真实孔径边坡雷达监测数据可靠性获取方法研究

韦忠跟，王立文，董 强

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.国家电投集团内蒙古白音华煤电有限公司露天矿，内蒙古 锡林郭勒 026209）

随着我国露天矿山开采技术方面的不断进步，露天矿的开采境界不断扩大，边坡的高度和面积也不断增加，以及部分露天矿山地质条件十分复杂，在开采过程中极易发生边坡稳定性失衡，引起滑坡等地质灾害，严重威胁露天矿山的安全。针对这一现状的主要风险管控措施是建立一套边坡稳定性监测预警系统。随着科学技术的不断发展，我国露天矿山的边坡稳定性监测预警系统得到了全面的升级改进。目前主流的监测方法有激光（棱镜）监测技术、GNSS监测技术、合成孔径及真实孔径边坡雷达监测技术等[1-4]。其中真实孔径边坡雷达已经在国内外各大露天矿山得到了广泛的应用，该雷达无需安装在边坡表面，即可进行连续、次毫米级精度的监测预警，可以有效保证露天矿山的安全生产及经济效益[5]。

真实孔径边坡雷达，在实践应用中已可以针对片帮、滑坡等地质灾害做到较高准确率的预测预报。受雷达技术物理特性的影响，其在测量过程中仍存在一定的局限性，例如雷达发射的电磁波会受大气温度、湿度和压力的影响，对监测数据的准确度产生一定的干扰。针对这一现象，可采取建立气象站、稳定参考区等方式对数据进行校正，并通过解析雷达波的技术特点，从相似度云图、振幅云图等方面进行干扰因素的排除，最后通过位移及速度云图综合判断边坡的变形规律，达到提高监测数据准确性的目的。

1 真实孔径边坡雷达的原理

真实孔径边坡雷达是一种用于露天矿山边坡监测预警的先进装备，能够对矿区边坡、山体、地表以及矿区建筑等易发生微小变形的物体进行远程监控[6-7]。基本原理是雷达发送高频电磁波到目标位置，通过接收目标物反射的电磁波，获取监测数据[8]。对于真实孔径边坡雷达来说，目标物即需要监测的边坡，监测数据为边坡的距离（绝对距离）和位移（相对距离）变化值，真实雷达的基本原理如图1。

图1 真实雷达的基本原理

真实孔径边坡雷达能以亚毫米的精度对整个露天矿的边坡进行监测预警，做到大范围、远距离、全天候的高精度测量，通过快速识别潜在的不稳定边坡，可以准确的预测预报片帮、崩塌及滑坡等地质灾害的发生时间，最大限度地减少边坡崩塌引起的灾害事故，实现安全生产效率最大化[9-10]。

2 干扰因素的排除

2.1 大气校正因素的排除

2.1.1 气象站校准

现场实践工作中，真实孔径边坡雷达往往远离测量边坡（距离200～4 000 m），其发射的雷达波在扫描的过程中受自然气候条件（例如尘、雾、雨、雪及气压等）影响较大。因此在使用雷达进行边坡稳定性监测预警时，为使采集的监测数据更加准确，需要校正不同气候参数下对于雷达波的影响。

真实孔径边坡雷达是一种基于差值干涉测量法，其发射的雷达波相当于光速。在真空中，光速是恒定的，大约3×108m/s，但在空气中速度会略微有所下降。在真空中光速与空气中的光速之比叫做折射指数N。雷达发出的折射率。在空气中光速会随着温度、压力和湿度的改变而改变。为了准确测量边坡的微小的变化，真实孔径边坡雷达必须参考各种变量而进行校准。在真实孔径边坡雷达上有2 个装置可以校准折射指数：一是气象站校准；二是设立稳定参考区校准。

气象站可以用来测量雷达所处位置的环境温度，大气压力和大气湿度，其内部设置了微处理器，这些微处理器会按照规定的运算法则将采集的数据进行运算和控制，进而生产气象要素所需的观察值，同时会按照一定的数据格式传输到真实孔径边坡雷达的中央处理计算机中，最后通过解析软件计算出当地的折射率，进而校准监测数据的准确性。

2.1.2 稳定参考区校准

通常情况下真实孔径边坡雷达都是远离测量边坡，因此测量边坡和雷达所在位置的温度，压力和湿度会有很大的区别。因雷达气象站的校准数据仅仅是对于雷达所在地，那么距离的差距会使相对范围的测量结果有所不同，通常每天可以检测到几毫米的微小变化。如果建立1 个已知稳定参考区域，那么这种情况会得到改进。

