露天煤矿边坡监测地基雷达技术

李卫鹏，刘全胜，刘学宇，郭志常

（国能新疆托克逊能源有限责任公司，新疆 托克逊 838000）

露天煤矿开展边坡监测，了解坡体变形规律和滑动特征，为预警预报、边坡评价与治理提供基础资料。国内大型露天煤矿采深不断向深部挺进，形成大量超过200 m 以上的高边坡，因此，高边坡长期稳定的监测方法成为矿山安全研究重点内容。边坡监测中GNSS 和RTK 为单点式测量设备，可实现局部变形监测，使用方便；三维激光扫描和地基雷达可实现大面积变形测量，大型露天煤矿均有使用[1～3]；光学遥感、星载合成孔径雷达与航空摄影可实现整体变形测量，但是无法提供实时监测。

目前，矿山大范围边坡位移监测设备为地基雷达，主要分为地基雷达分为地基真实孔径雷达（Real Aperture Radar，RAR）和地基合成孔径雷达（Groundbase Synthetic Aperture Radar，B－SAR）。地基雷达已在国内矿山开展监测应用研究，由于设备种类较多、各类型雷达的监测原理不同，及煤矿生产规模与边坡监测目的不同，造成地基雷达在边坡监测选型上的困难。为此，针对边坡地基雷达设备的原理、工作方式及矿山应用场景进行分析研究。

1 边坡地基雷达监测原理

雷达监测既无线电探测和测距，当监测目标处于其发射波束范围内时，接收端获取目标物的回波空间位置信息。地基雷达可以测量地表或岩石表面的微小形变，显示位移、速度或者加速度的变化规律；并对超预警值做出预警警报。文献［4］RAR 原理是雷达发送电磁波到目标位置，通过接受目标物反射的电磁波获取监测数；文献［5］对合成孔径雷达进行综合介绍，B－SAR 利用雷达与目标的相对运动，把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理方式合成一较大的等效很大天线真实孔径雷达。其中，雷达分辨率是评价其性能的重要指标，分辨率分为距离向分辨率和方位向分辨率。

1.1 雷达变形监测原理

距离向是指发射和接收电磁波的方向，雷达距离向两物体的分辨示意图如图1。如在距离向上存在测试件A 和测试件B，距离向差为s，2 次回波时间差为t，则两试件的距离为s＝c×t，式中：c 为电磁波速，当回波时间t≥电磁波周期T 时，RAR 在距离向上可分辨两试件[6]。

图1 雷达距离向两物体的分辨示意图

文献［7］中B－SAR 距离向采用线性调频脉冲技术，实现距离向高分辨率，与RAR 距离向分辨率计算方法一致。因此，距离分辨率ΔR1仅与波传播速度和脉冲宽度相关。

式中：c 为电磁波传播速度，3×108m/s；τ 为脉冲宽度，MHz。

方位向指沿着雷达运动方向；方位向分辨率指沿着雷达运动方向能分辨出2 个目标的最短距离。RAR 方位向上分辨率由波的弥散性与监测物距雷达的距离决定，方位向分辨率Ra可用下式表示：

式中：r 为雷达的波束宽度，r＝1.22λ/D；λ 为雷达波波长，m；D 为成像孔径，m；R 为雷达与目标物的距离，m。

RAR 天线的波束宽度是由设备的天线性能决定，天线越长，波束宽度越小。因此，为提高雷达方位向分辨率需要：①研制大尺寸天线，天线越长，波束宽度越小，方位向分辨率越好；②真实孔径雷达采取合适距离。

B－SAR 在方位向上通过小天线的“运动”方式，合成一个等效“大天线”，合成天线长度Ls与雷达波长λ，监测距离R 及天线的宽度D 相关。

B－SAR 的波速宽度r 为：

B－SAR 分辨力Ra为：

因此，B－SAR 方位向理论上分辨率仅与实际天线的孔径D 有关，天线孔径越短，分辨率越好，与监测目标距离无关。

1.2 真实孔径雷达工作原理

真实孔径雷达在输出段发射信号，信号在岩壁面反射后接收端获取型号，即完成1 次监测。若2 次扫描之间发生了位移变形，这将导致接收与输出的波的相位出现差异，测量2 次扫描之间的相位变化如图2。

图2 测量两次扫描之间的相位变化

真实孔径雷达采用干涉测量技术，通过对反射波与输出波的相位差，根据式（6）计算出监测点的位移量，实现高精确度测量，监测精度达到亚毫米。

1.3 合成孔径雷达工作原理

合成孔径雷达接收的回波不像真实孔径雷达立即显示成像，而是把目标物回波的多普勒相位数据进行相关处理[8]，最终形成图像，成像原理复杂，且参量多，监测数据获取对算法依赖性高，算法对于监测影响大。

固定轨道式合成孔径雷达将监测区域分割成若干个单元，距离向上以0.5 m 分割为单元，方位向上以4.3 毫弧度为分割单元测量2 次扫描之间的相位变化，利用差分及干涉测量算法演算出监测区域单点的距离向与方位向的变形量，输出数据结果为二维数据，理论精度为0.1 mm。

2 地基边坡雷达监测方式

2.1 地基雷达工作方式

RAR 采用笔形波束天线，通过机械运行实现监测区域的逐点扫描测量，可获取到监测点三维空间信息。利用高增益大孔径天线实现波束汇聚，每个发射的笔形波束回波彼此独立，不受周边其它监测区域或背景影响，抗干扰能力强，直接获取到监测点的变形量，单点监测区域既可作为预警的最小单元，可识别局部落块或垮塌及大范围变形。

