分析 184
8.4 結論 187
第9章 GB-SAR在古代橋梁監測中的應用 189
9.1 古代橋梁與數據采集 189
9.1.1 趙州橋簡介 189
9.1.2 地基微波干涉法 190
9.1.3 動態時間序列位移采集 191
9.2 橋梁損傷評估方法 191
9.2.1 時間序列位移的ESMD方法 192
9.2.2 瞬時頻率直接內插算法 193
9.2.3 瞬時振動分析步驟 195
9.3 結果與分析 195
9.3.1 地基微波干涉法的時間序列位移結果 195
9.3.2 IMF分解與分析 197
9.3.3 時頻分析結果 201
9.3.4 討論 206
9.4 結論 207
參考文獻 208
第10章 總結與展望 210
10.1 總結 210
10.2 展望 212
參考文獻 212
前言
第1章 緒論 1
1.1 問題的提出 1
1.2 GB-SAR技術的發展歷程 2
1.3 國內外研究現狀 4
1.3.1 GB-SAR關鍵技術的國內外研究現狀 4
1.3.2 GB-SAR技術橋梁監測的國內外研究現狀 8
1.4 GB-SAR技術橋梁監測存在的問題 10
1.5 本書的結構 11
參考文獻 11
第2章 GB-SAR原理 16
2.1 SAR技術 16
2.2 干涉測量技術 19
2.3 SFCW技術 20
2.4 GB-SAR系統介紹 21
2.4.1 GB-SAR常見系統 21
2.4.2 IBIS雷達系統介紹 23
2.4.3 Fast-GBSAR系統介紹 25
參考文獻 28
第3章 GB-SAR性能測試 30
3.1 角反射器介紹 30
3.1.1 角反射器的分類 30
3.1.2 角反射器的應用及研究現狀 31
3.2 IBIS-S緩慢形變精度分析 32
3.2.1 方案設計 33
3.2.2 實驗結果分析 33
3.3 IBIS-S測量誤差分析 36
3.3.1 儀器安置誤差 36
3.3.2 大氣因素影響 39
參考文獻 43
第4章 GB-SAR大氣參數改正 44
4.1 GB-SAR電磁波大氣折射原理 44
4.1.1 對流層大氣空間特性 45
4.1.2 對流層電磁波大氣折射原理 45
4.2 微波波段大氣折射改正方法 47
4.2.1 微波波段大氣折射相位計算原理 47
4.2.2 微波波段大氣折射改正方法分析 48
4.2.3 微波大氣折射效應監測 49
4.3 Essen-Froome模型 52
4.3.1 Essen-Froome模型理論推導 52
4.3.2 氣象擾動機理實驗驗證 54
4.3.3 北京市氣象規律分析與揭示 62
4.4 顧及雷達波傳輸距離的Essen-Froome大氣參數優化改正投影模型 65
4.4.1 顧及雷達波傳輸距離的大氣參數優化改正投影模型構建 65
4.4.2 雷達監測精度與距離分析 66
4.4.3 橋梁模型驗證 74
參考文獻 83
第5章 GB-SAR信號降噪 84
5.1 希爾伯特-黃變換 84
5.1.1 希爾伯特-黃變換原理 85
5.1.2 希爾伯特-黃變換應用 89
5.2 RDT-EEMD信號降噪 92
5.2.1 隨機減量技術原理 92
5.2.2 集合經驗模態分解 94
5.2.3 實驗與分析 96
5.3 W-ESMD二級信號降噪 103
5.3.1 W-ESMD降噪方法原理 103
5.3.2 W-ESMD降噪方法應用與分析 107
5.4 MF-ESMD二級信號降噪 112
5.4.1 MF-ESMD降噪方法原理 112
5.4.2 仿真實驗與分析 115
5.4.3 實際應用與分析 118
5.5 SOBI信號降噪 122
5.5.1 改進的SOBI降噪方法原理 123
5.5.2 降噪模型實驗與分析 125
參考文獻 131
第6章 GB-SAR橋梁損傷識別 135
6.1 基于直接插值法的橋梁損傷識別 135
6.1.1 ESMD模態分解 135
6.1.2 ESMD時-頻分析 136
6.1.3 ESMD與HHT方法比較 138
6.2 基于數據驅動隨機子空間的橋梁損傷識別 141
6.2.1 子空間正交投影理論 141
6.2.2 Hankel矩陣構建與SVD分解 142
6.2.3 卡爾曼濾波狀態序列及模態參數識別 143
6.2.4 模態階數估計 144
參考文獻 148
第7章 GB-SAR在城市橋梁監測中的應用 149
7.1 監測環境簡介 149
7.2 監測方法概述 150
7.2.1 TLS獲取潛在損傷區 151
7.2.2 基于時間序列位移的地基微波干涉損傷檢測 152
