韋忠跟

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

目前，邊坡雷達(dá)是全世界范圍內(nèi)邊坡安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)與傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測(cè)手段相比，具有非接觸性、監(jiān)測(cè)精度高、密度大、覆蓋面積廣、更新速度快、監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于大壩、邊坡、山體、建筑物方面的微小位移監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警[1-2]。近年來(lái)，邊坡雷達(dá)在露天礦軟巖邊坡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，巖質(zhì)邊坡的臨滑預(yù)警方面得到廣泛應(yīng)用，尤其在預(yù)測(cè)預(yù)警片幫及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害方面具有較高的準(zhǔn)確率。

邊坡雷達(dá)技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于不同種類(lèi)的邊坡雷達(dá)技術(shù)，其工作原理和工程應(yīng)用效果存在顯著差異，因此不同地質(zhì)條件的礦山邊坡要選擇不同的雷達(dá)監(jiān)測(cè)手段。目前，邊坡雷達(dá)按工作原理可分為合成孔徑雷達(dá)和真實(shí)孔徑雷達(dá)，2 種雷達(dá)在技術(shù)原理、工作范圍、參數(shù)校正、預(yù)測(cè)預(yù)警等方面有較大差別。為此，通過(guò)合成孔徑雷達(dá)和真實(shí)孔徑雷達(dá)2 種雷達(dá)詳細(xì)的技術(shù)和應(yīng)用對(duì)比，分析各自的表現(xiàn)能力和實(shí)際應(yīng)用效果，得出不同種類(lèi)雷達(dá)在不同礦山的適用性，指導(dǎo)礦山合理地選擇邊坡雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，保證監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)作業(yè)車(chē)輛及人員的安全。

1 合成孔徑雷達(dá)和真實(shí)孔徑雷達(dá)概述

1）合成孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)以意大利IDS公司的IBIS 邊坡雷達(dá)為代表。合成孔徑雷達(dá)技術(shù)衍生于航空航天地球測(cè)繪技術(shù)，具有掃描距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，但是其掃描所得圖像為二維圖像，在邊坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)需有外部的DTM 三維地形數(shù)據(jù)的支持才能轉(zhuǎn)換為三維圖像，進(jìn)而對(duì)邊坡位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，DTM 數(shù)據(jù)本身帶有一定的誤差，從而影響了該技術(shù)測(cè)量邊坡的三維變形精度[3-5]。

2）真實(shí)孔經(jīng)雷達(dá)。真實(shí)孔徑雷達(dá)以南非Reutech公司的MSR 邊坡雷達(dá)為代表。真實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)是針對(duì)露天采礦等人工高邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)要求而開(kāi)發(fā)的新一代變形監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)，其更加適應(yīng)現(xiàn)代巖土工程施工過(guò)程中產(chǎn)生的人工邊坡監(jiān)測(cè)，無(wú)需DTM 三維 模型輔助，可直接獲得三維邊坡的變形數(shù)據(jù)，同時(shí)具備移動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為工程邊坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主流技術(shù)[6-11]。

2 合成孔徑雷達(dá)和其實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)對(duì)比

2.1 掃描工作原理

合成孔徑雷達(dá)和真實(shí)孔徑雷達(dá)對(duì)邊坡進(jìn)行掃描的工作原理示意圖如圖1。

圖1 合成和真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描工作原理示意圖

合成孔徑雷達(dá)掃描方式是信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)在2 m長(zhǎng)的水平導(dǎo)軌上沿著與邊坡平行的方向進(jìn)行水平步進(jìn)移動(dòng)，雷達(dá)發(fā)射的角度是固定值；而真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描方式則是發(fā)射天線(xiàn)在水平和垂直方向進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)邊坡實(shí)施步進(jìn)式逐行掃描，其掃描范圍取決于發(fā)射天線(xiàn)的水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

