IJkdijk Eindrapport AIO SVT. All-in-One / Sensor Validation Test. Zuiddijk Experiment

Transcriptie

1 IJkdijk Eindrapport AIO SVT All-in-One / Sensor Validation Test Zuiddijk Experiment

2 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 1 of 15 Inhoud Deel A - Factual rapport FastGBSAR sensor kenmerken Sensor configuratie en locatie Meetomstandigheden Metingen Resultaten...9 Deel B - Analyse...14 Deel C - Meerwaarde voorspellingen

3 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 2 of 15 Deel A - Factual rapport MetaSensing heeft dit jaar in augustus / september meegedaan aan de IJkdijk All-in- One/Sensor Validation Test met het nieuw sensor, de Fast Ground Based Synthetic Aperture Radar (FastGBSAR). Het instrument gebruikt een innovatieve radar remote sensing technologie om vervormingen van het waargenomen gebied op kaart te brengen. De All-in-One/Sensor Validation Test 2012 bestaat van 2 onderdelen: Westdijk piping experiment augustus 2012 Zuiddijk macrostability experiment 3-8 september 2012 De meetresultaten worden in dit rapport gepresenteerd. 1 FastGBSAR sensor kenmerken De FastGBSAR is het eerste instrument op de markt dat tweedimensionale kaarten kan produceren, op basis van een radartechnologie met een herhalingstijd van minder dan 5 seconden. Daarmee, kunnen er vervorming tijdreeksen met een hoge resolutie gegenereerd worden, met gedetailleerde informatie die nuttig is om de betrokken vervorming mechanismen vast te stellen en, uiteindelijk, om een inkomende gebrek te voorspellen. De FastGBSAR is een actief systeem, wat betekent dat het zijn eigen verlichting aflevert op de bewaakte scenario. Dankzij zijn microwave signalen, kan het sensor efficiënt werken tijdens dag en nacht en het kan mist en wolken dringen. De FastGBSAR is een remote sensing instrument, wat betekent dat de metingen worden uitgevoerd vanaf afsatnd, zonder de bewakte structuur te raken. De FastGBSAR is samengesteld uit de radarsensor met antennes, een lineaire aandrijving, een stroom voeding en de besturingseenheid. De specificaties en eigenschappen van de boven vermeld apparaten worden in de volgende gegeven: Middenfrequentie: 17.2 GHz, golflengte: mm (Ku-band); Bandbreedte: 200 MHz; Aandrijving lengte: 2 m; Maximale actieradius: 4 km; - 2 -

4 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 3 of 15 Maximale resolutie: 0.75 m range, 4.4 mrad cross-range; Beeldafname duur: 4 sec. Figure 1: Foto van de FastGBSAR sensor. Om tweedimensionale vervorming kaarten te vormen, worden drie basistechnieken gebruikt: FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave): In plaats van een enkele frequentie, de sensor stuurt een frequentieband, dus een signaal met een frequentie dat verandert continu in de tijd. Daarom kan de sensor onderscheiden reflecties van verschillende afstanden (afstandsresolutie); SAR (Synthetic Aperture Radar): De sensor beweegt terwijl herhaaldelijk verzenden van het FMCW signaal. Daarmee wordt de antennegrootte synthetisch vergroot, wat leidt tot de mogelijkheid om op reflecties vanaf verschillende horizontale hoeken (crossrange-resolutie) te onderscheiden; Interferometry: Elke pixel van het verkregen tweedimensionale beeld bevat amplitude en fase die de reflecterende eigenschappen van de waargenomen scène veerbelden. Door het berekenen van het faseverschil tussen twee beelden, line-of-sight bewegingen van een target binnen een resolutie cel kunnen gemeten worden met sub-millimeter nauwkeurigheid. Tijdreeksen kunnen eenvoudig geproduceerd worden voor elk beeld pixel door herhaalde metingen. Figuur 2 illustreert het het concept van FastGBSAR beeldresolutie op een dijk

