謝 翔，杜年春，沈向前，黃 毅，傅泓鑫，朱潔霞

(1.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410007；2.湖南省礦山安全智能化監(jiān)控技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007；3.長沙市工程災害智能監(jiān)控與防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007)

0 引言

在外界環(huán)境或者人為因素的影響下，山體、巖體按照一定的軟弱面，整體或者局部的向下滑動就會造成滑坡。在礦山開采中，滑坡一直是開采作業(yè)的重大安全隱患[1]。中國有露天礦山約7萬座，排土場10余萬座，尾礦庫1.2萬座，數(shù)據(jù)相當龐大，頻繁發(fā)生露天礦邊坡滑坡 、尾礦庫潰壩 、排土場泥石流等災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失不計其數(shù)[2]。導致這些災害的誘因有很多，從宏觀上來看，在邊坡失穩(wěn)之前，巨大的滑動力會大于這部分滑坡體的抗滑力，發(fā)生應力的改變，導致這部分滑坡體出現(xiàn)較大的滑動。因此，為了研究邊坡滑坡的機理，實現(xiàn)對滑坡災害的監(jiān)測預警，國內(nèi)外學者進行了大量邊坡形變測量方面的研究[3-4]。

目前，常見的形變監(jiān)測手段包括常規(guī)大地測量、空間定位測量、攝影測量、三維激光掃描測量、專門測量等[5]。

1)常規(guī)大地測量常見形式為傳統(tǒng)的幾何水準測量、三角高程測量以及距離測量等，使用的儀器為水準儀、測距儀、全站儀等。主要優(yōu)點是：可以適用于不同的監(jiān)測環(huán)境，滿足不同的監(jiān)測精度要求，可以提供絕對的形變信息，具有較高的精度。但野外工作量較大，測量效率低，只能實現(xiàn)單點的監(jiān)測。

2)空間定位測量技術(shù)常用全球定位技術(shù)(GNSS)實現(xiàn)形變體表面的變形監(jiān)測。此方法的主要優(yōu)點是：全天候監(jiān)測、三維形變、精度較高、可無人值守。以GNSS技術(shù)為代表的空間定位測量技術(shù)在滑坡預警、地殼變形監(jiān)測等領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的作用。目前北斗系統(tǒng)的組網(wǎng)應用，進一步提高了GNSS技術(shù)的可用性和可靠性。但是GNSS監(jiān)測是單點監(jiān)測，造價高，監(jiān)測的是有限點的形變情況，同時在密林、深山峽谷、密集建筑群、地下空間等環(huán)境中會出現(xiàn)信號遮擋以及多路徑效應等情況，極有可能導致監(jiān)測精度下降或無法監(jiān)測的問題。

3)近景攝影測量和激光掃描測量廣泛應用于橋梁、大壩、滑坡以及建筑物的形變監(jiān)測。近景攝影測量的主要優(yōu)點是：監(jiān)測工作簡便、快速、外業(yè)工作量少，可以提供形變體表面上任意點的形變，可用于不規(guī)則或不可接觸物體的形變監(jiān)測。但攝影測量勞動強度大，極易受天氣條件限制，且一般僅適用于近景測量，受距離限制較大。地面激光掃描測量不僅有類似于攝影測量的優(yōu)點，而且改變了人工觀測的方式，實現(xiàn)了測量的自動化，提高了測量精度，可以快速生成監(jiān)測對象的三維數(shù)據(jù)模型，已經(jīng)應用于泥石流、火山、滑坡體等的快速面監(jiān)測中，但作為基于面監(jiān)測的技術(shù)，該方法需要針對性的創(chuàng)建對象的三維模型、形變分析方法和測量精度評價體系等。由于激光掃描測量的有效距離近，容易受到雨、霧、雪等惡劣天氣和光照條件的影響，同樣難以滿足全天候監(jiān)測的要求。

4)專門測量常見形式為各種準直測量、傾斜測量、應變測量等。此方式測量過程簡單，相對精度高，可監(jiān)測形變體內(nèi)部的形變，而且容易實現(xiàn)連續(xù)、自動監(jiān)測及遙測遙感，但通常只能提供局部的和相對的形變信息，且易受地形和天氣條件的影響。

