第1章 绪论
1.1 问题的提出
随着我国经济和城市化进程加快，近年来，国家正在大力发展城市交通基础设施，其中，桥梁作为交通基础设施的重要枢纽，数量也在日益增长。交通运输部发布的《2019年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2019年末，全国公路桥梁87.83万座，共计60634.6km，比上年增加2.68万座、4948.6km，其中特大桥梁5716座、10332.3km，大桥梁108 344座、29237.5km。在促进交通运输发展的同时，保障桥梁结构的安全对保护国民经济和人民财产安全起着重要作用。日常运营中，桥梁不仅受密集车流等复杂交通影响，还受施工、地质活动等周边环境的影响，因此，桥梁运营安全形势日益严峻。在交通拥堵、车辆超载、环境恶化、气候灾变等耦合因素影响下，桥梁运营安全风险显著增大，轻则病害侵蚀，重则老化严重，甚至突然坍塌（Liu et al.，2019b；Riveiro et al.，2013）。例如，2009年5月17日湖南株洲红旗路高架桥坍塌，断裂的桥面致9死16伤；2016年8月28日北京北五环天桥发生坍塌，造成4人受伤；2019年10月10日江苏无锡高架桥侧翻，造成3死2伤；2020年3月2日，福州一在建桥梁的梁体倒塌，造成2死4伤。桥梁的安全状况已经受到社会各界广泛关注，《交通运输科技“十三五”发展规划》也提出“公路中小跨径桥梁、边坡安全评价和监测预警，公路基础设施状态感知与灾变预警处置”相关工作。因此，为确保已有桥梁的安全性能，亟须有针对性地对桥梁开展快速检测与安全评估方面的研究。
桥梁动挠度目前是桥梁安全状态评估的重要指标之一，如何快速、准确地获取桥梁动挠度，以及基于桥梁动挠度进行高精确安全评估已成为当前研究的热点问题。传统桥梁动挠度监测常使用接触式传感器，如加速度计、应变片、线性可变差动变压器和光纤传感器等，可以获得高精度的桥梁动挠度，但接触式传感器的测量范围小，且需要布设在桥梁表面，前期安装费时费力（Hsieh et al.，2006）。为克服接触式传感器的缺点，非接触式传感器技术逐渐成为桥梁动挠度监测的主流技术，如激光多普勒测振仪（laser Doppler vibrometer，LDV）、全球定位系统（global positioning system，GPS）、视觉测量等。利用LDV对桥梁动挠度监测的精度可达0.1mm，但其成本高，难以测量垂直于激光束的位移（Nassif et al.，2005）。GPS具有高精度、高效和全天候的优势，但数据采集频率较低（小于20Hz），且随机噪声和多路径效应易造成数据分析困难、定位结果不可信（Moschas and Stiros，2011）。视觉测量可以提供桥梁监测区域中任意点位的动挠度信息，精度可达1∶10 000，但海量的影像数据处理、大量的控制网布设及较高的光线需求等导致动挠度采集效率较低（Peddle et al.，2011）。
除了在环境激励条件下获取桥梁动挠度数据以探测桥梁损伤之外，传统的基于点、面测量的静态桥梁周期性形变监测也被广泛应用于桥梁监测，如水准测量和视距测量以及地面三维激光扫描（terrestrial laser scanning，TLS）技术等。水准测量和视距测量可以提供高精度的形变监测信息，但这类技术费时、费力，后期数据处理工作量大，并且在测量过程中存在大量的人为误差（朱小华和胡伍生，2006）。TLS技术具有数据点多、数据量大、非接触性等优势，通过获取桥梁表面的点云数据构建桥梁表面的三维形变场，以进行周期性形变分析，进而可以准确地获取桥梁表面的静态形变数据，但其扫描周期较长，较适用于小范围监测，且无法获取桥梁动态形变（Riveiro et al.，2013）。
地基干涉雷达测量是近年来兴起的一种集成合成孔径雷达和干涉测量优点的新技术，具有非接触、高精度（0.01mm）、高采样频率（1000Hz）和整体动态监测的优势，该技术可以解决传统形变监测技术测量范围小、测量距离短、精度低、受环境影响等诸多问题，在桥梁动态特性监测中得到了较为广泛的应用（Stabile et al.，2013；Pieraccini et al.，2006）。GB-SAR技术通过发射和接收雷达波实现高频率桥梁微形变动态监测，但是雷达波在大气传播中易受到温度、湿度、气压等气象因素的影响，从而降低桥梁动挠度采集精度，同时，使用该技术对桥梁动挠度进行监测还不可避免地受到地动和复杂交通等噪声因素的影响，进一步降低桥梁动挠度测量精度，进而降低基于GB-SAR设备获取桥梁动挠度数据的桥梁安全评估的可靠性。综上，本书主要介绍基于GB-SAR设备获取桥梁监测数据，使用GB-SAR技术对城市桥梁安全评估过程中大气参数优化改正以及信号降噪理论与方法进行深入研究，推动城市桥梁动挠度高精度、快速检测和安全评估的发展，研究成果对保障城市桥梁的健康运营以及降低城市桥梁健康状态巡查和维护成本具有重要的理论意义和应用价值。
1.2 GB-SAR技术的发展历程
GB-SAR技术是合成孔径雷达干涉测量（interfero metric synthetic aperture radar，InSAR）技术的新发展，其承载平台从星载转为地基，且向高精度方向发展。InSAR技术是20世纪后期发展起来的一种新型空对地测量方法，利用两副天线同时观测（双天线单轨），或者一副天线两次近似平行观测（单天线重复轨道）获取地面同一地物的影像对（张拴宏和纪占胜，2004；Bürgmann et al.，2000），通过影像的相位差，借助成像处理、干涉数据处理以及几何转换等获取地物目标的三维信息。InSAR技术的首次地球表面应用可追溯到1974年，美国国家航空航天局的Graham（1974）提出采用两个天线在水平方向上分开的机载和星载InSAR系统进行三维成像，阐述了如何从InSAR图像中提取数字高程图。