5 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 4 of 15 Figure 2: FastGBSAR meten setup en beeld resolutie. De nauwkeurigheid van de FastGBSAR is afhankelijk van vele aspecten. De nauwkeurigheid voor elke pixel wordt gegeven door de signaal/ruis verhouding van het gereflecteerde signaal. Dus de reflectiviteit bepaalt hoofdzakelijk de haalbare nauwkeurigheid. Ruis van de omgeving, de atmosfeer, de wind en regen, kan in aanmerking worden genomen door het schatten van signaal en ruis termen uit de tijdreeks van elke pixel. Met goede reflecterende objecten, bijvoorbeeld metaal-voorwerpen, nauwkeurigheden tot 0,01 mm zijn mogelijk op korte afstanden. Voor langere afstanden (enkele honderden meters), de maximale nauwkeurigheid wordt ongeveer 0,1 mm en voor enkele kilometers woordt het ongeveer 1 mm. 2 Sensor configuratie en locatie Tijdens de IJkdijk experimenten werd een prototype van de FastGBSAR gebruikt met de volgende specificaties: Middenfrequentie 17.2 GHz; Bandbreedte 200 MHz, range resolutie 0.75 m; Effectief rail lengte 1.6 m, cross-range resolutie 5.4 mrad; Horn antennes met 15 dbi winst en 32 beam breedte; Overname herhalen interval tussen 1 min (rustige periode) en 12 sec (kritische periode)

6 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 5 of 15 Tijdens het piping experiment, werd de sensor aangebracht voor de twee bekkens, ter controle van de West dijk. Tijdens het macrostabiliteitsexperiment experiment werd het instrument geplaatst voor het Zuiden dijk aan de linkerkant. Om een stabiele installatie, zicht op de dijk oppervlak en om de sensor te beschermen tegen de dijk afbreek, werd de rail op betonnen blokken geplaatst, op afstand van de dijk 35 tot 45 m in het West dijk en 60 tot 90 m bij de Zuid-dijk. De sensor installatie en een schets van de plaatsen waar het instrument is geïnstalleerd tijdens de twee experimenten worden getoond in Figuur 3 en Figuur 4, respectievelijk. De 3 db antenne beambreedte (de ruimtehoek waarin het uitgestraalde vermogen ten minste de helft van het maximum vermogen is) is 32. Op het horizontale dimensie, dit leidt tot een bereik van 26 m langs de West dijk en 50 m langs de Zuid-dijk. Elementen die behoren tot gebieden die niet onder de antenne beam vallen, kunnen echter nog steeds zichtbaar zijn als hun reflecterende eigenschappen zijn sterk (bijvoorbeeld metalen voorwerpen en rotsachtige ondergronden). Figure 3: FastGBSAR prototype geïnstalleerd op een betonnen kelder

7 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 6 of 15 Figure 4: Installatie locaties van FastGBSAR tijdens de piping en de macro-stabiliteit experimenten. 3 Meetomstandigheden Zoals eerder beschreven, zijn de verplaatsingen van de bewakte taludoppervlak uit de fase van de opname. Naast verplaatsingen door real grondbewegingen zijn andere effecten ook aanwezig in de fase. Deze zijn vooral atmosferische effecten en ruis. Veranderingen in de luchtvochtigheid hebben invloed op microgolven. Vanwege de korte afstand tussen instrument en dijk minder dan 100 m, atmosferische effecten kan gemakkelijk gecorrigeerd worden: een vochtigheid verandering van 1% veroorzaakt een valse verplaatsing van ongeveer 0,2 mm op 100 m afstand, die kunnen worden aanvaardbaar geacht. Het effect van ruis hangt af van het geretourneerde signaal sterkte. Hoe beter doelstelling weerspiegelt, hoe beter de signaal-ruisverhouding. Gras bedekte hellingen zijn dan ook moeilijke situaties voor radar-instrumenten, omdat de geretourneerde signaal zeer zwak is. Bovendien, de vegetatie, bewegende in de wind, veroorzaakt extra ruissoverlast voorwaarden. Dit kan vooral worden opgemerkt tijdens de winderige en regenachtige omstandigheden

8 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 7 of 15 Om de zichtbaarheid van specifieke en belangrijke punten op de dijk te verbeteren, zijn licht metalen mini-hoek reflectoren (10 cm lengte van de zijde) gelpaatst op de waargenomen scenario's. Verder, werd er een hoek reflector op een statief in een stabiel gebied geplaatst als referentie voor eventuele atmosferische effecten (zie figuur 5). De fase van een ontvangen signaal is afhankelijk van de dichtheid van het medium. In het geval van de atmosfeer, de vochtigheid bepaalt meestal de dichtheid en dus het faseverandering, geïnduceerd tijdens de verspreiding. De fase tijdreeksen van deze reflector, vertoonden geen significante veranderingen in de atmosfeer die moeten gecorrigeerd worden. Dat is vooral een voordeel van de korte afstand, minder dan 100 meter. Figure 5: Referentie mini-hoek reflector op een statief tijdens de macro-stabiliteit experiment. Tijdens het macro-stabiliteit experiment werden er zeven reflectoren geplaatst op de Zuiddijk. Deze werden dichtbij de locaties van de inclinometers van Deltares geïnstalleerd voor data vergelijkingsdoeleinden. De locaties van de hoek reflectoren in de twee experimenten worden getoond in figuur

