圆弧式地基雷达在某露天矿山的应用*

黄 毅谢 翔沈向前3

（1.中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司；2.湖南省矿山安全智能化监控技术与装备工程技术研究中心；3.长沙市工程灾害智能监控与防治工程技术研究中心）

露天采场、排土场以及尾矿库等矿山构造都是存在滑坡、垮塌以及溃坝风险的高势能危险源。近年来，各种矿山企业安全生产形势依然严峻，露天采场、排土场以及尾矿库安全事故时有发生，给人们生命财产和生态环境造成了巨大的损失，严重制约了国民经济和矿山企业的可持续发展［1］。为了有效遏制露天采场、排土场以及尾矿库等矿山重特大事故的发生和继续降低事故总量，国家鼓励企业积极建设各种危险源安全在线监测设施。

对露天采场、排土场以及尾矿库等高风险源实施在线安全监测，有助于实时反映危险源的安全状况，及时发现危险源安全隐患，并及时准确发布安全预警信息，管理单位能对危险信息进行及时了解，针对危险及时整改处理，将危险扼杀在苗头，确保危险不发生，切实做到“安全第一、预防为主、综合治理”的目标。因此，安装露天采场、排土场以及尾矿库安全在线监测系统，既是国家安全生产监督管理的要求，也是矿山企业作为安全生产责任主体的必然需要。

传统的形变监测手段包括全站仪［2］、GNSS 卫星定位技术［3］、拉线位移计、激光扫描［4］、摄影测量等手段。全站仪的优点有测量距离远、精度高、能准确提供绝对形变信息；但受环境干扰大，每次只能监测一个点，且需要布设光学棱镜。GNSS也有同样的问题，每个只能对单点目标进行监测，反映的情况过于片面。摄影测量和三维激光扫描可以实现全面监测，但测量距离短，分辨力随着距离增加而降低，设备使用性能也受到气候环境等外在因素的影响，很难做到实时在线监测。

相比于传统测量监测手段，地基合成孔径雷达是一种大范围、高频次、高精度的表面位移监测设备，该系统具有监测范围广、非接触式、耐候性强、监测距离远、高精度的特点，可适用于通视环境的大面积采场边坡，坝体、堆场等大型场景的形变监测［5］。

1 圆弧式地基雷达系统

1.1 雷达系统技术原理

圆弧式合成孔径雷达监测形变的2 个主要技术为合成孔径技术、步进频率连续波和差分干涉技术。

圆弧式合成孔径雷达的摆臂通过旋转，并通过圆弧运行轨迹，在空间上形成合成孔径，为提高监测面的分辨能力，在聚焦过程中在起始和结束阶段都会增加积累角的运行范围。该过程会将雷达积累角的回波信号进行聚焦，为后续分析提供高清晰度的散射图。

合成孔径与真实孔径的区别在于，合成孔径是通过雷达与目标的相对运动能够把尺寸相对较小的真实天线孔径利用数据处理的方法合成远大于真实孔径的等效天线孔径，从而提高雷达对目标的分辨率。设电磁波在真空中的传播速度为c，雷达天线发射信号的脉冲宽度为B，则在距离向分辨率δr为

雷达发射的电磁波波长为λ，雷达运动的等效孔径长度为L，则角度向分辨率δθ为

通过距离向分辨率和角度向分辨率，可将监测区域分割成一个个扇形的监测单元（图1）［6］。

由式（1）可知，距离向分辨力取决于雷达的脉冲宽度，为提高距离向分辨率，则脉冲宽度需要尽可能短，但短脉冲会造成信号衰减，不能达到理想的回波信号强度。为此，引进步进频率连续波技术，步进频率连续波是雷达的发射波，为一串连续的窄带脉冲信号。对每个脉冲的正交分量进行频谱分析，相位校正和幅度变化，并进行离散傅里叶变换，形成距离向。对N个脉冲串进行处理即可得到高分辨率的距离相。设雷达连续发射N个再带脉冲τ，步进带宽为ΔB，则带宽B计算公式为

