唐山馬蘭莊鐵礦露天開(kāi)采邊坡變形監(jiān)測(cè)的GB-InSAR技術(shù)

劉作利 劉景玉 申修強(qiáng) 馬 輝 田衛(wèi)明 左榮虎

(1.唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司；2.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院；3.北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司)

我國(guó)有露天礦山約7萬(wàn)座，尾礦庫(kù)1. 2萬(wàn)座，排土場(chǎng)10萬(wàn)余座，該類邊坡一旦失穩(wěn)，不僅會(huì)影響企業(yè)生產(chǎn)，更會(huì)威脅作業(yè)人員的生命安全[1]。因此，通過(guò)對(duì)邊坡變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理分析，對(duì)于準(zhǔn)確掌握邊坡災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和變化機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊坡災(zāi)害預(yù)警具有重要意義[2-3]。全站儀、測(cè)量機(jī)器人和水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但精度易受氣候、時(shí)間、通視等條件的限制[4]。

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic aperture radar, SAR)是一種基于微波傳感器的雷達(dá)，具有全天候和一定穿透性等優(yōu)點(diǎn)。差分干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Differential interferometric synthetic aperture radar，D-InSAR)是SAR的一個(gè)重要應(yīng)用，在近十余年內(nèi)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。星載和地基干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)是干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Interferometric synthetic aperture radar，InSAR)的2種重要形式。星載干涉合成孔徑雷達(dá)具有獲取變形范圍大的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于大區(qū)域地表沉降監(jiān)測(cè)[5-9]，但由于星載干涉合成孔徑雷達(dá)具有較長(zhǎng)重返周期、固定成像姿態(tài)和低空間分辨率等不足，導(dǎo)致其在邊坡變形監(jiān)測(cè)中效果不理想。地基干涉合成孔徑雷達(dá)測(cè)量技術(shù)(GB-InSAR)是星載干涉合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的有效補(bǔ)充，不僅具有最優(yōu)觀測(cè)姿態(tài)和連續(xù)觀測(cè)性能，而且具有靈活多變、分辨率高、平臺(tái)穩(wěn)定、觀測(cè)周期短、造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，屬于非接觸測(cè)量方法范疇，適用于對(duì)危險(xiǎn)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)[10-12]。本研究以唐山馬蘭莊鐵礦為例，針對(duì)該礦邊坡特點(diǎn)，采用GB-InSAR技術(shù)進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果，進(jìn)一步評(píng)價(jià)利用該技術(shù)進(jìn)行邊坡變形監(jiān)測(cè)的可行性。

1 GB-InSAR技術(shù)原理

1.1 SAR技術(shù)原理

SAR是利用一個(gè)小的真實(shí)天線的運(yùn)動(dòng)來(lái)等效構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)天線，從而可以在運(yùn)動(dòng)方向上獲得一個(gè)等效的大孔徑(合成孔徑)天線，利用該方式，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的分辨率將會(huì)有所提高。根據(jù)合成孔徑成像技術(shù)原理，設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)帶寬為B，電磁波在真空中的傳播速度為c，則雷達(dá)斜距向分辨率為c/2B[13]。當(dāng)信號(hào)帶寬為300 MHz時(shí)，系統(tǒng)能達(dá)到的最大距離向分辨率為0.5 m。若雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)為λ，雷達(dá)滑動(dòng)的最大距離為L(zhǎng)，則雷達(dá)方位角分辨率為λ/2L。

本研究采用的GB-InSAR雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處于Ku波段(12.5～18 GHz)，可以獲得的最高方位向分辨率約為4 mrad。通過(guò)將SAR與調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(Stepped frequency continuous wave,FMCW)相結(jié)合，監(jiān)測(cè)區(qū)域可以被分割為較多二維小單元(圖1)。

圖1 GB-InSAR監(jiān)測(cè)空間分辨單元

GB-InSAR雷達(dá)系統(tǒng)在獲取目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)過(guò)程中，由于天線運(yùn)動(dòng)軌道固定，對(duì)某一區(qū)域目標(biāo)重復(fù)監(jiān)測(cè)成像時(shí)天線都處于相同的空間位置，因而空間基線為0。雷達(dá)信號(hào)往返路徑之差即為雷達(dá)視線方向目標(biāo)距離的變化量，具體可以表現(xiàn)為相位差[13]。

1.2 地基雷達(dá)差分干涉變形測(cè)量原理

利用D-InSAR技術(shù)可以對(duì)SAR圖像進(jìn)行干涉處理并去除干涉圖中的非形變相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表進(jìn)行大范圍、高精度、全天候變形監(jiān)測(cè)。由于地基雷達(dá)主機(jī)部分始終在線性導(dǎo)軌上滑動(dòng)，滑軌的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置始終未發(fā)生變動(dòng)，SAR圖像數(shù)據(jù)的軌道是嚴(yán)格重合的，即地基雷達(dá)并不存在空間基線。如此，地基雷達(dá)和星載雷達(dá)的干涉測(cè)量方式有較大區(qū)別，地基雷達(dá)差分干涉處理時(shí)，無(wú)需去平地效應(yīng)和去地形效應(yīng)，因此從理論上分析，差分干涉SAR圖像的相位信息僅包含變形信息。GB-InSAR可通過(guò)測(cè)量視線方向上回波信號(hào)的相位變化實(shí)現(xiàn)高精度變形測(cè)量(圖2)，視線方向的形變量Δd與干涉相位φdef關(guān)系可以表示為

