李衛(wèi)鵬，劉全勝，劉學(xué)宇，郭志常

（國能新疆托克遜能源有限責(zé)任公司，新疆 托克遜 838000）

露天煤礦開展邊坡監(jiān)測，了解坡體變形規(guī)律和滑動(dòng)特征，為預(yù)警預(yù)報(bào)、邊坡評(píng)價(jià)與治理提供基礎(chǔ)資料。國內(nèi)大型露天煤礦采深不斷向深部挺進(jìn)，形成大量超過200 m 以上的高邊坡，因此，高邊坡長期穩(wěn)定的監(jiān)測方法成為礦山安全研究重點(diǎn)內(nèi)容。邊坡監(jiān)測中GNSS 和RTK 為單點(diǎn)式測量設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)局部變形監(jiān)測，使用方便；三維激光掃描和地基雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)大面積變形測量，大型露天煤礦均有使用[1～3]；光學(xué)遙感、星載合成孔徑雷達(dá)與航空攝影可實(shí)現(xiàn)整體變形測量，但是無法提供實(shí)時(shí)監(jiān)測。

目前，礦山大范圍邊坡位移監(jiān)測設(shè)備為地基雷達(dá)，主要分為地基雷達(dá)分為地基真實(shí)孔徑雷達(dá)（Real Aperture Radar，RAR）和地基合成孔徑雷達(dá)（Groundbase Synthetic Aperture Radar，B－SAR）。地基雷達(dá)已在國內(nèi)礦山開展監(jiān)測應(yīng)用研究，由于設(shè)備種類較多、各類型雷達(dá)的監(jiān)測原理不同，及煤礦生產(chǎn)規(guī)模與邊坡監(jiān)測目的不同，造成地基雷達(dá)在邊坡監(jiān)測選型上的困難。為此，針對(duì)邊坡地基雷達(dá)設(shè)備的原理、工作方式及礦山應(yīng)用場景進(jìn)行分析研究。

1 邊坡地基雷達(dá)監(jiān)測原理

雷達(dá)監(jiān)測既無線電探測和測距，當(dāng)監(jiān)測目標(biāo)處于其發(fā)射波束范圍內(nèi)時(shí)，接收端獲取目標(biāo)物的回波空間位置信息。地基雷達(dá)可以測量地表或巖石表面的微小形變，顯示位移、速度或者加速度的變化規(guī)律；并對(duì)超預(yù)警值做出預(yù)警警報(bào)。文獻(xiàn)［4］RAR 原理是雷達(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)測數(shù)；文獻(xiàn)［5］對(duì)合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行綜合介紹，B－SAR 利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理方式合成一較大的等效很大天線真實(shí)孔徑雷達(dá)。其中，雷達(dá)分辨率是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)，分辨率分為距離向分辨率和方位向分辨率。

1.1 雷達(dá)變形監(jiān)測原理

距離向是指發(fā)射和接收電磁波的方向，雷達(dá)距離向兩物體的分辨示意圖如圖1。如在距離向上存在測試件A 和測試件B，距離向差為s，2 次回波時(shí)間差為t，則兩試件的距離為s＝c×t，式中：c 為電磁波速，當(dāng)回波時(shí)間t≥電磁波周期T 時(shí)，RAR 在距離向上可分辨兩試件[6]。

圖1 雷達(dá)距離向兩物體的分辨示意圖

文獻(xiàn)［7］中B－SAR 距離向采用線性調(diào)頻脈沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，與RAR 距離向分辨率計(jì)算方法一致。因此，距離分辨率ΔR1僅與波傳播速度和脈沖寬度相關(guān)。

式中：c 為電磁波傳播速度，3×108m/s；τ 為脈沖寬度，MHz。

方位向指沿著雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向；方位向分辨率指沿著雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向能分辨出2 個(gè)目標(biāo)的最短距離。RAR 方位向上分辨率由波的彌散性與監(jiān)測物距雷達(dá)的距離決定，方位向分辨率Ra可用下式表示：

