Celem rozprawy jest ocena przydatności techniki interferometrii mikrofalowej, zastosowanej w radarze interferometrycznym IBIS, do wyznaczania przemieszczeń i odkształceń budowli inżynierskich oraz obiektów przemysłowych.
Rozdział drugi określa konieczność pomiaru przemieszczeń obiektów budowlanych w badaniach ich stanu technicznego i ocenie bezpieczeństwa konstrukcji. Badane zjawiska zostały podzielone na dwie grupy: drgania szybkozmienne oraz długotrwałe i powolne zmiany położenia obserwowanych punktów. W tekście przedstawiono podstawowe informacje związane z pomiarami drgań obiektów budowlanych. Charakterystyki dynamiczne konstrukcji, jako wielkości służące do opisu właściwości dynamicznych, zostały zdefiniowane pod kątem możliwości ich wyznaczenia przy użyciu różnych technik pomiarowych. Celowość prowadzenia pomiarów drgań została wykazana poprzez odwołania do przepisów budowlanych. Określono szeroki zakres badań dynamicznych, którym poddawane są obiekty mostowe, mających szczególne znaczenie w ich diagnostyce. Ponadto opisano zjawisko powstawania drgań wysokich obiektów o podłużnym kształcie i potrzebę wykonywania pomiarów dynamicznych tych obiektów.
W rozdziale trzecim omówiono podstawy technik radarowych. Zebrano w nim podstawowe informacje objaśniające zasadę działania radaru interferometrycznego. Przedstawiono budowę systemu ze szczególnym zwróceniem uwagi na wykorzystanie pasma mikrofal. Zjawiska fizyczne zachodzące podczas transmisji sygnału radarowego opisano z uwzględnieniem ich znaczenia we właściwym planowaniu eksperymentów badawczych i poprawnej obsługi urządzenia. Szczególny nacisk został położony na parametry opisujące transmitowany sygnał, istotne z punktu widzenia wykonywanych pomiarów, takie jak: zasięg, rozdzielczość i częstotliwość nośna. Omówiono również skokową modulację częstotliwości fali nośnej wykorzystaną w radarze i wynikające z jej użycia możliwości pomiaru zjawisk dynamicznych. Ponadto podjęty został temat anten radarowych pod kątem ich zastosowania w pomiarach oraz problematyka odbijania i propagacji mikrofal – ważna podczas realizacji prac terenowych.
Rozdział czwarty jest poświęcony podstawom techniki radarowej GBSAR z punktu widzenia prowadzonych badań. Stanowi ona naziemne zastosowanie techniki satelitarnej InSAR. Wykorzystany w pracach badawczych mikrofalowy radar interferometryczny IBIS, będący realizacją techniki GBSAR, został szczegółowo scharakteryzowany. Szczególną uwagę zwrócono na dokładność pomiaru przemieszczeń przy użyciu tego urządzenia oraz na fizyczne ograniczenia, wynikające z błędów instrumentalnych i warunków atmosferycznych. Omówiono zwłaszcza zagadnienia kluczowe w aspekcie pomiarów terenowych, takie jak: właściwe usytuowanie stanowiska obserwacyjnego względem mierzonych obiektów, optymalny dobór parametrów pomiaru oraz interpretacja profilu radarowego.
Piąty rozdział pracy dotyczy badań nad rzeczywistymi możliwościami pomiarowymi radaru interferometrycznego IBIS. Do testów wykorzystano jednostkę, pracującą w zakresie mikrofal z pasma Ku (17,1÷17,3 GHz). Eksperymentalnie zweryfikowano deklarowaną przez producenta dokładność, ale również zasięg i rozdzielczość radaru mikrofalowego. Podczas przeprowadzonych badań dokładności, przemieszczenia były realizowane na bazie testowej. W trakcie doświadczeń zmiany położenia obserwowanego elementu były jednocześnie wyznaczane przy użyciu
innych urządzeń, takich jak: interferometr laserowy, suwmiarka elektroniczna czy precyzyjny tachymetr. Dzięki temu zdefiniowane zostały problemy występujące w pomiarach radarowych, m.in.: błąd systematyczny pomiaru przemieszczeń czy spadek natężenia sygnału echa, oraz zaproponowano sposób ich eliminacji.
W rozdziale szóstym opisano eksperymenty mające na celu wyznaczenie przemieszczeń statycznych i dynamicznych rzeczywistych obiektów budowlanych z wykorzystaniem radaru interferometrycznego. Przeprowadzono także analizę zgromadzonego materiału pomiarowego w aspekcie wyznaczania częstotliwości drgań własnych badanych konstrukcji. W większości testów równolegle do rejestracji przemieszczeń przy użyciu radaru wykonywano pomiar za pomocą innych instrumentów, głównie geodezyjnych. Precyzyjny niwelator kodowy i inkrementalny enkoder optyczny posłużyły do sprawdzenia dokładności pomiaru przemieszczeń, odpowiednio statycznych i dynamicznych. Oba doświadczenia przeprowadzono na obiektach mostowych – pierwsze podczas obciążeń statycznych żelbetowej estakady, drugie w czasie obciążeń dynamicznych stalowego mostu kolejowego. Pomiary porównawcze wykonano także dla drgań kładki dla pieszych – przy użyciu odbiornika GNSS oraz przemieszczeń dynamicznych stalowego mostu kolejowego – przy użyciu tachymetru pracującego w trybie śledzenia celu. Pomiary przy użyciu tych instrumentów, mających niższą dokładność niż radar interferometryczny, dostarczyły informacji o niedoskonałościach geodezyjnych metod pomiarowych zwłaszcza do obserwacji przemieszczeń dynamicznych. Wszystkie wykonane testy miały na celu weryfikację możliwości pomiarowych radaru do pomiaru przemieszczeń obiektów budowlanych z uwzględnieniem realnych warunków terenowych.