相比于上述的測量技術(shù)與方法，地基合成孔徑雷達是一種高精度、大范圍的微形變監(jiān)測設備，可以廣泛的應用于露天礦山、自然山體、河流大壩、尾礦庫壩體等建構(gòu)筑物的形變監(jiān)測，具有監(jiān)測范圍廣、非接觸測量、可穿透雨霧、不依賴光照、作用距離遠等特點。在非接觸數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，獲得的大范圍形變信息比單點信息更能夠合理的理解滑坡機制。因此，作為常規(guī)測量的補充手段，地基形變監(jiān)測雷達在邊坡形變監(jiān)測中具有巨大的應用潛力。

1 地基圓弧式合成孔徑雷達

1.1 地基合成孔徑雷達類型

地基合成孔徑雷達系統(tǒng)工作波段主要集中在X波段或者Ku波段，按照掃描方式的不同，可以分為3種類型：直線式掃描雷達、圓弧式掃描雷達和陣列式掃描雷達[6]。

1)直線式掃描雷達是通過收發(fā)天線沿著高精度的滑軌做往返直線運動，通過干涉測量，從而獲得高精度毫米級的位移信息[7]。比較有代表性的產(chǎn)品有意大利IDS公司和佛羅倫薩大學聯(lián)合研制的IBIS系統(tǒng)(見圖1)[8]。

圖1 IDS公司的IBIS-FMFig.1 IBIS-FM system developed by IDS

2)圓弧式掃描合成孔徑雷達通過收發(fā)天線在水平面內(nèi)往返的圓周運動來進行掃描，從而獲得較大的合成孔徑。商業(yè)化程度較高的圓弧式合成孔徑雷達包括意大利IDS公司的IBIS-ArcSAR[9]，中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司的Online SAR系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 Online SAR系統(tǒng)Fig.2 Online SAR system

3)地基陣列式雷達采用多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)，通過多個發(fā)射天線和接收天線的特殊排列來等效成一個大的合成孔徑。比較有代表性的地基陣列雷達有歐盟JRC機構(gòu)的MELISSA系統(tǒng)[10]。

1.2 圓弧式合成孔徑形變監(jiān)測雷達技術(shù)原理

圓弧式合成孔徑形變監(jiān)測雷達采用的技術(shù)主要包括合成孔徑雷達技術(shù)和差分干涉雷達技術(shù)[11]合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率成像雷達，能夠在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。通過雷達與目標的相對運動能夠把尺寸相對較小的真實天線孔徑利用數(shù)據(jù)處理的方法合成較大的等效天線孔徑，從而提高雷達對目標的分辨率。根據(jù)SAR技術(shù)原理，假設電磁波在真空中的傳播速度為c，雷達天線發(fā)射信號的帶寬為B，則在距離向分辨率δr為：

(1)

雷達發(fā)射的電磁波波長為λ，雷達運動的等效孔徑長度為L，則角度向分辨率為：

(2)

通過距離向分辨率和角度向分辨率，將監(jiān)測區(qū)域分割成一個個扇形的監(jiān)測單元，如圖3所示。

圖3 距離向和角度向的分割單元Fig.3 Monitoring unit divided by range resolution and angle resolution

地基合成孔徑雷達在距離向上采用調(diào)頻連續(xù)波或者步進頻技術(shù)，圖像中每一個點的數(shù)據(jù)均為復數(shù)，其中實數(shù)部分為幅度值，可以研究其散射特性、解譯圖像場景，虛數(shù)部分為相位值，可以獲取形變信息。在數(shù)據(jù)處理時對相鄰兩幅圖像進行復共軛相乘，即可以實現(xiàn)差分干涉處理。理想情況下，差分干涉相位Δφ與視線方向的形變量ΔR呈線性相關(guān)(見圖4)，可以表示為：

圖4 雷達干涉測量原理Fig.4 Principle of radar interferometry

(3)