當(dāng)雷達(dá)的布設(shè)位置須與被測(cè)邊坡距離較近時(shí)，由于合成孔徑雷達(dá)掃描角度為固定值且角度遠(yuǎn)小于真實(shí)孔徑雷達(dá)，實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍大小受到制約，因此該情況下很難滿(mǎn)足實(shí)際監(jiān)測(cè)工程的需要；當(dāng)雷達(dá)的布設(shè)位置須與被測(cè)邊坡距離較遠(yuǎn)時(shí)，較小的雷達(dá)掃描角度即能完成大范圍的監(jiān)測(cè)任務(wù)，所以該情況下兩者監(jiān)測(cè)效果相當(dāng)。

2.2 云圖顯示效果

合成孔徑雷達(dá)掃描示意圖如圖2，真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描示意圖如圖3。

圖2 合成孔徑雷達(dá)掃描示意圖

圖3 真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描示意圖

合成孔徑和真實(shí)孔徑雷達(dá)在監(jiān)測(cè)單元方面具有較大的，對(duì)于合成孔徑雷達(dá)，通過(guò)合成孔徑技術(shù)（SAR）和線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)（SF-CW）的結(jié)合，監(jiān)測(cè)區(qū)域就被分割成很多二維的小單元，掃描得到的圖像是二維圖像，因此在處理單元上是二維數(shù)據(jù)，而真實(shí)孔徑雷達(dá)通過(guò)水平方向和垂直方向的步進(jìn)式機(jī)械旋轉(zhuǎn)以及調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)，掃描得到的是三維圖像，處理單元是三維數(shù)據(jù)。由于監(jiān)測(cè)單元的不同，2種雷達(dá)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中得到的位移云圖有很明顯的差別。

1）合成孔徑雷達(dá)掃描得到的是二維位移云圖，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，需要添加外部的DTM 三維地形圖，才能生成最終的用戶(hù)顯示，再進(jìn)行三維空間的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和分析。合成孔徑雷達(dá)的三維位移云圖的轉(zhuǎn)化如圖4。

圖4 合成孔徑雷達(dá)的三維位移云圖的轉(zhuǎn)化

2）真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描得到真實(shí)的三維位移云圖，因此不需要使用外部的三維地形圖數(shù)據(jù)即可生成實(shí)際邊坡的三維用戶(hù)顯示，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

2.3 數(shù)據(jù)更新速度

一般情況下，由于雷達(dá)位置距離被測(cè)邊坡較遠(yuǎn)，雷達(dá)波在傳播過(guò)程中受到大氣溫度、濕度和壓力等氣候條件的影響，因此在使用雷達(dá)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)時(shí)，需要校正大氣條件對(duì)于雷達(dá)波的影響。

合成孔徑雷達(dá)是通過(guò)對(duì)比一系列已采集的歷史數(shù)據(jù)（一般為15 組圖像數(shù)據(jù)）后，通過(guò)計(jì)算尋找邊坡表面受大氣條件影響較小的穩(wěn)定點(diǎn)，然后根據(jù)該穩(wěn)定點(diǎn)來(lái)建立大氣影響修正模型，進(jìn)而校正下1 幅的掃描圖像。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域大氣條件發(fā)生劇烈變化（如突發(fā)雷陣雨，大風(fēng)等不確定因素）時(shí)，對(duì)應(yīng)于歷史數(shù)據(jù)的大氣條件與當(dāng)前監(jiān)測(cè)的大氣條件有較大的不同，此時(shí)，歷史數(shù)據(jù)的滯后性會(huì)當(dāng)前監(jiān)測(cè)精度產(chǎn)生較大影響。

真實(shí)孔徑雷達(dá)是通過(guò)礦山工作人員獲取邊坡上某一相對(duì)穩(wěn)定參考區(qū)域，通過(guò)該穩(wěn)定參考區(qū)域進(jìn)行大氣參數(shù)的校正，其校正過(guò)程在1 個(gè)掃描周期內(nèi)即可完成。而且人工指定邊坡穩(wěn)定參考區(qū)域比計(jì)算對(duì)比獲得參照點(diǎn)更直觀(guān)可靠，所以真實(shí)孔徑雷達(dá)在大氣條件校正方面更加迅速和準(zhǔn)確。