1986年，Zebker和Goldstein利用机载InSAR技术对旧金山海湾地区进行了测量，这标志着InSAR由实验研究向应用研究转变（Zebker and Goldstein，1986）。根据任婧（2011）的相关研究，InSAR技术的发展主要包括以下阶段：第一阶段为20世纪70年代～80年代后期，该阶段是InSAR技术的发展阶段，这一时期主要是机载SAR到星载SAR的转变，以及InSAR技术对地观测的应用研究；第二阶段为20世纪80年代后期～90年代后期，该阶段InSAR技术的研究与应用进入快速发展时期，随着InSAR技术的成熟应用，各国学者在InSAR组织和数据处理方面进行深入研究，并发展出卫星差分雷达干涉（differential synthetic aperture radar interferometry，D-InSAR）技术；第三阶段为20世纪90年代后期至今，InSAR技术得到了稳定的发展并趋于成熟，且应用领域不断扩展，包括InSAR的硬件系统优化、软件包开发、算法优化以及应用扩展等方面。
20世纪90年代，随着InSAR技术的迅速发展，高精度应用需求随之提高，InSAR技术从星载转到地基，发展出GB-SAR技术（Takahashi et al.，2013；Leva et al.，2003），该技术借助SAR技术、步进频率连续波技术（step frequency continuous wave，SFCW）以及干涉测量技术不仅可获得高分辨率图像，还可获得毫米级的形变信息。GB-SAR技术已逐步成为研究的热点，并逐渐应用于大坝、滑坡、建筑物以及桥梁等易发生微小形变物体的形变探测领域。1999年，Tarchi等（1999）首次利用GB-SAR技术对大坝进行形变监测，首次展示了GB-SAR技术在民用工程中应用的可行性，系统主要采用矢量网络分析仪（vector network analyzer，VNA）。2003年，Ellegi公司利用线性合成孔径雷达（linear synthetic aperture radar，LiSA）技术开发了首*以VNA为基础的商业系统，后发展为LiSALab系统，英国的谢菲尔德大学研究发展的地基SAR系统、日本的东北大学研究的地基宽带极化地基SAR（ground-based polarimetric broadband synthetic aperture radar，GBPBSAR）系统以及韩国地球科学和矿产资源研究所研究的地基角扫描SAR（arc-scanning SAR，ArcSAR）系统都是以VNA为基础进行开发研究的。之后，为提高地基SAR系统的稳定性、带宽能力以及通用性，发展出了许多先进的传感器：意大利的IDS公司联合佛罗伦萨大学以地基SAR系统为基础，开发了干涉测量成像系统（imaging by interferometry survey，IBIS），该系统采用SFCW体制雷达产生、采集和记录信号，是目前较为成功的商业地基SAR系统；国内中国科学院电子学研究所研发的先进的可扫描二维轨道观测（advanced scannable two-dimensional rail observation，ASTRO）系统也采用了SFCW雷达，且具有多种工作模式，但其没有转化为商用产品。近年来发展出的调频连续波（frequency modulated continuous wave，FMCW）雷达传感器具有更快的扫描能力，荷兰的MetaSensing公司以FMCW为信号模型，研发出Fast-地基SAR系统，数据采集时间小于5s，可有效降低大气干扰；西班牙加泰罗尼亚理工大学开发的极化RiskSAR系统，采用FMCW雷达对扫描时间有很大改善，且在短期的扫描里可使用永久散射干涉技术进行测量；瑞士的Gamma Remote Sensing 公司提出基于真实孔径雷达（real aperture radar，RAR）技术的FMCW伽马便携式雷达干涉仪（Gamma portable radar interferometer，GPRI）系统，用来测量形变和地形映射；另外，乌克兰国家科学院的放射物理和电子学研究所发展出的以噪声雷达为基础的地基噪声波形SAR（ground-based noise waveform SAR，GB-NWSAR）系统也是一种新的结构模型（李俊慧，2016）。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 GB-SAR关键技术的国内外研究现状
GB-SAR技术具有非接触、高精度、高频率及整体监测的优势，国内外学者针对GB-SAR的关键技术展开了广泛的研究，在相关方面取得了一定的成果。
1. GB-SAR气象因素影响改正研究
应用GB-SAR设备获取的监测数据精度受制于场景内外界环境的干扰，其中大气效应是外界环境干扰中对精度影响较为严重的一种。GB-SAR设备通过发射和接收雷达波实现对被测目标微变形动态高频率监测，雷达波在大气传播中易受到温度、湿度、气压等气象因素的影响，导致传播路径和方向发生变化，使干涉相位中附加了大气相位误差，从而降低GB-SAR设备监测数据的精度（Liu et al.，2015；Zebker et al.，1997）。目前主要有三种降低气象因素影响的方法，包括稳定点校正法、构建永久散射体网法和大气参数模型改正法。
稳定点校正法通过测量视场内稳定目标点或已布设的角反射器的位移变化信息，按照和距离成比例关系对监测结果进行修正。黄其欢和岳建平（2017）在稳定点校正法基础上提出稳定点加权的地基SAR数据大气校正新方法并将该方法用于大坝监测，效果良好。张祥等（2011）将角反射器作为稳定控制点采集大气扰动干涉相位数据，根据相位的变化情况分析观测区域大气扰动影响，并利用稳定点法实现对其扰动误差的校正。结果表明，该类校正方法具有很好的可靠性和精确性。
构建永久散射体网法普遍用于大场景监测，利用场景内选取的相关行
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