7.2.3 PS-InSAR損傷分析 153
7.3 監測結果與討論 154
7.3.1 橋梁形變結果與分析 154
7.3.2 損傷檢測分析與探討 156
7.3.3 沉降分析與討論 159
7.4 結論 162
參考文獻 163
第8章 GB-SAR在鐵路橋梁監測中的應用 165
8.1 鐵路橋梁動態監測 165
8.1.1 測試目的和內容 165
8.1.2 技術路線和具體流程 165
8.1.3 1/4跨點豎向位移動態監測 167
8.1.4 梁跨中點橫向位移動態監測 170
8.2 聲屏障測試分析 174
8.2.1 測試目的和內容概述 174
8.2.2 聲屏障橫向位移 175
8.2.3 墩、梁、聲屏障橫向位移監測 178
8.3 雨棚豎向位移監測 183
8.3.1 測試目的和內容 183
8.3.2 技術路線和具體流程 183
8.3.3 實驗與分析 184
8.4 結論 187
第9章 GB-SAR在古代橋梁監測中的應用 189
9.1 古代橋梁與數據采集 189
9.1.1 趙州橋簡介 189
9.1.2 地基微波干涉法 190
9.1.3 動態時間序列位移采集 191
9.2 橋梁損傷評估方法 191
9.2.1 時間序列位移的ESMD方法 192
9.2.2 瞬時頻率直接內插算法 193
9.2.3 瞬時振動分析步驟 195
9.3 結果與分析 195
9.3.1 地基微波干涉法的時間序列位移結果 195
9.3.2 IMF分解與分析 197
9.3.3 時頻分析結果 201
9.3.4 討論 206
9.4 結論 207
參考文獻 208
第10章 總結與展望 210
10.1 總結 210
10.2 展望 212
參考文獻 212
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地基SAR橋梁監測理論與方法 節選
第1章 緒論 1.1 問題的提出 隨著我國經濟和城市化進程加快，近年來，國家正在大力發展城市交通基礎設施，其中，橋梁作為交通基礎設施的重要樞紐，數量也在日益增長。交通運輸部發布的《2019年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截至2019年末，全國公路橋梁87.83萬座，共計60634.6km，比上年增加2.68萬座、4948.6km，其中特大橋梁5716座、10332.3km，大橋梁108 344座、29237.5km。在促進交通運輸發展的同時，保障橋梁結構的安全對保護國民經濟和人民財產安全起著重要作用。日常運營中，橋梁不僅受密集車流等復雜交通影響，還受施工、地質活動等周邊環境的影響，因此，橋梁運營安全形勢日益嚴峻。在交通擁堵、車輛超載、環境惡化、氣候災變等耦合因素影響下，橋梁運營安全風險顯著增大，輕則病害侵蝕，重則老化嚴重，甚至突然坍塌（Liu et al.，2019b；Riveiro et al.，2013）。例如，2009年5月17日湖南株洲紅旗路高架橋坍塌，斷裂的橋面致9死16傷；2016年8月28日北京北五環天橋發生坍塌，造成4人受傷；2019年10月10日江蘇無錫高架橋側翻，造成3死2傷；2020年3月2日，福州一在建橋梁的梁體倒塌，造成2死4傷。橋梁的安全狀況已經受到社會各界廣泛關注，《交通運輸科技“十三五”發展規劃》也提出“公路中小跨徑橋梁、邊坡安全評價和監測預警，公路基礎設施狀態感知與災變預警處置”相關工作。因此，為確保已有橋梁的安全性能，亟須有針對性地對橋梁開展快速檢測與安全評估方面的研究。 橋梁動撓度目前是橋梁安全狀態評估的重要指標之一，如何快速、準確地獲取橋梁動撓度，以及基于橋梁動撓度進行高精確安全評估已成為當前研究的熱點問題。傳統橋梁動撓度監測常使用接觸式傳感器，如加速度計、應變片、線性可變差動變壓器和光纖傳感器等，可以獲得高精度的橋梁動撓度，但接觸式傳感器的測量范圍小，且需要布設在橋梁表面，前期安裝費時費力（Hsieh et al.，2006）。為克服接觸式傳感器的缺點，非接觸式傳感器技術逐漸成為橋梁動撓度監測的主流技術，如激光多普勒測振儀（laser Doppler vibrometer，LDV）、全球定位系統（global positioning system，GPS）、視覺測量等。利用LDV對橋梁動撓度監測的精度可達0.1mm，但其成本高，難以測量垂直于激光束的位移（Nassif et al.，2005）。GPS具有高精度、高效和全天候的優勢，但數據采集頻率較低（小于20Hz），且隨機噪聲和多路徑效應易造成數據分析困難、定位結果不可信（Moschas and Stiros，2011）。