式中：r 為雷達(dá)的波束寬度，r＝1.22λ/D；λ 為雷達(dá)波波長，m；D 為成像孔徑，m；R 為雷達(dá)與目標(biāo)物的距離，m。

RAR 天線的波束寬度是由設(shè)備的天線性能決定，天線越長，波束寬度越小。因此，為提高雷達(dá)方位向分辨率需要：①研制大尺寸天線，天線越長，波束寬度越小，方位向分辨率越好；②真實(shí)孔徑雷達(dá)采取合適距離。

B－SAR 在方位向上通過小天線的“運(yùn)動(dòng)”方式，合成一個(gè)等效“大天線”，合成天線長度Ls與雷達(dá)波長λ，監(jiān)測距離R 及天線的寬度D 相關(guān)。

B－SAR 的波速寬度r 為：

B－SAR 分辨力Ra為：

因此，B－SAR 方位向理論上分辨率僅與實(shí)際天線的孔徑D 有關(guān)，天線孔徑越短，分辨率越好，與監(jiān)測目標(biāo)距離無關(guān)。

1.2 真實(shí)孔徑雷達(dá)工作原理

真實(shí)孔徑雷達(dá)在輸出段發(fā)射信號(hào)，信號(hào)在巖壁面反射后接收端獲取型號(hào)，即完成1 次監(jiān)測。若2 次掃描之間發(fā)生了位移變形，這將導(dǎo)致接收與輸出的波的相位出現(xiàn)差異，測量2 次掃描之間的相位變化如圖2。

圖2 測量兩次掃描之間的相位變化

真實(shí)孔徑雷達(dá)采用干涉測量技術(shù)，通過對(duì)反射波與輸出波的相位差，根據(jù)式（6）計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)的位移量，實(shí)現(xiàn)高精確度測量，監(jiān)測精度達(dá)到亞毫米。

1.3 合成孔徑雷達(dá)工作原理

合成孔徑雷達(dá)接收的回波不像真實(shí)孔徑雷達(dá)立即顯示成像，而是把目標(biāo)物回波的多普勒相位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理[8]，最終形成圖像，成像原理復(fù)雜，且參量多，監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取對(duì)算法依賴性高，算法對(duì)于監(jiān)測影響大。

固定軌道式合成孔徑雷達(dá)將監(jiān)測區(qū)域分割成若干個(gè)單元，距離向上以0.5 m 分割為單元，方位向上以4.3 毫弧度為分割單元測量2 次掃描之間的相位變化，利用差分及干涉測量算法演算出監(jiān)測區(qū)域單點(diǎn)的距離向與方位向的變形量，輸出數(shù)據(jù)結(jié)果為二維數(shù)據(jù)，理論精度為0.1 mm。

2 地基邊坡雷達(dá)監(jiān)測方式

2.1 地基雷達(dá)工作方式

RAR 采用筆形波束天線，通過機(jī)械運(yùn)行實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的逐點(diǎn)掃描測量，可獲取到監(jiān)測點(diǎn)三維空間信息。利用高增益大孔徑天線實(shí)現(xiàn)波束匯聚，每個(gè)發(fā)射的筆形波束回波彼此獨(dú)立，不受周邊其它監(jiān)測區(qū)域或背景影響，抗干擾能力強(qiáng)，直接獲取到監(jiān)測點(diǎn)的變形量，單點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域既可作為預(yù)警的最小單元，可識(shí)別局部落塊或垮塌及大范圍變形。

B－SAR 達(dá)分為固定軌道模式雷達(dá)、圓跡式掃描雷達(dá)、陣列式地基雷達(dá)和便攜式地基雷達(dá)，其工作原理相似，僅在雷達(dá)運(yùn)行方式存在區(qū)別。雷達(dá)發(fā)射扇形波束，垂直方向（俯仰角）掃描覆蓋區(qū)域?yàn)槠浔O(jiān)測的最大范圍，水平方向由機(jī)械運(yùn)行方式?jīng)Q定其監(jiān)測長度；雷達(dá)的扇形波束1 次掃描范圍大，可獲取掃描區(qū)域整體位移，監(jiān)測數(shù)據(jù)依賴后期算法處理，數(shù)據(jù)處理后才能顯示位移變形。