B－SAR 达分为固定轨道模式雷达、圆迹式扫描雷达、阵列式地基雷达和便携式地基雷达，其工作原理相似，仅在雷达运行方式存在区别。雷达发射扇形波束，垂直方向（俯仰角）扫描覆盖区域为其监测的最大范围，水平方向由机械运行方式决定其监测长度；雷达的扇形波束1 次扫描范围大，可获取扫描区域整体位移，监测数据依赖后期算法处理，数据处理后才能显示位移变形。

2 种地基雷达由于发射的波束不同，这是2 种雷达在工作成像原理上的根本区别。

2.2 监测显示效果

RAR 达直接获取监测区域的三维坐标信息，生成监测区域的地形数据图，对于生产变动边坡具有较强的适应性。同时，结合自带影像图片实现监测区域与影像的自动匹配，可直观识别监测区域及变形位置。

B－SAR 三维显示示意图如图3，雷达监测数据为平面二维数据，将二维数据投射到数字地形图DTM 上，形成三维显示效果。因此，对于生产变动型边坡，显示效果受数字地形模型精度的影响。

图3 B－SAR 三维显示示意图

3 地基雷达在露天煤矿使用分析

3.1 露天煤矿边坡监测距离

国内露天煤矿一般开采宽度在1～2 km，采深为100～200 m，RAR 监测距离3.5～4 km，B－SAR 监测距离为5～10 km，2 种地基雷达监测距离上可满足一般矿山需求。

RAR 可灵活布设在矿坑或地表监测区域，根据雷达监测原理，距离向分辨率由设备性能决定，方位向分辨率由波束宽度和监测距离远近决定，因此，RAR 使用中监测距离成为雷达分辨率的重要参考标准。

B－SAR 距离向分辨率由设备能力决定，方位向分辨率与监测距离无关。

3.2 露天煤矿作业环境影响

露天煤矿现场作业环境复杂，道路、运输车辆、皮带及工业设施，将影响雷达的回波信号。RAR 采用单点测量方法，最大限度降低环境因素对回波信号影响。同时，其能识别回波信号反差强的区域，具有高动态识别能力。

B－SAR 采用永久散射体技术降低作业环境影响，对被测区域一定时间的监测，算法自动选取符合永久散射体条件的像素点构建出被测区域的环境校准曲面；后期监测中祛除作业环境因素对监测结果的影响，该过程依赖算法的可靠度及背景环境的监测。若选取的永久散射体发生形变则，而环境校准曲面不进行修正，则无法识别滑动风险。

因此，现场作业环境对于B－SAR 影响较大，对于RAR 达影响较小。

3.3 雷达现场布置应用

RAR 可灵活布设在矿坑任意监测区域，对于高频移动和重点位置监测时，使用方便灵活；同时，从雷达部署到获取监测信息，仅需开机后2 次扫描即可获取监测信息。

B－SAR 由于雷达发射扇形波束的俯仰角限制了监测范围，需选择合理监测距离用于覆盖监测区域。同时，监测数据获取中需要获取环境校准曲面，获取需要一定监测累计时间。因此，对于需高频移动与重点区域应急监测时，存在使用不灵活和监测数据获取时间长问题。

3.4 雷达气象修正特点

地基雷达采用非接触式监测技术，通过远距离监测边坡岩体变形。因此，雷达波束空气传播速度受到雷电闪烁、雨、雪、雾气等条件影响，因此，大气校正成为高监测精度的难点。文献［9－10］中对地基雷大气修正技术进行对比分析，介绍了其大气修正原理。合成孔径雷达通过计算寻找大气影响下边坡稳定点建立大气影响修正模型；而对于短期的突发灾害，已建立的修正模型具有严重的滞后性，突发灾害预警精度影响较大；真实孔径雷达在大气参数校正中，采用人工选择稳定参考区，在1 个扫描周期内即可完成大气修正，修正速度快。

4 地基雷达对比分析

1）2 种地基雷达距离向分辨率由发射波束速度和脉冲宽度决定。方位向分辨率，真实孔径雷达由波束宽度和监测距离决定；合成孔径雷达仅与天线的孔径有关。

2）2 种地基雷达核心区别为发射波束的方式和监测区域表面反射物的数据处理方法。RAR 采用笔形波束，采用单点监测，对作业环境具有高动态识别能力，2 次扫描即可获取监测区域的三维位移数据。B－SAR 采用扇形波速，获取数据为二维平面信息，需要采集多组数据采用数学处理方法消除背景影响因素，数据处理周期长，二维数据投射到DTM 上用于显示三维效果。

3）2 种雷达均可满意一般的变形监测。真实孔径雷达工作监测距离小于4 km；数据获取快，大气参数修正速度较快，特别对于突发地灾灾害和地质灾害危险性大区域的监测预警。合成孔径雷达有效监测距离一般为5 km，适用于远距离监测；获取数据周期长，应对突发大气时监测数据反应慢，适用于环境影响因素小，与长期监测。

5 结语

地基雷达是露天煤矿在边坡滑坡、片帮与坍塌等地质灾害监测方法之一。因此，通过雷达的监测原理，分析了方位向分辨率与距离向分辨率的计算方法。2 种地基雷达由于发射波束不同，这是雷达工作方式及最终成像原理上的根本区别。通过对露天矿现象使用条件分析，从雷达工作监测距离、作业环境影响、现场雷达布置应用及气象修正等四个方面，分析对比了两种雷达在露天煤矿的现场适用性，并提供了雷达选型的判断依据。