謝 翔，杜年春，沈向前，黃 毅，傅泓鑫，朱潔霞

(1.中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)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(zhǎng)沙 410007；3.長(zhǎng)沙市工程災(zāi)害智能監(jiān)控與防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)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(dòng)就會(huì)造成滑坡。在礦山開(kāi)采中，滑坡一直是開(kāi)采作業(yè)的重大安全隱患[1]。中國(guó)有露天礦山約7萬(wàn)座，排土場(chǎng)10余萬(wàn)座，尾礦庫(kù)1.2萬(wàn)座，數(shù)據(jù)相當(dāng)龐大，頻繁發(fā)生露天礦邊坡滑坡 、尾礦庫(kù)潰壩 、排土場(chǎng)泥石流等災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)[2]。導(dǎo)致這些災(zāi)害的誘因有很多，從宏觀上來(lái)看，在邊坡失穩(wěn)之前，巨大的滑動(dòng)力會(huì)大于這部分滑坡體的抗滑力，發(fā)生應(yīng)力的改變，導(dǎo)致這部分滑坡體出現(xiàn)較大的滑動(dòng)。因此，為了研究邊坡滑坡的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量邊坡形變測(cè)量方面的研究[3-4]。

目前，常見(jiàn)的形變監(jiān)測(cè)手段包括常規(guī)大地測(cè)量、空間定位測(cè)量、攝影測(cè)量、三維激光掃描測(cè)量、專(zhuān)門(mén)測(cè)量等[5]。

1)常規(guī)大地測(cè)量常見(jiàn)形式為傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量以及距離測(cè)量等，使用的儀器為水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等。主要優(yōu)點(diǎn)是：可以適用于不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，滿(mǎn)足不同的監(jiān)測(cè)精度要求，可以提供絕對(duì)的形變信息，具有較高的精度。但野外工作量較大，測(cè)量效率低，只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

2)空間定位測(cè)量技術(shù)常用全球定位技術(shù)(GNSS)實(shí)現(xiàn)形變體表面的變形監(jiān)測(cè)。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：全天候監(jiān)測(cè)、三維形變、精度較高、可無(wú)人值守。以GNSS技術(shù)為代表的空間定位測(cè)量技術(shù)在滑坡預(yù)警、地殼變形監(jiān)測(cè)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(yīng)用，進(jìn)一步提高了GNSS技術(shù)的可用性和可靠性。但是GNSS監(jiān)測(cè)是單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，造價(jià)高，監(jiān)測(cè)的是有限點(diǎn)的形變情況，同時(shí)在密林、深山峽谷、密集建筑群、地下空間等環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)遮擋以及多路徑效應(yīng)等情況，極有可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)精度下降或無(wú)法監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

3)近景攝影測(cè)量和激光掃描測(cè)量廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩、滑坡以及建筑物的形變監(jiān)測(cè)。近景攝影測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是：監(jiān)測(cè)工作簡(jiǎn)便、快速、外業(yè)工作量少，可以提供形變體表面上任意點(diǎn)的形變，可用于不規(guī)則或不可接觸物體的形變監(jiān)測(cè)。但攝影測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大，極易受天氣條件限制，且一般僅適用于近景測(cè)量，受距離限制較大。地面激光掃描測(cè)量不僅有類(lèi)似于攝影測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且改變了人工觀測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的自動(dòng)化，提高了測(cè)量精度，可以快速生成監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)模型，已經(jīng)應(yīng)用于泥石流、火山、滑坡體等的快速面監(jiān)測(cè)中，但作為基于面監(jiān)測(cè)的技術(shù)，該方法需要針對(duì)性的創(chuàng)建對(duì)象的三維模型、形變分析方法和測(cè)量精度評(píng)價(jià)體系等。由于激光掃描測(cè)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(mǎn)足全天候監(jiān)測(cè)的要求。

4)專(zhuān)門(mén)測(cè)量常見(jiàn)形式為各種準(zhǔn)直測(cè)量、傾斜測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量等。此方式測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，相對(duì)精度高，可監(jiān)測(cè)形變體內(nèi)部的形變，而且容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)及遙測(cè)遙感，但通常只能提供局部的和相對(duì)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(cè)量技術(shù)與方法，地基合成孔徑雷達(dá)是一種高精度、大范圍的微形變監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以廣泛的應(yīng)用于露天礦山、自然山體、河流大壩、尾礦庫(kù)壩體等建構(gòu)筑物的形變監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、非接觸測(cè)量、可穿透雨霧、不依賴(lài)光照、作用距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。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(diǎn)信息更能夠合理的理解滑坡機(jī)制。因此，作為常規(guī)測(cè)量的補(bǔ)充手段，地基形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)在邊坡形變監(jiān)測(cè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 地基圓弧式合成孔徑雷達(dá)

1.1 地基合成孔徑雷達(dá)類(lèi)型

地基合成孔徑雷達(dá)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(lèi)型：直線(xiàn)式掃描雷達(dá)、圓弧式掃描雷達(dá)和陣列式掃描雷達(dá)[6]。

1)直線(xiàn)式掃描雷達(dá)是通過(guò)收發(fā)天線(xiàn)沿著高精度的滑軌做往返直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)干涉測(cè)量，從而獲得高精度毫米級(jí)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(xué)聯(lián)合研制的IBIS系統(tǒng)(見(jiàn)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(dá)通過(guò)收發(fā)天線(xiàn)在水平面內(nèi)往返的圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)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(dá)包括意大利IDS公司的IBIS-ArcSAR[9]，中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司的Online SAR系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。

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

3)地基陣列式雷達(dá)采用多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)，通過(guò)多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的特殊排列來(lái)等效成一個(gè)大的合成孔徑。比較有代表性的地基陣列雷達(dá)有歐盟JRC機(jī)構(gòu)的MELISSA系統(tǒng)[10]。