2 種地基雷達(dá)由于發(fā)射的波束不同，這是2 種雷達(dá)在工作成像原理上的根本區(qū)別。

2.2 監(jiān)測顯示效果

RAR 達(dá)直接獲取監(jiān)測區(qū)域的三維坐標(biāo)信息，生成監(jiān)測區(qū)域的地形數(shù)據(jù)圖，對(duì)于生產(chǎn)變動(dòng)邊坡具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。同時(shí)，結(jié)合自帶影像圖片實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域與影像的自動(dòng)匹配，可直觀識(shí)別監(jiān)測區(qū)域及變形位置。

B－SAR 三維顯示示意圖如圖3，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)為平面二維數(shù)據(jù)，將二維數(shù)據(jù)投射到數(shù)字地形圖DTM 上，形成三維顯示效果。因此，對(duì)于生產(chǎn)變動(dòng)型邊坡，顯示效果受數(shù)字地形模型精度的影響。

圖3 B－SAR 三維顯示示意圖

3 地基雷達(dá)在露天煤礦使用分析

3.1 露天煤礦邊坡監(jiān)測距離

國內(nèi)露天煤礦一般開采寬度在1～2 km，采深為100～200 m，RAR 監(jiān)測距離3.5～4 km，B－SAR 監(jiān)測距離為5～10 km，2 種地基雷達(dá)監(jiān)測距離上可滿足一般礦山需求。

RAR 可靈活布設(shè)在礦坑或地表監(jiān)測區(qū)域，根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測原理，距離向分辨率由設(shè)備性能決定，方位向分辨率由波束寬度和監(jiān)測距離遠(yuǎn)近決定，因此，RAR 使用中監(jiān)測距離成為雷達(dá)分辨率的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

B－SAR 距離向分辨率由設(shè)備能力決定，方位向分辨率與監(jiān)測距離無關(guān)。

3.2 露天煤礦作業(yè)環(huán)境影響

露天煤礦現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，道路、運(yùn)輸車輛、皮帶及工業(yè)設(shè)施，將影響雷達(dá)的回波信號(hào)。RAR 采用單點(diǎn)測量方法，最大限度降低環(huán)境因素對(duì)回波信號(hào)影響。同時(shí)，其能識(shí)別回波信號(hào)反差強(qiáng)的區(qū)域，具有高動(dòng)態(tài)識(shí)別能力。

B－SAR 采用永久散射體技術(shù)降低作業(yè)環(huán)境影響，對(duì)被測區(qū)域一定時(shí)間的監(jiān)測，算法自動(dòng)選取符合永久散射體條件的像素點(diǎn)構(gòu)建出被測區(qū)域的環(huán)境校準(zhǔn)曲面；后期監(jiān)測中祛除作業(yè)環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測結(jié)果的影響，該過程依賴算法的可靠度及背景環(huán)境的監(jiān)測。若選取的永久散射體發(fā)生形變則，而環(huán)境校準(zhǔn)曲面不進(jìn)行修正，則無法識(shí)別滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境對(duì)于B－SAR 影響較大，對(duì)于RAR 達(dá)影響較小。

3.3 雷達(dá)現(xiàn)場布置應(yīng)用

RAR 可靈活布設(shè)在礦坑任意監(jiān)測區(qū)域，對(duì)于高頻移動(dòng)和重點(diǎn)位置監(jiān)測時(shí)，使用方便靈活；同時(shí)，從雷達(dá)部署到獲取監(jiān)測信息，僅需開機(jī)后2 次掃描即可獲取監(jiān)測信息。