對(duì)于單次掃描速度合成孔徑雷達(dá)一般為3 min，真實(shí)孔徑雷達(dá)一般為7 min，但是在校正大氣條件后，得到真實(shí)可用的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，則真實(shí)孔徑雷達(dá)更快。合成孔徑雷達(dá)一般需要掃描15 組圖形數(shù)據(jù)后才能建立氣候條件修正模型，因此實(shí)際上得到可用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要至少45 min；真實(shí)孔徑雷達(dá)通過(guò)設(shè)定某一穩(wěn)定參考區(qū)，在獲取每個(gè)像素單元的掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)使用穩(wěn)定參考區(qū)域來(lái)進(jìn)行圖像的校正，因此得到的三維圖形速度更快，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

2.4 監(jiān)測(cè)距離及精度

一般來(lái)說(shuō)，合成孔徑雷達(dá)具有更遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)距離。目前，合成孔徑雷達(dá)最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)距離達(dá)到4.5 km，真實(shí)孔徑雷達(dá)最遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)距離為4.0 km，2 種雷達(dá)的極限監(jiān)測(cè)距離差距不大。但雷達(dá)的實(shí)際布設(shè)位置與被測(cè)邊坡距離較遠(yuǎn)時(shí)，2 種雷達(dá)都會(huì)帶來(lái)較大的干擾因素，例如大氣條件校正的困難、真實(shí)精度的下降、掃描時(shí)間的增加、障礙物的影響等。因此，較理想的監(jiān)測(cè)距離是1 km 范圍的邊坡，2 種雷達(dá)均能滿(mǎn)足該項(xiàng)技術(shù)需求。

合成孔徑和真實(shí)孔徑雷達(dá)均為亞毫米級(jí)測(cè)量精度，在實(shí)際應(yīng)用中，由于監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)，雷達(dá)波在空氣中的傳播過(guò)程受大氣條件的影響，實(shí)際精度也無(wú)法達(dá)到理論上的最大值。另外，雷達(dá)波往往不是以垂直方向正對(duì)邊坡發(fā)射，實(shí)際監(jiān)測(cè)位移與真實(shí)位移存在三角函數(shù)關(guān)系，但雷達(dá)的真實(shí)監(jiān)測(cè)精度一般也都在毫米級(jí)，完成可對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的表面位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此2 種雷達(dá)的理論精度均能滿(mǎn)足邊坡監(jiān)測(cè)工程的實(shí)際需求。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)合成孔徑和真實(shí)孔徑雷達(dá)掃描工作原理的對(duì)比，在雷達(dá)布設(shè)位置與被測(cè)邊坡距離較近的情況下，合成孔徑雷達(dá)更難滿(mǎn)足實(shí)際監(jiān)測(cè)工程的需要。

2）合成孔徑技術(shù)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)單元為二維數(shù)據(jù)，真實(shí)孔徑技術(shù)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)單元為三維數(shù)據(jù)，因而合成孔徑雷達(dá)仍須添加外部DTM 三維地形圖進(jìn)行最終的三維位移圖像顯示，真實(shí)孔徑雷達(dá)則直接生成實(shí)際邊坡的三維位移云圖。

3）合成孔徑雷達(dá)通過(guò)對(duì)比歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣條件校正，真實(shí)孔徑雷達(dá)通過(guò)人工選擇穩(wěn)定參考區(qū)域進(jìn)行大氣條件校正，真實(shí)孔徑雷達(dá)在大氣條件校正方面更加迅速和準(zhǔn)確。因此真實(shí)孔徑雷達(dá)獲取的維圖形速度更快，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

4）由于合成孔徑和真實(shí)孔徑雷達(dá)極限監(jiān)測(cè)距離差距不大，測(cè)量精度都為亞毫米級(jí)，因此均能滿(mǎn)足邊坡監(jiān)測(cè)工程的實(shí)際需求。