雷达接收到的信号中每一个点的数据均为复数，其中实数部分为幅度值，可以解译图像场景，虚数部分为相位值，可以获取形变信息。相邻2幅图像进行复共轭相乘，即可以实现差分干涉处理。理想状态下，差分干涉相位Δφ与视线方向的形变量ΔR呈线性相关，其关系可表示为式（4），

式中，λ为雷达波长；R为雷达到目标的距离［7］。

实际应用中，为排除外部及气象干扰等因素导致的误差，还会对数据进行气象校正。

1.2 信息处理总体流程

本系统的雷达信息处理流程主要包括脉冲压缩、实孔径成像、图像配准、图像相干、干涉图滤波、相位解缠、大气相位校正、地形高程估计、边坡形变估计等步骤［8］，其流程如图2所示。

2 应用分析

2.1 工程概况

云南思茅山水大平掌铜多金属矿区位于思茅市西直线距离40 km 处，隶属于思茅市竹林乡。思茅—澜沧公路由矿区南侧通过，由该公路段竹林乡向北有矿区公路，50 km 可到达矿区。矿区西距澜沧江15 km，其支流小黑江由东向西流经矿区。矿区海拔约1 200 m。采场边坡高度大于300 m，采场面积大于1 km²。

矿区大地构造单元属昌都—兰坪—思茅中生代坳陷。矿床位于兰坪—思茅陆块，景洪晚古生代末—早中生代火山弧。成矿带属西南三江矿产资源富集区南段，即澜沧江成矿带的中南段。澜沧江深断裂东侧构造发育，矿区夹持于北西向2 条断裂间，主要出露上石炭统火山岩系，两侧分布有三叠系、侏罗系地层，两者呈断层或不整合接触。

2.2 监测设备布设

本次选用雷达型号为中国有色金属长沙勘察设计研究院研发的Online SAR 2000，雷达工作波段为Ku波段，工作频率为24.05～24.25 GHz，设备主要技术指标见表1。

通过对现场实际情况进行分析，选定矿区中央凸起小山包作为雷达布设站点，该站点地基牢固，无扰动，受外机干扰少，且与整个采场监测面通视。适宜雷达布设，且可对该采场进行全面监测，雷达布设如图3所示。

2.3 监测成果分析

雷达设置角度向扫描范围为90°～320°，积累角两边各50°，距离向扫描范围为10 ～1 000 m。选取雷达1 d 的监测数据，共计1 460 帧作为形变监测分析数据。通过雷达扫描，获取边坡的雷达散射图像，如图4所示。

通过算法累计各帧形变数据，获得1 d 的累积形变量，24 h的累积形变量如图5所示。

从图5中可以看到，不同形变采用色素带进行表示。采场整体比较稳定，累积形变量在3 mm范围内，但有4 个区域形变较大，其累积形变达到10 mm 以上。结合雷达形变点位的角度和斜距，在现场确认了A、B、C、D 4 个形变较大区域，其现场实际影像如图6所示。

上述4个区域的影像图结合现场实际踏勘情况，这4 个区域存在矿体松散，且坡度较陡，受到边上车辆设备运行、矿上放炮等外部因素影响，这些区域都有明显的滑动迹象。

3 结 论

圆弧式地基雷达在云南思茅山水大平掌采场采的测试试验证明：圆弧式地基雷达非常适合于大型边坡采场等的表面形变监测。与传统手段相比，其具有如下优势：①无需在监测面进行设备装置布设，通过电磁波反射可实现大面域的“面”监测；通过雷达散射图，可以很清晰地分辨出矿山采场边坡的整体轮廓，其整体轮廓是由大量密集的反射点叠加而成，采样点密集且均匀，能对采场边坡进行大面积的监测，可以实现由“点”监测转化为“面”监测。②在本次试验中监测频次可达到1 min/次，近似无间断监测，这是常规手段很难达到的，可获得地表形变的实际情况，特别是在应急状态下，高频次无接触的信息采集有助于提升应急救援效率。③根据累计形变数据与现场映像图片比较，能准确反映边坡变形特征。综上所述，圆弧式地基雷达作为一种新型的地表位移监测手段，在高陡边坡、大型露天采场等场景中，具有得天独厚的优势，应用价值较好。