B－SAR 由于雷達(dá)發(fā)射扇形波束的俯仰角限制了監(jiān)測范圍，需選擇合理監(jiān)測距離用于覆蓋監(jiān)測區(qū)域。同時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取中需要獲取環(huán)境校準(zhǔn)曲面，獲取需要一定監(jiān)測累計(jì)時(shí)間。因此，對(duì)于需高頻移動(dòng)與重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)急監(jiān)測時(shí)，存在使用不靈活和監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取時(shí)間長問題。

3.4 雷達(dá)氣象修正特點(diǎn)

地基雷達(dá)采用非接觸式監(jiān)測技術(shù)，通過遠(yuǎn)距離監(jiān)測邊坡巖體變形。因此，雷達(dá)波束空氣傳播速度受到雷電閃爍、雨、雪、霧氣等條件影響，因此，大氣校正成為高監(jiān)測精度的難點(diǎn)。文獻(xiàn)［9－10］中對(duì)地基雷大氣修正技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，介紹了其大氣修正原理。合成孔徑雷達(dá)通過計(jì)算尋找大氣影響下邊坡穩(wěn)定點(diǎn)建立大氣影響修正模型；而對(duì)于短期的突發(fā)災(zāi)害，已建立的修正模型具有嚴(yán)重的滯后性，突發(fā)災(zāi)害預(yù)警精度影響較大；真實(shí)孔徑雷達(dá)在大氣參數(shù)校正中，采用人工選擇穩(wěn)定參考區(qū)，在1 個(gè)掃描周期內(nèi)即可完成大氣修正，修正速度快。

4 地基雷達(dá)對(duì)比分析

1）2 種地基雷達(dá)距離向分辨率由發(fā)射波束速度和脈沖寬度決定。方位向分辨率，真實(shí)孔徑雷達(dá)由波束寬度和監(jiān)測距離決定；合成孔徑雷達(dá)僅與天線的孔徑有關(guān)。

2）2 種地基雷達(dá)核心區(qū)別為發(fā)射波束的方式和監(jiān)測區(qū)域表面反射物的數(shù)據(jù)處理方法。RAR 采用筆形波束，采用單點(diǎn)監(jiān)測，對(duì)作業(yè)環(huán)境具有高動(dòng)態(tài)識(shí)別能力，2 次掃描即可獲取監(jiān)測區(qū)域的三維位移數(shù)據(jù)。B－SAR 采用扇形波速，獲取數(shù)據(jù)為二維平面信息，需要采集多組數(shù)據(jù)采用數(shù)學(xué)處理方法消除背景影響因素，數(shù)據(jù)處理周期長，二維數(shù)據(jù)投射到DTM 上用于顯示三維效果。

3）2 種雷達(dá)均可滿意一般的變形監(jiān)測。真實(shí)孔徑雷達(dá)工作監(jiān)測距離小于4 km；數(shù)據(jù)獲取快，大氣參數(shù)修正速度較快，特別對(duì)于突發(fā)地災(zāi)災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大區(qū)域的監(jiān)測預(yù)警。合成孔徑雷達(dá)有效監(jiān)測距離一般為5 km，適用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測；獲取數(shù)據(jù)周期長，應(yīng)對(duì)突發(fā)大氣時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)慢，適用于環(huán)境影響因素小，與長期監(jiān)測。

5 結(jié)語

地基雷達(dá)是露天煤礦在邊坡滑坡、片幫與坍塌等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法之一。因此，通過雷達(dá)的監(jiān)測原理，分析了方位向分辨率與距離向分辨率的計(jì)算方法。2 種地基雷達(dá)由于發(fā)射波束不同，這是雷達(dá)工作方式及最終成像原理上的根本區(qū)別。通過對(duì)露天礦現(xiàn)象使用條件分析，從雷達(dá)工作監(jiān)測距離、作業(yè)環(huán)境影響、現(xiàn)場雷達(dá)布置應(yīng)用及氣象修正等四個(gè)方面，分析對(duì)比了兩種雷達(dá)在露天煤礦的現(xiàn)場適用性，并提供了雷達(dá)選型的判斷依據(jù)。