9 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 8 of 15 Figure 6: Hoek reflectoren locaties op de Zuiddijk. De korte meetduur van de FastGBSAR maakt het mogelijk om accuraat observeren bewegingen zelfs op het gras bedekte hellingen. Zowel de korte verwervingstijd en de korte herhalingstijd van het instrument, aanzienlijk verminderen ruis. Bovendien, de FastGBSAR maakt het monitoren van snel bewegende hellingen mogelijk, sinds de maximale waarneembaar verplaatsing -tussen twee beelden beperkt tot ± 4,3 mm, een kwart van de golflengte. Dit is een algemene beperking van de interferometrische techniek veroorzaakt door het feit dat het aantal volledige cycli in fase-tussen twee beelden onbekend is. Dus een korte herhalingstijd van de metingen is van groot belang voor kwaliteit vervorming mapping. In beide experimenten, werden de metingen FastGBSAR gedeeltelijk verstoord door de bewegende kranen graven voor de dijk. Dit veroorzaakte ruis omdat metalen structuren zijn zeer sterk reflectoren en ze kunnen maskeren de veel minder als gevolg van gras bedekte hellingen. Vooral in de Zuid-dijk, werd de uitgegraven grond deels geplaatst in de lijn van het zicht, die vaak het onderste deel van de dijk, met inbegrip van de hoek reflectoren. Deze situaties kunnen worden gedetecteerd in de gegevens door een significante daling van de amplitude in gereflecteerde echo. 4 Metingen Op het Zuiddijk experiment, dat plaatsvond van 3 tot 8 september 2012, werden ongeveer 9700 beelden verzameld. De metingen van het systeem waren betrouwbaar gedurende de hele periode

10 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 9 of 15 Vermogen en verplaatsing kaarten worden in een lokale driedimensionaal Cartesisch coördinatenstelsel, met de oorsprong in het centrum van de rail, de Z-as naar boven georiënteerd, de Y-as richting de dijk en de X-as vervolgens een rechtshandige systeem. In figuur 7 is het coördinatensysteem weergegeven. De data wordt geproduceerd als een tweedimensionaal beeld met range en cross-range resolutie. Daaruit kunnen x en y rechtstreeks worden berekend en in 2D weergegeven. Voor het weergeven van kaarten op een driedimensionaal coördinatenstelsel (X, Y, Z), moeten de gegevens worden uitgezet op een digitaal hoogtemodel. Figure 7: 2D (links) en 3D (rechts) assenstelsel, zoals gebruikt in de FastGBSAR karten, tijdens de twee experimenten. Verplaatsing kaarten worden gegeven in de line-of-sight richting: Positieve verplaatsingen zijn bewegingen uit de buurt van de radar; negatieve verplaatsingen bewegingen naar de radar. De tijd wordt in UTC gegeven. 5 Resultaten Het gereflecteerde vermogen in de Zuid oeverwal is getoond in figuur 8. De containers boven op de dijk en de hoek reflectoren (gekenmerkt door witte driehoeken en overeenkomen met de locaties van de inclinometers) kan worden geïdentificeerd door hun grote vermogen

11 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 10 of 15 Figure 8: De gemiddelde gereflecteerde vermogen in Zuid-dijk, in kaart gebracht op een digitaal hoogtemodel. De hoek reflector posities worden gemarkeerd door witte driehoeken. De radar was gevestigd in het coördinatensysteem oorsprong. De tijdreeks voor de zeven hoek reflectoren en geselecteerde pixels in de containers zijn weergegeven in de volgende pagina's. De pixellocaties worden getoond in figuur 9. Op basis van de toenemende vervorming, gemerkt door FastGBSAR, op dag 4 06:00 UTC, het meetinterval werd verminderd van 60 sec tot 30 sec en tenslotte op dag 5 07:00 UTC van 30 sec tot 12 sec, om meer informatie te verzamelen tijdens de meest dynamische periode. Figure 9: Locatie van geselecteerde pixels voor de tijdreeksen in de Zuid dijk. De hoek reflector posities worden gemarkeerd door witte driehoeken