Badania przedstawione w niniejszej pracy oraz analiza otrzymanych wyników mają na celu uzasadnienie następującej tezy badawczej. Technika naziemnej interferometrii mikrofalowej, dzięki wysokiej dokładności, częstotliwości i rozdzielczości pomiaru, pozwala pozyskiwać dane o istotnym znaczeniu dla badania przemieszczeń i odkształceń obiektów budowlanych oraz w zasadniczy sposób przyczynia się do wzbogacenia materiału służącego do oceny bezpieczeństwa konstrukcji.
The use of microwave interferometry to determine the displacements and deformations of engineering and industrial structures
The aim of the thesis is the evaluation of the suitability of microwave interferometry technology, used in the IBIS radar interferometer, to determine the displacements and deformations of engineering and industrial structures.
The second chapter defines the need for measuring displacement of structures in the study of technical condition and structural safety assessment. The studied phenomena were divided into two groups: short-term vibration and slow, long-lasting changes of position of observed points. The text presents the basic information related to the measurement of structure vibration. Dynamic characteristics of the structure, as the quantities used for the description of the dynamic properties, are defined in terms of the possibility of using different measuring techniques. Necessity for vibration measurements has been demonstrated by reference to civil engineering technical regulations. Wide range of dynamic tests, which are particularly important in the diagnosis of bridges, was identified. In addition, the phenomenon of vibration excitation of high, elongated-shaped structures was also described, as well as the need to perform dynamic measurements of these objects.
The third chapter discusses the basics of radar techniques. Essential information explaining the principles of radar interferometer work was collected. The structure of the system with particular emphasis on the use of the microwave band was presented. Physical phenomena occurring during the transmission of radar signals are described in terms of their importance in the proper planning of research experiments and correct operation of the device. Particular attention was paid to the parameters describing the transmitted signal, important from the point of view of performed measurements, such as: range, resolution, and carrier frequency. The stepped frequency continuous wave modulation used in the radar was also discussed, as well as its ability to measure the dynamic phenomena. In addition, the subject of radar antennas in terms of their use in the measurements was presented. The text discusses also the problems of reflection and microwave propagation – important during field work.
The fourth chapter is devoted to the basics of the GBSAR radar technique in terms of performed research. It presents the use of ground-based InSAR satellite technology. The IBIS microwave radar interferometer used in research, which implements GBSAR technique, has been described in detail. Particular attention was paid to the accuracy of the displacement measurement using this device and the physical limitations resulting from the instrumental errors and atmospheric conditions. The text discusses especially the key issues in terms of field measurements, such as: proper observation positioning relative to the measured objects, the optimal selection of measurement parameters and interpretation of radar profile.
The fifth chapter of this thesis concerns the study of the real measuring capabilities of the IBIS radar interferometer. In the research the radar unit, working in the Ku microwave band (17.1÷17.3 GHz), was used. The accuracy claimed by the manufacturer and also the range and resolution of the microwave radar were experimentally verified. During the study of accuracy, displacement were created on the test base. In the experiments the changes of element’s position were also measured by another devices, such as: laser interferometer, electronic caliper or the precise total
station. In this way, the problems present in radar measurements, such as: displacement measurement systematic error or decrease of the echo signal intensity, were defined. The way of their elimination is also proposed.
The sixth chapter describes experiments designed to determine the static and dynamic displacements of real structures using the radar interferometer. The analysis of the collected material in the context of determining the natural frequency of the studied structure was carried out. In most of the tests recording of movements using radar measurements was performed simultaneously using another instruments, mainly surveying. Precise level and incremental optical encoder were used to verify the displacement measurement accuracy, static and dynamic, respectively. Both experiments were carried out on the bridge structures – the first one during the static loads of the reinforced concrete flyover and the second one during dynamic loads of the steel railway bridge. Comparative measurements were made also for the footbridge vibration – using GNSS receiver and the dynamic displacements of the steel railway bridge – with a total station operating in the tracking mode. Measurements using these instruments, with lower accuracy than the radar interferometer, provided information about the shortcomings of surveying measurement methods for observing displacements, especially dynamic. All tests were performed to verify the measurement capabilities of radar to measure the displacement of structures including the real field conditions.
The research presented in this paper and the analysis of the results are intended to justify the following thesis. Ground-based microwave interferometry technique, with high accuracy, resolution and frequency measurement, allows to obtain data that are important for the study of displacements and deformations of structures and substantially contributes to the enrichment of the material used to assess the safety of structures.