1.2 圓弧式合成孔徑形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)原理

圓弧式合成孔徑形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)采用的技術(shù)主要包括合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和差分干涉雷達(dá)技術(shù)[11]合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，能夠在能見(jiàn)度極低的氣象條件下得到類(lèi)似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像。通過(guò)雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠把尺寸相對(duì)較小的真實(shí)天線(xiàn)孔徑利用數(shù)據(jù)處理的方法合成較大的等效天線(xiàn)孔徑，從而提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的分辨率。根據(jù)SAR技術(shù)原理，假設(shè)電磁波在真空中的傳播速度為c，雷達(dá)天線(xiàn)發(fā)射信號(hào)的帶寬為B，則在距離向分辨率δr為：

(1)

雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)為λ，雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的等效孔徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則角度向分辨率為：

(2)

通過(guò)距離向分辨率和角度向分辨率，將監(jiān)測(cè)區(qū)域分割成一個(gè)個(gè)扇形的監(jiān)測(cè)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(dá)在距離向上采用調(diào)頻連續(xù)波或者步進(jìn)頻技術(shù)，圖像中每一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均為復(fù)數(shù)，其中實(shí)數(shù)部分為幅度值，可以研究其散射特性、解譯圖像場(chǎng)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(shí)對(duì)相鄰兩幅圖像進(jìn)行復(fù)共軛相乘，即可以實(shí)現(xiàn)差分干涉處理。理想情況下，差分干涉相位Δφ與視線(xiàn)方向的形變量ΔR呈線(xiàn)性相關(guān)(見(jiàn)圖4)，可以表示為：

圖4 雷達(dá)干涉測(cè)量原理Fig.4 Principle of radar interferometry

(3)

式中：λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離。

實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮到氣象條件、像素點(diǎn)散射特性改變以及系統(tǒng)熱噪聲等因素帶來(lái)的誤差相位分量，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正。

1.3 圓弧式合成孔徑雷達(dá)幾何模型

圓弧合成孔徑雷達(dá)將天線(xiàn)放置天線(xiàn)架上，天線(xiàn)架安裝在長(zhǎng)度固定的支臂一端，通過(guò)支臂繞某一個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)對(duì)象的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)合成孔徑。支臂的長(zhǎng)度是制約距離向分辨率的關(guān)鍵因素，較長(zhǎng)的支臂能夠獲得更高的距離向分辨率，但是相應(yīng)的長(zhǎng)支臂會(huì)增加振動(dòng)，不利于信號(hào)的聚焦。

如圖5所示，假設(shè)遠(yuǎn)處存在目標(biāo)點(diǎn)P，雷達(dá)至目標(biāo)P的俯視角為β，天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸中心到目標(biāo)的距離為r0，起始時(shí)刻為τ0，R(η)為雷達(dá)與目標(biāo)P的瞬時(shí)斜距，其中η=τn+t，τn為慢時(shí)間，t為快時(shí)間[12-13]。

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

則目標(biāo)斜距R(η)為：

≈r0-Lcosω(η-τ0)cosβ

(4)

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

2 雷達(dá)試驗(yàn)研究

為了試驗(yàn)形變監(jiān)測(cè)雷達(dá)在真實(shí)環(huán)境中對(duì)采場(chǎng)邊坡形變的監(jiān)測(cè)能力，在云南省某多金屬礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。該礦區(qū)海拔高程約1 200 m。雷達(dá)監(jiān)測(cè)墩建設(shè)在礦山開(kāi)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(chē)輛來(lái)往震動(dòng)造成的沉降；視野開(kāi)闊，可以實(shí)時(shí)對(duì)三面開(kāi)采中的礦體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖6所示。

圖6 待測(cè)采場(chǎng)邊坡及雷達(dá)Fig.6 Stope slope to be measured and Online SAR

雷達(dá)初始角度方向設(shè)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(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共計(jì)146幀。通過(guò)雷達(dá)掃描，獲取邊坡的雷達(dá)圖像，如圖7所示。

圖7 邊坡雷達(dá)圖像Fig.7 SAR image of slope

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

從圖8中可以看到，采場(chǎng)邊坡整體比較穩(wěn)定，形變量基本在3 mm以?xún)?nèi)，但存在4個(gè)區(qū)域有較大的形變，形變方向沿雷達(dá)視線(xiàn)方向靠近雷達(dá)，形變大小在10 mm以上。結(jié)合雷達(dá)初始位置、旋轉(zhuǎn)角度和距離，在現(xiàn)場(chǎng)找到區(qū)域A、B、C、D對(duì)應(yīng)場(chǎng)景，見(jiàn)圖9(a)、(b)、(c)、(d)。

圖8 24h累計(jì)形變量Fig.8 Accumulative deformation in 24 hours

圖9 圖像形變區(qū)域?qū)?yīng)的邊坡Fig.9 Slope corresponding to image deformation area

從圖9可以看出，4個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的邊坡實(shí)際場(chǎng)景結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況，這些區(qū)域的礦體松散，存在一定坡度，受到車(chē)輛振動(dòng)等外部因素的影響下，整體或者分散地順坡向下滑動(dòng)?？梢哉J(rèn)為系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，形變監(jiān)測(cè)有效。

3 結(jié)論

本文基于中國(guó)有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研發(fā)的Online SAR圓弧式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，介紹了其基本原理，并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于某露天銅礦采場(chǎng)邊坡形變監(jiān)測(cè)，并分析了其24 h時(shí)形變數(shù)據(jù)。通過(guò)分析24 h累計(jì)形變較大區(qū)域?qū)?yīng)的實(shí)際邊坡，驗(yàn)證了系統(tǒng)形變監(jiān)測(cè)的有效性。