Naziemna interferometria radarowa

Jedna z metod prowadzenia obserwacji radarowych dla wyznaczania przemieszczeń (odkształceń) sprężystych i trwałych, wolno i szybkozmiennych, którym ulegają obiekty inżynierskie (np. mostowe, wysmukłe) lub formy naturalne (np. osuwiska, lodowce) poddane rożnym obciążeniom statycznym i dynamicznym. Istnieją różne rozwiązania konstrukcyjne aparatury, ale w sposób uogólniony można wyróżnić jej dwa typy, ze względu na formę prowadzonych obserwacji:

  • jednowymiarowe
  • powierzchniowe
Rys. 1 Przykład zestawu radaru jednowymiarowego na bazie jednostki IBIS S.
Rys. 1 Przykład zestawu radaru jednowymiarowego na bazie jednostki IBIS S.
Rys. 2 Przykład zestawu radaru powierzchniowego na bazie jednostki IBIS L.
Rys. 2 Przykład zestawu radaru powierzchniowego na bazie jednostki IBIS L.
Previous
Next

Zasada i cel pomiarów jednowymiarowych

Naziemny radar interferometryczny to sensor aktywny i specyficzny dalmierz o określonej długości fali i pewnym zakresie jej skokowej modulacji. W trybie jednowymiarowym nieruchomy radar generuje sygnał o określonej rozdzielczości liniowej, który wraca odbity od niegładkich elementów obiektu (Rys. 3).

Rys. 3 Zasada pomiaru w trybie jednowymiarowym na przykładzie obserwacji obiektu wysmukłego. [1]
Rys. 3 Zasada pomiaru w trybie jednowymiarowym na przykładzie obserwacji obiektu wysmukłego. [1]

W wyniku obserwacji otrzymujemy profil radarowy, będący dwuwymiarowym wykresem reprezentującym stosunek: odległości danego zbioru punktów sceny – jednostka radarowa do współczynnika SNR (ang. Signal-to-noise ratio) (Rys. 4).

Rys. 4 Obserwowany obiekt i jego profil radarowy. [2]

Pomiary bywają prowadzone w trybie statycznym lub dynamicznym, a wybór determinuje spodziewana forma ruchów obiektu:

  • statyczne, o wyższej dokładności ale rzadsze czasowo, dla ruchów wolnych np. zmiany wywołane insolacją
  • dynamiczne, o mniejszej dokładności ale szybkie w czasie, prowadzone dla obciążeń dynamicznych, dla wyznaczenia postaci drgań własnych czy dekrementu tłumienia obiektu

W obu przypadkach pomiar odbywa się w zdefiniowanej jednostce czasu a dla każdego silnego piku (Rbin) na profilu można wyznaczyć historię czasowych zmian położenia (Rys. 5a). W przypadku obserwacji dynamicznych możliwe jest wyznaczenie spektrum częstotliwościowego dla zarejestrowanych obserwacji (Rys. 5b).

Rys. 5 Wykres kilku pików (Rbin-ów) zachowanie harmoniczne i wynik spektrum częstotliwościowego dla zarejestrowanych obserwacji. [2]

Zasada i cel pomiarów wielowymiarowych

Pomiary wielowymiarowe pozyskiwane są poprzez wprawienie radaru jednowymiarowego w ruch (liniowy lub kątowy). W tej wersji mówimy o radarze z aperturą syntetyzowaną – SAR (ang. synthetic aperture radar). Takie rozwiązanie zapewnia dodatkowo uzyskanie rozdzielczości azymutalnej dla pomiarów radarowych, dzięki czemu oprócz odległości do obiektu znany jest również kierunek obserwacji.

Pojedynczy przejazd radaru po szynie skutkuje uzyskaniem mapy holograficznej, która zawiera informację o amplitudzie i fazie sygnału w zakresie pojedynczego piksela reprezentującego obszar obserwowanego obiektu (sceny). Para takich obrazów pozwala wyznaczyć przemieszczenia, które mają miejsce w obszarze reprezentowanym przez pojedynczy piksel, a więc będzie to miara zmiany fazy sygnału aktualnego względem pierwotnego. Tak więc dla jednostek pracujących w konfiguracji dwuwymiarowej (powierzchniowej 2D) wynikiem pomiaru jest pikselowa mapa przemieszczeń.

Rys. 6 Mapa przemieszczeń z powierzchniowego GB-SAR [2].

Wymiar piksela mapy przemieszczeń zależy od odległości: system pomiarowy – obiekt, oraz charakterystyk kątowych anten stosowanych w radarze.

Do obserwacji GB-SAR stosowane są różne anteny o różnej charakterystyce promieniowania na kierunku azymutalnym i elewacyjnym oraz różnym zysku energetycznym. Dobór rodzaju stosowanych anten podyktowany jest czynnikami pomiarowymi.

Częstotliwości pracy a wartość obserwowanego przemieszczenia

W zależności od zastosowanej fali skoku, zdeterminowana jest rozdzielczość liniowa punktów na obiekcie, ale również najmniejsza możliwa wartość przemieszczenia, która może zostać wiarygodnie zarejestrowana i jest ona równa ¼ długości fali nadawanej. Jeśli od obserwacji do obserwacji nastąpi większe przemieszczenie, możemy tego nie zauważyć, ponieważ nie uchwycimy pełnego cyklu zmiany fazy sygnału, gdyż to właśnie ją radar mierzy dokładnie, natomiast nie analizuje pełnych cykli jej propagacji. Aczkolwiek, w najnowszych modelach wprowadzono dodatkowe rozwiązania, które mają minimalizować ten problem.

Problematyka wiarygodności wyznaczanego przemieszczenia

O ile obserwacje zmian fazy sygnału są wysoko precyzyjne, to niestety dwa czynniki wpływają na dokładność pomiarów:

  • geometria czyli relacja radar punkt obserwowany na obiekcie (niestety tu pojawia się efekt clutter)
  • czynnik atmosferyczny w pomiarach długoczasowych. 

Źródła:

[1] Kuras, P., & Ortyl, Ł. (2014). Selected geometric aspects of planning and analysis of measurement results of tall building structures using interferometric radar. Geomatics and Environmental Engineering, 8(3).

[2] Gocał, J., et al. (2013). Determination of displacement and vibrations of engineering structures using ground-based radar interferometry. AGH University of Science and Technology Press, Kraków.