真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)與合成孔徑邊坡雷達(dá)技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用*

徐玉龍

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著露天礦的快速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性問題備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)各大露天礦也開始升級(jí)自身的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，其中邊坡雷達(dá)作為一種全新的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛認(rèn)可和應(yīng)用［1］。邊坡雷達(dá)的工作原理是通過收發(fā)雷達(dá)波來(lái)測(cè)量物體的移動(dòng)情況。目前，在國(guó)際上邊坡雷達(dá)主要有2 種，一種為真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)，一種為合成孔徑邊坡雷達(dá)，兩者均應(yīng)用在露天礦邊坡及類似人工邊坡領(lǐng)域，具有監(jiān)測(cè)邊坡變形、監(jiān)視巖壁穩(wěn)定性和對(duì)邊坡變形起到精確預(yù)報(bào)的作用。兩者在技術(shù)原理、掃描方式、技術(shù)參數(shù)、校正方式、兼容性等方面有較大差別，本研究主要通過應(yīng)用，討論不同雷達(dá)技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)方面的異同，來(lái)分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，為用戶提供參考資料。邊坡雷達(dá)技術(shù)使得邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加完善，形成自動(dòng)化、智能化的面狀監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)槁短斓V邊坡監(jiān)測(cè)體系建設(shè)提供理論基礎(chǔ)，有著較好的應(yīng)用前景。

1 邊坡雷達(dá)技術(shù)介紹

1.1 真實(shí)孔徑雷達(dá)

真實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)基本原理主要是雷達(dá)發(fā)送電磁波到目標(biāo)位置，通過接受目標(biāo)物反射的電磁波獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［2］。其中，目標(biāo)物即需監(jiān)測(cè)的邊坡，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為邊坡的位移信息。位移信息可從雷達(dá)信號(hào)的相位變化信息得到，若邊坡未變形，返回信號(hào)的相位不變；反之，返回信號(hào)的相位將產(chǎn)生變化，如圖1所示。

真實(shí)孔徑雷達(dá)是通過無(wú)線電波單次反射成像，成像單元是獨(dú)立的。它直接加大天線孔徑和發(fā)射窄脈沖的辦法來(lái)獲取高分辨率雷達(dá)圖像。通過專用軟件將雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)位移變化量超過設(shè)定臨界閾值時(shí)，就會(huì)及時(shí)報(bào)警，從而使礦區(qū)人員能夠及時(shí)了解邊坡的預(yù)警信息，保障露天礦的生產(chǎn)安全。

1.2 合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)是基于差分干涉測(cè)量技術(shù)（SAR）的一種雷達(dá)。差分干涉是利用雷達(dá)2 次不同位置獲取的同一監(jiān)測(cè)區(qū)域的相位，相位的變化反映了由于地物位置的不同而造成的回波波形的差異，波形的差異反映地物距離變化的信息。最后將差分干涉相位通過相位解纏等操作轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兾灰屏康倪^程，如圖2所示。

微變監(jiān)測(cè)雷達(dá)（SAR）采用小型低增益天線，用一個(gè)軌道式小天線作為單個(gè)輻射單元，將此單元沿軌道不斷移動(dòng)，以“模擬”一個(gè)大型天線，在軌道不同位置上多次接收同一地物的回波信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)解調(diào)壓縮處理，成像單元是有疊加的。一個(gè)小天線通過“運(yùn)動(dòng)”方式就合成一個(gè)等效“大天線”，這樣可以得到較高的方位向分辨率，同時(shí)方位向分辨率與距離無(wú)關(guān)，這樣SAR 就可以在軌道平臺(tái)上獲取較高分辨率的SAR 圖像［3］。2 種雷達(dá)的原理差別如圖3 所示。

2 邊坡雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

除了原理上的區(qū)別外，在技術(shù)方面，2 種雷達(dá)的掃描方式、分辨率、兼容性、校正方式方面也有明顯的區(qū)別，如表1所示。

通過表1可以得出，在掃描方式和校正方面，真實(shí)孔徑雷達(dá)比較占優(yōu)勢(shì)；兼容性方面合成孔徑雷達(dá)兼容性更好；分辨率方面，合成孔徑采用的是長(zhǎng)軌道形成的較大天線，從而能夠獲取分辨率更高的SAR圖像。

2 種雷達(dá)在數(shù)據(jù)傳輸方面也是不同的。真實(shí)孔徑雷達(dá)是通過網(wǎng)橋搭建局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)指揮中心或指定PC 機(jī)接收端，來(lái)實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查看及管理。合成孔徑雷達(dá)通過4G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，控制中心可以遠(yuǎn)程操控設(shè)備和整理數(shù)據(jù)，在BS架構(gòu)下，通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁(yè)來(lái)查看數(shù)據(jù)、分析和預(yù)警過程管理。如圖4所示。