12 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 11 of 15 De verplaatsing tijdreeksen zijn weergegeven in figuur 10 en figuur 11. Snelheid en de versnelling kan worden afgeleid uit de verplaatsing en worden getoond in figuur 12 en figuur 13, respectievelijk. Kleine verplaatsingen (<10 cm) kan worden waargenomen langs de experiment periode uitgraving of het vullen van de containers. De pre-failure tijd kan worden gekwantificeerd in een velen uren, veel korter in vergelijking met het experiment op de West dijk, maar nog steeds voldoende voor een vroegtijdige waarschuwing. a) b) Figure 10: Verplaatsing tijdreeks compleet controleperiode in de Zuid dijk op de hoek reflectoren (a) en geselecteerde pixels in de containers (b). De tijd van instorten wordt gekenmerkt door de zwarte lijn

13 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 12 of 15 a) b) Figure 11: Verplaatsing tijdreeks voor de storing in de Zuid dijk op de hoek reflectoren (a) en geselecteerde pixels in de containers (b). De tijd van instorten wordt gekenmerkt door de zwarte lijn

14 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 13 of 15 Figure 12: Snelheid tijdreeksen in de Zuid-oeverwal van de hoek reflectoren afgeleid van verplaatsingen. De tijd van instorten wordt gekenmerkt door de zwarte lijn. Figure 13: Acceleratie tijdreeksen in de Zuid-oeverwal van de hoek reflectoren afgeleid van verplaatsingen. De tijd van instorten wordt gekenmerkt door de zwarte lijn

15 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 14 of 15 Deel B - Analyse De eerste duidelijke beweging van meer dan 5 cm in korte tijd werd geregistreerd door de FastGBSAR rond dag 4 05:00 UTC. De dijk stabiliteit herstelde nog steeds na een korte tijd. De uiteindelijke instorting begon rond dag 5 08:00 UTC. Vanaf deze tijdstip, de dijk de dijk werd steeds meer instabiel. De instorting vond plaats rond dag 5 12:45 UTC. Naast de verplaatsing, ook de terugkerende vermogen is vol met waardevolle informatie, zoals weergegeven in figuur 14. De tijd van instorten kan worden opgehaald uit de plotselinge daling van de vermogen op de container pixels. In feit, vanwege het instorten, de container wordt uit de resolutie cel verplaatst. Figure 14: Amplitude tijdreeksen in de Zuid dijk van een aantal pixels op de containers. De tijd van instorten wordt gekenmerkt door de zwarte lijn

16 IJkdijk 2012 Eindrapport Zuiddijk Page 15 of 15 Deel C - Meerwaarde voorspellingen Zoals in de vorige paragrafen, de FastGBSAR sensor is een zeer nuttig instrument voor dijk falen voorspelling en vroegtijdige waarschuwing toepassingen. In beide IJkdijk experimenten, de FastGBSAR voorzag de dreigende dijk falen met enkele uren van te voren met betrekking tot de ineenstorting van de structuur. Door naar de geproduceerd verplaatsing kaarten en tijdreeksen kijken, het kan worden geconcludeerd dat de FastGBSAR een betrouwbare en robuuste instrument aangezien alle indicaties convergeren naar dezelfde conclusie: een dijk falingspredictie precies op de plaats waar het daadwerkelijk heeft plaatsgevonden. Een duidelijke toegevoegde waarde van de gebruikte sensor is dat het mogelijk maakt het produceren, met slechts een overname, van vervorming kaarten van de hele waargenomen scenario. Andere instrumenten vereisen meerdere punctuele waarnemingen van specifieke punten gecombineerd tot een kaart, deze verhoging van het risico van het missen van de aanstaande instorting. Tijdens het experiment werden amplitude (kracht) beelden, tijdreeksen en displacement maps geproduceerd in bijna real-time (enkele seconden). Hoewel de interpretatie van de radargegevens vereist gewoonlijk een deskundig oog, dankzij de FastGBSAR grafische gebruikersinterface, gegevens over de dijk vervorming ter beschikking werd gesteld in een duidelijk leesbaar formaat in een quasi-real-time. Andere belangrijke voordelen van de FastGBSAR zijn de remote sensing operationele kenmerken, zonder de noodzaak van het installeren van apparatuur op de structuur te controleren, en de all-weather operatie, die is een kostbaar kenmerk gezien het feit dat vaak problemen ontstaan wanneer de weersomstandigheden slecht zijn