真实孔径边坡雷达使用时地质技术人员根据边坡现场实际变形情况指定边坡上某一变形相对较小且基本保持稳定的区域，设置为稳定参考区。通过假设参考区域不移动，因此可以计算出折射率，进而测量其它的边坡是否移动，即测量边坡相对此稳定参考区域是否移动，这种方法可以大幅提高监测数据的准确性。

2.2 车辆移动及树木摆动因素的排除

1）相似度云图。真实孔径边坡雷达是通过雷达天线进行大幅度转动，对被测边坡进行测量扫描，其扫描范围取决于雷达天线的转动角度。在监测过程中，雷达设置有相似度云图着色模式，这与扫描一致性成正比，当测量位置存在车辆及树木时，其着色与其它区域的边坡有明显差异，相似度云图可以辅助技术人员判断排除车辆及树木的影响因素，有助于提高雷达监测数据的可靠性。雷达的相似度云图如图2。

图2 雷达的相似度云图

2)振幅云图。真实孔径边坡雷达是以单个光斑形成的像素点在一定角度下沿被测边坡表面进行扫描，渐进式的覆盖全部监测区域。它能够同时测量一个方向反射雷达信号的振幅，而这一方向的雷达波可以瞬间测量数千个不同的边坡像素点。当雷达测量到边坡上的车辆及树木等外部因素时，其反射回雷达波的振幅较其它边坡区域密集，因此技术人员可以通过观察振幅云图，判断排除车辆及树木的影响因素，有助于提高雷达监测数据的可靠性。雷达的振幅云图如图3。

图3 雷达的振幅云图

3 位移及速度云图的综合判断

3.1 变形区域边界的清晰度

真实孔径边坡雷达的位移云图及速度云图是由一个一个像素点组成的，每个像素点都代表测量边坡某一位置的位移变化量及速度变化量，其通过与前一次的监测数据进行对比，从而获得测量边坡时间序列上的位移变化量和速度变化量，随着时间的延续可以逐渐构建出整个监测区域的位移云图及速度云图。

当监测区域的边坡岩体出现异常变形，位移及速度云图上相应的像素点会显示出位移及速度变化量异常变大的区域，同时变形区域是由成百上千个像素点组成，其位移及速度变形量会比相邻没有变形的区域大出很多，因此通过云图的位移着色条或速度着色条可以清晰看到异常区域的位置及范围，变形区域的边界如图4。

图4 变形区域的边界

3.2 位移和速度曲线的圆滑度

在监测过程中，真实孔径边坡雷达随着测量时间的累积，监测区域内的每个像素点都会构建出一条时间序列的位移曲线及速度曲线，可以反映其所代表边坡的时间变形情况。通过技术分析位移曲线及速度曲线的圆滑度可以判断边坡的变形规律。滑坡阶段雷达位移曲线如图5。

图5 滑坡阶段雷达位移曲线图

经过长时间的研究，在滑坡过程中可以把真实孔径边坡雷达的位移曲线及速度曲线划分为3 个阶段，即减速变形阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段。通过分析测量边坡所处的变形阶段，可以预判未来一段时间内边坡的变形趋势，最终提高预测预报片帮、滑坡等地质灾害的可靠性与准确性。

1）减速变形阶段。减速变形阶段主要出现在边坡形成的早期阶段，工程采掘形成的边坡表面，其临空自由面的边坡岩体会出现一定程度的位移，特点是变形时间较短、变形趋势逐渐稳定，曲线呈收敛趋势，圆滑度较好。

2）匀速变形阶段。匀速变形阶段为边坡长期存在的状态，其位移曲线较小且保持稳定，速度曲线保持一定斜率的匀速变化，特点是持续时间较长，变形趋势较为稳定，但曲线上下波动较大，圆滑度不够。

3）加速变形阶段。边坡受工程采掘、爆破震动、大气降水、地下水运动及地质构造等因素影响，边坡岩体沿滑动面逐渐发生滑移而出现的异常变形，特点是位移、速度曲线沿一定斜率不断增加，曲线沿某一方向持续增大，具有较好的圆滑度，当位移、速度达到临界值时发生即滑坡。

4 结语

1）真实孔径边坡雷达通过气象站校准、稳定参考区校准可以有效校正不同气候参数对于雷达波的影响，提高获取监测数据的可靠性，使真实孔径边坡雷达可以更加灵敏的捕捉边坡岩体的微小变形，提前做出预测预警，保障露天矿的安全。

2）通过相似度云图和振幅云图，真实孔径边坡雷达可以有效排除车辆及树木因素的影响，简化数据分析的步骤，提高预测预报的准确率。

3）位移及速度云图可以形象化的反映变形区域的位置、范围，使真实孔径边坡雷达可以迅速的确定变形区域的边界，同时通过位移曲线、速度曲线的圆滑度可以有效判断边坡所处的变形阶段，预测未来一段时间内边坡的变形趋势。