3 邊坡雷達(dá)參數(shù)對(duì)比

真實(shí)孔徑雷達(dá)與合成孔徑雷達(dá)相關(guān)參數(shù)對(duì)比，如表2所示。

通過表2對(duì)比可以得出，真實(shí)孔徑雷達(dá)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為測(cè)量精度高，范圍大，提取預(yù)警信息多元化，數(shù)據(jù)反饋快，通訊系統(tǒng)穩(wěn)定，采用專用客戶端軟件，預(yù)警系統(tǒng)性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)包括測(cè)量距離短、低頻率雷達(dá)波穿透性差、部署工作繁瑣。

合成孔徑雷達(dá)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為測(cè)量量程遠(yuǎn)，高頻率抗干擾性強(qiáng)，適合邊坡存在植被等干擾因素較多的邊坡，設(shè)置掃描坐標(biāo)采用RTK 輸入，操作簡(jiǎn)單，便于快速部署。缺點(diǎn)包括測(cè)量精度低、測(cè)量角度小、瀏覽器查看數(shù)據(jù)卡頓、通訊系統(tǒng)在4G 網(wǎng)絡(luò)信息差的地方數(shù)據(jù)傳輸慢。

4 雷達(dá)應(yīng)用情況

扎哈淖爾露天煤礦所處的霍林河礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北端，年產(chǎn)量為1 800萬(wàn)t。位于扎旗境內(nèi)扎哈淖爾開發(fā)區(qū)界內(nèi)，屬于霍林河煤田的主要存量區(qū)域［4］。扎哈淖爾露天礦屬于典型軟巖露天礦，巖土力學(xué)強(qiáng)度較低［5］。隨著近幾年開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，暴露的邊坡逐漸增高，邊坡穩(wěn)定變得尤為重要。再加上北幫東側(cè)邊坡自2018 年開始，標(biāo)高800～940 m 平臺(tái)區(qū)域發(fā)生蠕變現(xiàn)象。其中824、860 m 平臺(tái)2 條運(yùn)輸干線出現(xiàn)明顯的裂紋和沉降情況。蠕變區(qū)域長(zhǎng)約為920 m，高度約為120 m，沉降高度約為1.5 m。因此，加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)，做好臨滑預(yù)警，實(shí)時(shí)掌握邊坡變形數(shù)據(jù)，是確保礦山安全生產(chǎn)的重要前提。

對(duì)此，公司在采取措施積極治理的同時(shí)，對(duì)北幫重點(diǎn)變形部位部署2 臺(tái)邊坡雷達(dá)，1 臺(tái)為MSR 真實(shí)孔徑邊坡雷達(dá)，1 臺(tái)為合成孔徑邊坡雷達(dá)，均部署在南幫靠近地表中部位置，主要監(jiān)測(cè)對(duì)面北幫邊坡。使用2臺(tái)雷達(dá)監(jiān)測(cè)同一蠕動(dòng)變形區(qū)域，是為了準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)掌握邊坡變形情況，以便第一時(shí)間采取相應(yīng)措施。形成這樣的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不僅填補(bǔ)了只有點(diǎn)監(jiān)測(cè)沒有面監(jiān)測(cè)的空缺，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與形變分析和預(yù)警預(yù)報(bào)的自動(dòng)化。同時(shí)還加大了邊坡監(jiān)測(cè)頻度。

4.1 真實(shí)孔徑雷達(dá)

真實(shí)孔徑雷達(dá)部署在南幫觀禮臺(tái)下方第一個(gè)臺(tái)階，高程為940 m，主要監(jiān)測(cè)北幫東側(cè)蠕變區(qū)域，雷達(dá)位置及監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖5所示。

真實(shí)孔徑雷達(dá)是可移動(dòng)式，架設(shè)在拖車上，通過全站儀及RTK 設(shè)置雷達(dá)位置及掃描區(qū)域，掃描區(qū)域可在雷達(dá)天線角度范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，然后導(dǎo)入DTM 三維面狀模型，用于匹配雷達(dá)數(shù)據(jù)云圖。掃描區(qū)域的大小跟邊坡距離有關(guān)。

根據(jù)真實(shí)孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)情況，扎礦北幫東側(cè)存在變形區(qū)域。在數(shù)據(jù)方面，該區(qū)域6 月份位移量為1 778 mm，7 月份位移量為2 439 mm，8 月份為2 591 mm，6、7、8月該蠕變區(qū)域累計(jì)位移變形6 808 mm。

4.2 合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)部署在南幫中部觀禮臺(tái)下方第一個(gè)臺(tái)階，高程為950 m 平臺(tái)，主要監(jiān)測(cè)北幫東側(cè)蠕變區(qū)域，雷達(dá)位置及監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖6所示。

合成孔徑雷達(dá)軌道和天線安裝完成后，通過RTK 完成雷達(dá)坐標(biāo)位置設(shè)置，然后根據(jù)雷達(dá)部署自動(dòng)掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小由雷達(dá)掃描角度和邊坡距離有關(guān)。

