基于时序雷达干涉测量的高速铁路区域沉降变形监测研究

摘要

本文以高速铁路沿线区域为研究对象，探索在SAR数据量有限的条件下，在低相干地区采用时序雷达差分干涉测量(MT-InSAR)技术进行区域沉降监测中的关键问题，以提高该技术探测高速铁路沿线区域沉降变形的精度和可靠性。选用中等分辨率雷达数据对京津高速铁路天津段沿线区域进行了形变监测，明确其在运营前后沉降变形的特征和规律，为运营期高速铁路的稳定性评价提供科学依据。论文主要在以下几个方面进行了分析和研究:
　　(1)在基线参数估计方法的原理基础上，采用C++程序实现了基于地面控制点方法中的五点法和TCN法的基线精确估计算法，并通过实验数据验证该程序的有效性和该方法成果的精度。
　　(2)对传统高相干目标的识别方法进行了改进。提出了基于幅度离散度指数（或幅度差离散度指数）和整体相位相干系数双阀值进行相干点检测的方法。即先进行幅度稳定性分析初选候选点，再进行相位稳定性分析确定目标点。试验表明该识别方法增加了可靠点的选择几率，有效地解决了在有限雷达数据量条件下的相干目标选取问题。
　　(3)在永久散射体理论和小基线集理论的基础上，提出了组合法中重复相干目标的相位提取方法，建立了整体相干系数最大化与奇异值分解结合的形变反演模型，改进了数据处理流程。试验表明该组合方法可以更充分利用有限的雷达数据，增加相干点的空间分布密度，且得到的形变结果描述更细致精确。有效地解决了在低相干地区的形变提取问题。
　　(4)获得了京津城际高速铁路永乐——天津段在2007.2-2010.7时间范围内的沉降速率分布图，首次从点、线、面三个层面分析了该实验区段在运营前后三年半时间内的沉降变形规律。提出差异性沉降是对线路影响较大的因素，分析了区域内差异性地面沉降对线路坡度、路桥等建筑物稳定性以及轨道平顺性的影响程度，根据影响程度对线路进行了分级评估。该结论对于京津高铁的运营及维护具有重要参考意义和实用价值。研究设计了集合地面测量技术和InSAR技术的多途径的高速铁路沉降监测综合系统的基本框架。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 高速铁路沿线的沉降变形问题

1．1．2 常规手段监测铁路区域沉降变形的局限性

1．1．3 InSAR技术在形变监测中的优势

1．2 国内外研究现状和趋势

1．2．1 InSAR技术的研究现状和趋势

1．2．2 MT-InSAR技术在我国的研究及应用现状

1．2．3 MT-InSAR技术在铁路沉降监测中的应用

1．2．4 MT-InSAR技术监测铁路沉降变形存在的问题

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 雷达干涉测量关键技术及应用问题分析

2．1 InSAR及DInSAR测量

2．1．1 InSAR高程测量

2．1．2 DInSAR形变测量

2．1．3 干涉相干分析及误差分析

2．2 MT-InSAR测量

2．2．1 PS-InSAR方法

2．2．2 SB-InSAR方法

2．2．3 其它MT-InSAR方法

2．3 常用星载SAR系统介绍

2．3．1 C波段SAR系统

2．3．2 L波段SAR系统

2．3．3 X波段SAR系统

2．4 MT-InSAR技术监测高速铁路区域沉降的应用问题分析

2．4．1 基线参数的精确估计方法分析

2．4．2 高相干目标的识别

2．4．3 数据处理流程的建立

2．5 本章小结

3 MT-InSAR方法关键技术研究及改进

3．1 基线精确估计软件实现

3．1．1 软件设计

3．1．2 软件试验及成果精度验证

3．1．3 基线精确估计技术流程

3．2 高相干目标识别

3．2．1 识别方法的改进

3．2．2 试验结果及分析

3．3 数据处理流程的建立

3．3．1 相干目标分析

3．3．2 数据处理流程的改进

3．3．3 实例验证

3．4 本章小结

4 基于MT-InSAR的京津高速铁路区域沉降监测

4．1 试验区域及数据

4．1．1 试验区域的选取

4．1．2 试验数据的选取

4．1．3 开源软件StaMPS／MTI

4．2 MT-InSAR方法获取形变

4．2．1 数据预处理

4．2．2 时序InSAR方法数据处理

4．3 高速铁路沉降结果分析及精度评价

4．3．1 总体分析及精度评价

4．3．2 线路沉降特征分析

4．3．3 线路沉降综合评估

4．3．4 沉降原因调查及建议

4．4 高速铁路区域沉降监测系统的建立

4．4．1 系统建立分析

4．4．2 系统建立框架

4．5 本章小结

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

主要创新点

参考文献

作者简历

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