視覺測量可以提供橋梁監測區域中任意點位的動撓度信息，精度可達1∶10 000，但海量的影像數據處理、大量的控制網布設及較高的光線需求等導致動撓度采集效率較低（Peddle et al.，2011）。 除了在環境激勵條件下獲取橋梁動撓度數據以探測橋梁損傷之外，傳統的基于點、面測量的靜態橋梁周期性形變監測也被廣泛應用于橋梁監測，如水準測量和視距測量以及地面三維激光掃描（terrestrial laser scanning，TLS）技術等。水準測量和視距測量可以提供高精度的形變監測信息，但這類技術費時、費力，后期數據處理工作量大，并且在測量過程中存在大量的人為誤差（朱小華和胡伍生，2006）。TLS技術具有數據點多、數據量大、非接觸性等優勢，通過獲取橋梁表面的點云數據構建橋梁表面的三維形變場，以進行周期性形變分析，進而可以準確地獲取橋梁表面的靜態形變數據，但其掃描周期較長，較適用于小范圍監測，且無法獲取橋梁動態形變（Riveiro et al.，2013）。 地基干涉雷達測量是近年來興起的一種集成合成孔徑雷達和干涉測量優點的新技術，具有非接觸、高精度（0.01mm）、高采樣頻率（1000Hz）和整體動態監測的優勢，該技術可以解決傳統形變監測技術測量范圍小、測量距離短、精度低、受環境影響等諸多問題，在橋梁動態特性監測中得到了較為廣泛的應用（Stabile et al.，2013；Pieraccini et al.，2006）。GB-SAR技術通過發射和接收雷達波實現高頻率橋梁微形變動態監測，但是雷達波在大氣傳播中易受到溫度、濕度、氣壓等氣象因素的影響，從而降低橋梁動撓度采集精度，同時，使用該技術對橋梁動撓度進行監測還不可避免地受到地動和復雜交通等噪聲因素的影響，進一步降低橋梁動撓度測量精度，進而降低基于GB-SAR設備獲取橋梁動撓度數據的橋梁安全評估的可靠性。綜上，本書主要介紹基于GB-SAR設備獲取橋梁監測數據，使用GB-SAR技術對城市橋梁安全評估過程中大氣參數優化改正以及信號降噪理論與方法進行深入研究，推動城市橋梁動撓度高精度、快速檢測和安全評估的發展，研究成果對保障城市橋梁的健康運營以及降低城市橋梁健康狀態巡查和維護成本具有重要的理論意義和應用價值。 1.2 GB-SAR技術的發展歷程 GB-SAR技術是合成孔徑雷達干涉測量（interfero metric synthetic aperture radar，InSAR）技術的新發展，其承載平臺從星載轉為地基，且向高精度方向發展。InSAR技術是20世紀后期發展起來的一種新型空對地測量方法，利用兩副天線同時觀測（雙天線單軌），或者一副天線兩次近似平行觀測（單天線重復軌道）獲取地面同一地物的影像對（張拴宏和紀占勝，2004；Bürgmann et al.，2000），通過影像的相位差，借助成像處理、干涉數據處理以及幾何轉換等獲取地物目標的三維信息。InSAR技術的首次地球表面應用可追溯到1974年，美國國家航空航天局的Graham（1974）提出采用兩個天線在水平方向上分開的機載和星載InSAR系統進行三維成像，闡述了如何從InSAR圖像中提取數字高程圖。1986年，Zebker和Goldstein利用機載InSAR技術對舊金山海灣地區進行了測量，這標志著InSAR由實驗研究向應用研究轉變（Zebker and Goldstein，1986）。根據任婧（2011）的相關研究，InSAR技術的發展主要包括以下階段：**階段為20世紀70年代～80年代后期，該階段是InSAR技術的發展階段，這一時期主要是機載SAR到星載SAR的轉變，以及InSAR技術對地觀測的應用研究；第二階段為20世紀80年代后期～90年代后期，該階段InSAR技術的研究與應用進入快速發展時期，隨著InSAR技術的成熟應用，各國學者在InSAR組織和數據處理方面進行深入研究，并發展出衛星差分雷達干涉（differential synthetic aperture radar interferometry，D-InSAR）技術；第三階段為20世紀90年代后期至今，InSAR技術得到了穩定的發展并趨于成熟，且應用領域不斷擴展，包括InSAR的硬件系統優化、軟件包開發、算法優化以及應用擴展等方面。 20世紀90年代，隨著InSAR技術的迅速發展，高精度應用需求隨之提高，InSAR技術從星載轉到地基，發展出GB-SAR技術（Takahashi et al.，2013；Leva et al.