通過合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)顯示有變形區(qū)域。變形區(qū)域東西向?yàn)?20 m，上下高度約為120 m，雷達(dá)云圖顯示6、7、8月共3個(gè)月的數(shù)據(jù)情況。

根據(jù)6、7、8 月共3 個(gè)月的數(shù)據(jù)情況，該區(qū)域基本處于勻速變形階段，位移曲線持續(xù)增加，6 月份位移量為936 mm，7 月份位移量為1 360 mm，8 月份為1 443 mm，3個(gè)月累計(jì)位移量為3 739 mm。

5 技術(shù)對(duì)比分析

根據(jù)2020 年第6、7、8 月監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，扎哈淖爾露天礦北幫東側(cè)邊坡存在較大面積蠕動(dòng)變形情況，整體空間位置向南、東南、西南方向移動(dòng)。扎礦北幫東側(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域未出現(xiàn)加速變形情況，目前較為穩(wěn)定，但該區(qū)域裂縫受爆破和降雨影響較大。

通過以上2種雷達(dá)的應(yīng)用，真實(shí)孔徑雷達(dá)較合成孔徑雷達(dá)的數(shù)據(jù)較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查、GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況，真實(shí)孔徑雷達(dá)測(cè)量的數(shù)據(jù)更具有代表性，更符合現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)變形情況。所以真實(shí)孔徑雷達(dá)精度更高。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)，針對(duì)此區(qū)域蠕動(dòng)變形情況，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)工程地質(zhì)勘查，控制蠕動(dòng)變形的繼續(xù)發(fā)展，減少不必要的損失。建議立即采取以卸載反壓為主的治理方法，即在上部排土堆積區(qū)卸載（削坡），在排土場(chǎng)坡底處反壓荷載。同時(shí)采取地表排水、截水措施及地下排水、導(dǎo)水措施，來(lái)確保礦區(qū)安全生產(chǎn)和效益的最大化。

通過以上對(duì)2 種不同邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用情況，可以得到以下結(jié)論。

（1）通過案例應(yīng)用，在預(yù)報(bào)警、測(cè)量精度、獲取數(shù)據(jù)時(shí)間間隔、快速反映形變方面，真實(shí)孔徑雷達(dá)比較占優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)為報(bào)警功能完善、監(jiān)測(cè)精度更高、采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔短、反映變形時(shí)間更早；在監(jiān)測(cè)距離、預(yù)警過程管理、獲取圖像分辨率等方面，合成孔徑雷達(dá)比較占優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)距離更遠(yuǎn)、預(yù)警過程管理功能完善、圖像分辨率更高；反映邊坡變形數(shù)據(jù)方面，合成孔徑雷達(dá)具有一定的滯后性。

（2）兩者均適合人工邊坡的監(jiān)測(cè)，可以滿足全天候、大范圍、高精度（亞毫米級(jí)位移監(jiān)測(cè)精度）的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求。但是真實(shí)孔徑雷達(dá)對(duì)露天礦邊坡、排土場(chǎng)、水電壩、山體護(hù)坡、鐵路邊坡的監(jiān)測(cè)效果更佳。而合成孔徑雷達(dá)在數(shù)據(jù)上存在一定的差異，測(cè)量的值比真實(shí)孔徑雷達(dá)測(cè)量值偏小，總體上真實(shí)孔徑雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)更符合實(shí)測(cè)值。

（3）合成孔徑雷達(dá)和真實(shí)孔徑雷達(dá)均無(wú)需在被測(cè)邊坡上布設(shè)固定監(jiān)測(cè)設(shè)備，即使發(fā)生邊坡失穩(wěn)事故，也不會(huì)造成監(jiān)測(cè)設(shè)備的損失。兩者均可以在比較復(fù)雜的氣候條件下運(yùn)行，但極特殊的天氣也會(huì)影響雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，比如暴風(fēng)、暴雨、極寒天氣等。

（4）在數(shù)據(jù)方面，合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣周期間隔較長(zhǎng)，并且數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)盤需要人工定期清理。而真實(shí)孔徑雷達(dá)有數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸和刪除功能。除此之外，兩者均可以查看事故區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)，以便于在后期對(duì)事故區(qū)域進(jìn)行分析、評(píng)估。

6 結(jié)論

通過對(duì)2種不同方式雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比及應(yīng)用，在數(shù)據(jù)方面，真實(shí)孔徑雷達(dá)精度明顯較高，測(cè)量范圍大。在技術(shù)方面真實(shí)孔徑雷達(dá)比合成孔徑雷達(dá)更適應(yīng)人工邊坡的監(jiān)測(cè)，2 套邊坡雷達(dá)系統(tǒng)在扎礦應(yīng)用以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，使扎礦邊坡監(jiān)測(cè)任務(wù)順利進(jìn)行。