式中：λ為雷達波長；R為雷達到目標的距離。

實際應用中，還需要考慮到氣象條件、像素點散射特性改變以及系統(tǒng)熱噪聲等因素帶來的誤差相位分量，需要對測量數(shù)據(jù)進行誤差修正。

1.3 圓弧式合成孔徑雷達幾何模型

圓弧合成孔徑雷達將天線放置天線架上，天線架安裝在長度固定的支臂一端，通過支臂繞某一個固定點旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)與監(jiān)測對象的相對運動，從而實現(xiàn)合成孔徑。支臂的長度是制約距離向分辨率的關(guān)鍵因素，較長的支臂能夠獲得更高的距離向分辨率，但是相應的長支臂會增加振動，不利于信號的聚焦。

如圖5所示，假設遠處存在目標點P，雷達至目標P的俯視角為β，天線轉(zhuǎn)動的角速度為ω，轉(zhuǎn)臂長度為L，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸中心到目標的距離為r0，起始時刻為τ0，R(η)為雷達與目標P的瞬時斜距，其中η=τn+t，τn為慢時間，t為快時間[12-13]。

圖5 圓弧合成孔徑雷達幾何模型Fig.5 Geometrical model of Arc Synthetic Aperture Radar

則目標斜距R(η)為：

≈r0-Lcosω(η-τ0)cosβ

(4)

此時，可以通過合成孔徑成像算法(如后向投影算法、距離多普勒算法等)對所有去斜后的方位向回波進行二維成像處理，獲得接收通道的二維復圖像。

2 雷達試驗研究

為了試驗形變監(jiān)測雷達在真實環(huán)境中對采場邊坡形變的監(jiān)測能力，在云南省某多金屬礦區(qū)進行了應用試驗。該礦區(qū)海拔高程約1 200 m。雷達監(jiān)測墩建設在礦山開采區(qū)的西邊巖石坡上，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；地基穩(wěn)固，可防止車輛來往震動造成的沉降；視野開闊，可以實時對三面開采中的礦體進行監(jiān)測?，F(xiàn)場環(huán)境如圖6所示。

圖6 待測采場邊坡及雷達Fig.6 Stope slope to be measured and Online SAR

雷達初始角度方向設為0°，角度向掃描范圍為90°～320°，距離向掃描范圍為10 m～1 000 m。選取24 h的雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，共計146幀。通過雷達掃描，獲取邊坡的雷達圖像，如圖7所示。

圖7 邊坡雷達圖像Fig.7 SAR image of slope

累計單幀形變數(shù)據(jù)，得到24 h內(nèi)的累計形變圖像，如圖8所示。

從圖8中可以看到，采場邊坡整體比較穩(wěn)定，形變量基本在3 mm以內(nèi)，但存在4個區(qū)域有較大的形變，形變方向沿雷達視線方向靠近雷達，形變大小在10 mm以上。結(jié)合雷達初始位置、旋轉(zhuǎn)角度和距離，在現(xiàn)場找到區(qū)域A、B、C、D對應場景，見圖9(a)、(b)、(c)、(d)。

圖8 24h累計形變量Fig.8 Accumulative deformation in 24 hours

圖9 圖像形變區(qū)域?qū)倪吰翭ig.9 Slope corresponding to image deformation area

從圖9可以看出，4個區(qū)域?qū)倪吰聦嶋H場景結(jié)合現(xiàn)場踏勘的情況，這些區(qū)域的礦體松散，存在一定坡度，受到車輛振動等外部因素的影響下，整體或者分散地順坡向下滑動。可以認為系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)準確，形變監(jiān)測有效。

3 結(jié)論

本文基于中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司自主研發(fā)的Online SAR圓弧式合成孔徑雷達系統(tǒng)，介紹了其基本原理，并將該系統(tǒng)成功應用于某露天銅礦采場邊坡形變監(jiān)測，并分析了其24 h時形變數(shù)據(jù)。通過分析24 h累計形變較大區(qū)域?qū)膶嶋H邊坡，驗證了系統(tǒng)形變監(jiān)測的有效性。