2 種邊坡監(jiān)測雷達(dá)在露天礦的應(yīng)用分析

王立文，韋忠跟，張東旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

21 世紀(jì)以來，我國露天礦山的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，開采深度不斷增加，其邊坡穩(wěn)定性問題也日漸突出，呈現(xiàn)頻繁化、復(fù)雜化發(fā)展，這對我國露天礦山現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警體系提出了更高要求。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各大露天礦山越來越傾向于采用智能化、非接觸、高精度的邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)來完善自身的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1-3]。

邊坡監(jiān)測雷達(dá)就是一種新型的邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，它能夠?qū)崟r、直觀及形象地反映邊坡的微小變形情況，具有監(jiān)測距離遠(yuǎn)、測量范圍廣、分辨率高及適應(yīng)性強等優(yōu)點[4]。

目前我國各大露天礦山主流應(yīng)用的邊坡監(jiān)測雷達(dá)按技術(shù)原理劃分主要有2 類，一類是真實孔徑雷達(dá)，另一類是合成孔徑雷達(dá)。為此從2 類邊坡監(jiān)測雷達(dá)的設(shè)計概念出發(fā)，通過分析不同類型的雷達(dá)技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警體系中的運行機制，為國內(nèi)各大露天礦山的邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究提供一定參考。

1 邊坡監(jiān)測雷達(dá)

邊坡監(jiān)測雷達(dá)是一種用于露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測及預(yù)警的設(shè)備，能夠?qū)ΦV山邊坡、山體、地表以及礦區(qū)建筑等易發(fā)生微小變形的物體進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該設(shè)備無需布置在邊坡表面，即能以亞毫米的精度對整個邊坡進行監(jiān)測預(yù)警，可以做到大范圍、遠(yuǎn)距離、全天候的高精度測量。通過快速識別潛在的不穩(wěn)定區(qū)域，可以準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時間，最大限度地減少邊坡崩塌引起的災(zāi)害事故，有效保障作業(yè)人員與車輛的安全，還可以對礦區(qū)存在邊坡安全隱患的區(qū)段進行實時動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)安全生產(chǎn)效率最大化。

目前邊坡監(jiān)測雷達(dá)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用，這項新技術(shù)與傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)（例如GNSS 或測量機器人等）相比[5-6]，有以下優(yōu)點：①監(jiān)測精度高：可以達(dá)到±0.2 mm 的高精度測量；②監(jiān)測距離遠(yuǎn)：可以達(dá)到4 000 m；③監(jiān)測范圍廣：可以覆蓋大部分被測邊坡；④非接觸：無需布設(shè)到被測邊坡，保障人員與設(shè)備的自身安全；⑤全天時：可以24 h 不間斷運行，實時采集、處理及傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；⑥全天候：在任何氣候條件下均可操作（不受灰塵、雨雪、霧霾等干擾）。

2 雷達(dá)類型

2.1 技術(shù)原理和技術(shù)參數(shù)

1）真實孔徑雷達(dá)。真實孔徑雷達(dá)技術(shù)是一種基于差值干涉測量法，利用雷達(dá)波測量邊坡微小變形的新一代邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[7]。雷達(dá)以亞毫米級精度對被測邊坡進行分區(qū)域、連續(xù)、反復(fù)的逐行掃描，再通過處理器將掃描數(shù)據(jù)與前一組掃描數(shù)據(jù)進行對比解析，從而確定邊坡的位移和速度變化程度，并將位移數(shù)值和速度數(shù)值圖形化于計算機界面，無需DEM 模型輔助，即可直接獲得真實的三維變形數(shù)據(jù)，真實孔徑雷達(dá)的掃描方式如圖1。

圖1 真實孔徑雷達(dá)的掃描方式

2）合成孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)衍生于航空航天測繪技術(shù)，其基于差分干涉雷達(dá)（DInSAR）技術(shù)，以運動軌道代替真實孔徑，通過軌道的往復(fù)運動獲取被測邊坡時間序列的回波數(shù)據(jù)[8-9]。利用干涉技術(shù)計算出位移變形信息，最終獲得邊坡的形變量、形變速率等參數(shù)，其最初所得為二維的距離向和方位向變形數(shù)據(jù)，需要相應(yīng)的DEM 模型等多種計算程序輔助才能轉(zhuǎn)換為模擬的三維變形數(shù)據(jù)，合成孔徑雷達(dá)的掃描方式如圖2。