，2003），該技術借助SAR技術、步進頻率連續波技術（step frequency continuous wave，SFCW）以及干涉測量技術不僅可獲得高分辨率圖像，還可獲得毫米級的形變信息。GB-SAR技術已逐步成為研究的熱點，并逐漸應用于大壩、滑坡、建筑物以及橋梁等易發生微小形變物體的形變探測領域。1999年，Tarchi等（1999）首次利用GB-SAR技術對大壩進行形變監測，首次展示了GB-SAR技術在民用工程中應用的可行性，系統主要采用矢量網絡分析儀（vector network analyzer，VNA）。2003年，Ellegi公司利用線性合成孔徑雷達（linear synthetic aperture radar，LiSA）技術開發了首*以VNA為基礎的商業系統，后發展為LiSALab系統，英國的謝菲爾德大學研究發展的地基SAR系統、日本的東北大學研究的地基寬帶極化地基SAR（ground-based polarimetric broadband synthetic aperture radar，GBPBSAR）系統以及韓國地球科學和礦產資源研究所研究的地基角掃描SAR（arc-scanning SAR，ArcSAR）系統都是以VNA為基礎進行開發研究的。之后，為提高地基SAR系統的穩定性、帶寬能力以及通用性，發展出了許多先進的傳感器：意大利的IDS公司聯合佛羅倫薩大學以地基SAR系統為基礎，開發了干涉測量成像系統（imaging by interferometry survey，IBIS），該系統采用SFCW體制雷達產生、采集和記錄信號，是目前較為成功的商業地基SAR系統；國內中國科學院電子學研究所研發的先進的可掃描二維軌道觀測（advanced scannable two-dimensional rail observation，ASTRO）系統也采用了SFCW雷達，且具有多種工作模式，但其沒有轉化為商用產品。近年來發展出的調頻連續波（frequency modulated continuous wave，FMCW）雷達傳感器具有更快的掃描能力，荷蘭的MetaSensing公司以FMCW為信號模型，研發出Fast-地基SAR系統，數據采集時間小于5s，可有效降低大氣干擾；西班牙加泰羅尼亞理工大學開發的極化RiskSAR系統，采用FMCW雷達對掃描時間有很大改善，且在短期的掃描里可使用永久散射干涉技術進行測量；瑞士的Gamma Remote Sensing 公司提出基于真實孔徑雷達（real aperture radar，RAR）技術的FMCW伽馬便攜式雷達干涉儀（Gamma portable radar interferometer，GPRI）系統，用來測量形變和地形映射；另外，烏克蘭國家科學院的放射物理和電子學研究所發展出的以噪聲雷達為基礎的地基噪聲波形SAR（ground-based noise waveform SAR，GB-NWSAR）系統也是一種新的結構模型（李俊慧，2016）。 1.3 國內外研究現狀 1.3.1 GB-SAR關鍵技術的國內外研究現狀 GB-SAR技術具有非接觸、高精度、高頻率及整體監測的優勢，國內外學者針對GB-SAR的關鍵技術展開了廣泛的研究，在相關方面取得了一定的成果。 1. GB-SAR氣象因素影響改正研究 應用GB-SAR設備獲取的監測數據精度受制于場景內外界環境的干擾，其中大氣效應是外界環境干擾中對精度影響較為嚴重的一種。GB-SAR設備通過發射和接收雷達波實現對被測目標微變形動態高頻率監測，雷達波在大氣傳播中易受到溫度、濕度、氣壓等氣象因素的影響，導致傳播路徑和方向發生變化，使干涉相位中附加了大氣相位誤差，從而降低GB-SAR設備監測數據的精度（Liu et al.，2015；Zebker et al.，1997）。目前主要有三種降低氣象因素影響的方法，包括穩定點校正法、構建永久散射體網法和大氣參數模型改正法。 穩定點校正法通過測量視場內穩定目標點或已布設的角反射器的位移變化信息，按照和距離成比例關系對監測結果進行修正。黃其歡和岳建平（2017）在穩定點校正法基礎上提出穩定點加權的地基SAR數據大氣校正新方法并將該方法用于大壩監測，效果良好。張祥等（2011）將角反射器作為穩定控制點采集大氣擾動干涉相位數據，根據相位的變化情況分析觀測區域大氣擾動影響，并利用穩定點法實現對其擾動誤差的校正。結果表明，該類校正方法具有很好的可靠性和精確性。 構建永久散射體網法普遍用于大場景監測，利用場景內選取的相關行
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