圖2 合成孔徑雷達(dá)的掃描方式

3）技術(shù)參數(shù)。兩類邊坡監(jiān)測雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)主要來自于國內(nèi)各大露天礦山的現(xiàn)場實踐應(yīng)用設(shè)備，僅作為參考數(shù)據(jù)，其它同類型設(shè)備在部分技術(shù)細(xì)節(jié)和參數(shù)上可能存在差異，但對比數(shù)據(jù)基本可以反映兩類邊坡監(jiān)測雷達(dá)的特點和差異，2 種雷達(dá)參數(shù)對比表見表1。

表1 2 種雷達(dá)參數(shù)對比表

2.3 技術(shù)差異

2.3.1 掃描方式

從圖1 可以看出，真實孔徑雷達(dá)是通過雷達(dá)天線進行大幅度轉(zhuǎn)動，對被測邊坡進行步進逐行掃描，其掃描范圍取決于雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動角度。雷達(dá)天線根據(jù)機械結(jié)構(gòu)特點可以做到相對較大的水平方向和垂直方向運動，而雷達(dá)波的發(fā)射角度隨雷達(dá)天線的轉(zhuǎn)動角度變化，因此可以更好的覆蓋傾角較大或曲面弧度偏大的高陡邊坡[10]。

從圖2 可以看出，合成孔徑雷達(dá)是雷達(dá)天線在運動導(dǎo)軌上沿著與被測邊坡平行的面進行水平往復(fù)掃描，其掃描范圍取決于雷達(dá)天線與被測邊坡的距離，距離越遠(yuǎn)，監(jiān)測范圍越大。雷達(dá)天線根據(jù)機械結(jié)構(gòu)特點只能做水平往復(fù)運動，因此雷達(dá)波的發(fā)射角度是固定的，其掃描的水平、垂直角度較小，比較適合坡度較緩或曲面弧度較小的低緩邊坡。

2.3.2 監(jiān)測單元

真實孔徑雷達(dá)的監(jiān)測單元如圖3。從圖3 可以看出，真實孔徑雷達(dá)是以單個圓形光斑形成的像素點在一定角度下沿被測邊坡表面掃描，漸進式的覆蓋全部監(jiān)測區(qū)域。通過雷達(dá)的步進逐行掃描，獲得每個像素點三維空間上的變形數(shù)據(jù)，再將每個像素點的地理坐標(biāo)進行集合運算，最終生成的監(jiān)測云圖為三維圖像，其監(jiān)測單元為圓形光斑的像素點。

圖3 真實孔徑雷達(dá)的監(jiān)測單元

合成孔徑雷達(dá)的監(jiān)測單元如圖4。從圖4 可以看出，合成孔徑雷達(dá)是根據(jù)雷達(dá)與被測邊坡的距離以及需要監(jiān)測的范圍將監(jiān)測區(qū)域分割成很多二維的扇形方框像素點。通過雷達(dá)的水平往復(fù)掃描，獲得每個像素點距離向和方位向的變形數(shù)據(jù)，需要相應(yīng)的計算程序輔助并與DEM 模型相融合才能轉(zhuǎn)換為三維圖像，其監(jiān)測單元為扇形方框的像素點。

圖4 合成孔徑雷達(dá)的監(jiān)測單元

2.3.3 氣候校正

現(xiàn)場實踐工作中，邊坡監(jiān)測雷達(dá)往往需要布設(shè)在正對被測邊坡的位置，這導(dǎo)致雷達(dá)距離被測邊坡較遠(yuǎn)（200～3 000 m），其發(fā)射的雷達(dá)波在掃描的過程中受自然氣候條件（例如塵、霧、雨、雪及氣壓等）影響較大。因此在使用雷達(dá)進行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警時，為使采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，需要校正不同氣候參數(shù)下對于雷達(dá)波的影響，而真實孔徑雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)在氣候校正方式上差異較大。

真實孔徑雷達(dá)是技術(shù)人員根據(jù)邊坡現(xiàn)場實際變形情況指定邊坡上某一變形相對較小且基本保持穩(wěn)定的區(qū)域，設(shè)置為邊坡穩(wěn)定參考區(qū)。通過解析邊坡穩(wěn)定參考區(qū)掃描數(shù)據(jù)的相對變化來進行全部掃描數(shù)據(jù)的校正。邊坡穩(wěn)定參考區(qū)一般設(shè)置在被測邊坡的內(nèi)部，其數(shù)據(jù)已經(jīng)包含在被測邊坡的掃描數(shù)據(jù)中，因此只需要掃描被測邊坡2 次，即可獲得穩(wěn)定參考區(qū)的氣候校正模型，其氣候校正過程比較快捷。

合成孔徑雷達(dá)是通過對比一系列已有數(shù)據(jù)（一般為15 組掃描數(shù)據(jù)）后，通過計算程序輔助尋找被測邊坡受氣候影響較小的穩(wěn)定區(qū)域，然后解析該穩(wěn)定區(qū)域來建立氣候影響修正模型，進而校正下一組的掃描數(shù)據(jù)，其氣候校正過程比較智能。

當(dāng)露天礦的氣候發(fā)生劇烈變化（如颶風(fēng)、冰雹、暴雪及雷陣雨等不確定因素）時，容易造成當(dāng)前掃描數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的氣候校正模型差異過大，其氣候校正的滯后性會對雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，因此掃描數(shù)據(jù)的氣候校正過程快慢與否直接影響雷達(dá)的監(jiān)測精度。一般而言，由技術(shù)人員根據(jù)邊坡現(xiàn)場實際變形情況指定的邊坡穩(wěn)定參考區(qū)比軟件程序自動計算出的邊坡穩(wěn)定參考區(qū)更加可靠、準(zhǔn)確。

2.3.4 掃描速度

由表1 可以看出，真實孔徑雷達(dá)的單次掃描速度一般為2～4 min，根據(jù)氣候校正模型的不同，其掃描被測邊坡2 次即可獲取真實可用的監(jiān)測數(shù)據(jù)，固真實孔徑雷達(dá)獲取邊坡變形數(shù)據(jù)的時間為4～8 min。

合成孔徑雷達(dá)的單次掃描速度一般為1 min，根據(jù)氣候校正模型的不同，其需要掃描被測邊坡多次（一般為15 組掃描數(shù)據(jù)）才能獲取真實可用的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此合成孔徑雷達(dá)獲取邊坡變形數(shù)據(jù)的時間為15 min。

由此看出，雖然真實孔徑雷達(dá)的單次掃描速度不及合成孔徑雷達(dá)，但獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)所需的掃描次數(shù)較少，因此獲取真實可用的邊坡變形數(shù)據(jù)的時間比合成孔徑雷達(dá)快速。

2.3.5 工作平臺

真實孔徑雷達(dá)具有可移動性的特點，其工作平臺設(shè)計有拖車裝置，可以快速布設(shè)在任何位置，方便對不同方向的邊坡進行監(jiān)測預(yù)警，提高了設(shè)備的機動性和靈活性。同時拖車裝置帶有伸縮支架，可以平穩(wěn)的固定在地表坡面，避免設(shè)備自身的微小位移影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

合成孔徑雷達(dá)由于掃描方式的特性限制了布置地點的選取。雷達(dá)必須安裝在正對被測邊坡的位置，同時其要求的監(jiān)測范圍也決定了雷達(dá)與被測邊坡的距離，因此布設(shè)地點的選擇在合成孔徑雷達(dá)的邊坡監(jiān)測預(yù)警工作中是十分重要的。在實踐應(yīng)用中，合成孔徑雷達(dá)對戶外工作環(huán)境的適應(yīng)性較低，無法長時間在煤塵、風(fēng)沙、雨雪、低溫等自然氣候條件下正常運行，因此需要建設(shè)戶外保護設(shè)施（監(jiān)測房），這導(dǎo)致合成孔徑雷達(dá)只能固定在某一位置進行長期的邊坡監(jiān)測預(yù)警，無法方便快捷的進行移設(shè)，降低了設(shè)備對其它邊坡的應(yīng)急監(jiān)控能力。

3 結(jié)語

1）2 種不同類型的邊坡監(jiān)測雷達(dá)都可以做到大范圍、遠(yuǎn)距離、全天候的高精度測量，實現(xiàn)早監(jiān)測、早識別、早預(yù)警、早處置的智能化邊坡監(jiān)測預(yù)警目標(biāo)，為我國各大露天礦山的持續(xù)健康發(fā)展創(chuàng)造更加穩(wěn)定的安全生產(chǎn)環(huán)境。

2）真實孔徑雷達(dá)通過步進逐行掃描可以得到真實的三維圖像；合成孔徑雷達(dá)通過水平往復(fù)掃描得到的是二維圖像，需要相應(yīng)的DEM 模型等多種計算程序輔助才能轉(zhuǎn)換為模擬的三維圖像。在現(xiàn)場實踐應(yīng)用中，三維圖像可以更加形象的反映邊坡的實際變形情況。

3）根據(jù)2 類邊坡監(jiān)測雷達(dá)的技術(shù)特點可以看出，真實孔徑雷達(dá)比較適用于高陡邊坡，尤其是傾角較大或曲面弧度偏大的深凹露天礦，其掃描覆蓋率、變形識別率和監(jiān)測準(zhǔn)確率比較高，而合成孔徑雷達(dá)比較適用于坡度較緩或曲面弧度較小的低緩邊坡，其監(jiān)測距離越遠(yuǎn)、監(jiān)測范圍越大。