(1)

式中，λ為雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)。

圖2 差分干涉雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)原理

由干涉相位解纏理論[9]可知，干涉圖中相鄰2個(gè)永久散射體(Permanent scatterer,PS)點(diǎn)位之間的相位差不大于1/4λ，即為邊坡雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)的最大形變分辨能力。因此，地基差分干涉SAR圖像的變形測(cè)量分辨能力與雷達(dá)波長(zhǎng)密切相關(guān)。如本研究采用的Ku波段雷達(dá)波長(zhǎng)約為1.8 cm，則相鄰2個(gè)形變點(diǎn)位的最大形變分辨能力為4.5 mm。根據(jù)差分干涉雷達(dá)的基本理論，目標(biāo)點(diǎn)的干涉相位可以表示為

φInt=φdef+Δφatmosphere+Δφtrack+Δφnoise，

(2)

式中，φdef為地表變形相位；Δφatmosphere為大氣相位；Δφtrack為由定軌誤差引入的相位；Δφnoise為由時(shí)間去相關(guān)等因素引入的隨機(jī)相位。

當(dāng)式(2)中的后3項(xiàng)誤差較大時(shí)將無(wú)法獲得高精度的地表變形信息。為此，在本研究邊坡雷達(dá)系統(tǒng)中采用了永久性散射體技術(shù)(PS)。該方法首先在SAR圖像中根據(jù)幅度閾值、幅度離差閾值、相關(guān)性閾值等指標(biāo)優(yōu)選出高相關(guān)性的目標(biāo)點(diǎn)(PS點(diǎn))；然后對(duì)Δφatmosphere、Δφtrack、Δφnoise進(jìn)行建模并估計(jì)補(bǔ)償大氣誤差、軌道誤差和噪聲誤差相位；最后獲取PS點(diǎn)的形變信息。數(shù)據(jù)解算過(guò)程的重要環(huán)節(jié)為相位解纏[9]，特別是在GB-InSAR礦區(qū)邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，直接影響了邊坡變形監(jiān)測(cè)精度。進(jìn)行相位解纏時(shí)首先選擇1組永久散射體候選子集，通過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)行插值處理，而后進(jìn)行空間維和時(shí)間維解纏，最終通過(guò)處理分析永久散射體間的位移信息來(lái)消除大氣、軌道等噪聲誤差，進(jìn)而獲取高精度的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 GB-InSAR系統(tǒng)組成與工作流程

2.1 系統(tǒng)組成

GB-InSAR系統(tǒng)的主體部分由高分辨調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)、高精度電控位移臺(tái)組成(圖3)。整個(gè)系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)設(shè)備、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)備等。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)通過(guò)發(fā)送線性調(diào)頻的電磁波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)快速成像，最快觀測(cè)一次耗時(shí)小于2 min。高精度電控位移臺(tái)可保障雷達(dá)在運(yùn)行過(guò)程中平穩(wěn)可靠，為雷達(dá)合成孔徑計(jì)算過(guò)程的必備外界條件。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件包括二維和三維2個(gè)模式，可以有效地從雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果中識(shí)別出相應(yīng)的地形位置信息。雷達(dá)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)除了安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件以外，還可以構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)及發(fā)布網(wǎng)站，可將雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)以網(wǎng)站的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。當(dāng)雷達(dá)與監(jiān)控室之間無(wú)法進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備可以通過(guò)無(wú)線方式實(shí)時(shí)發(fā)送雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)主體部分外觀

2.2 系統(tǒng)工作流程

設(shè)備工作時(shí)，邊坡雷達(dá)實(shí)時(shí)處理軟件可以實(shí)時(shí)顯示雷達(dá)工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、處理結(jié)果實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與顯示、歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回放等功能。雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，再利用服務(wù)器中構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大量的雷達(dá)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，最終觀測(cè)結(jié)果可以通過(guò)多個(gè)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本研究雷達(dá)系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可與三維地形信息進(jìn)行疊加顯示，對(duì)變形數(shù)據(jù)可以進(jìn)行打點(diǎn)曲線分析和實(shí)時(shí)預(yù)警，此外，用戶還可以在線查詢特定區(qū)域在各時(shí)期的變形信息。GB-InSAR系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

該系統(tǒng)在形變測(cè)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了振動(dòng)觀測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行計(jì)算，從而可以計(jì)算出強(qiáng)散射體的振幅和頻率值。

3 工程應(yīng)用

3.1 邊坡概況

馬蘭莊鐵礦資源儲(chǔ)量為8 912.15萬(wàn)t，SFe平均品位為29.64%，目前露天采礦規(guī)模達(dá)到 300萬(wàn)t/a，選礦處理原礦能力達(dá)180萬(wàn)t/a，精礦產(chǎn)量為80萬(wàn)t/a。該礦位于河北省遷安市馬蘭莊鎮(zhèn)，西距北京約200 km，西南距唐山約80 km。礦區(qū)中心的地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°36'、北緯40°06'。該礦露天礦區(qū)呈橢圓狀，整個(gè)采場(chǎng)長(zhǎng)半軸約1 100 m，短半軸約900 m，采場(chǎng)邊坡為典型巖質(zhì)邊坡，無(wú)植被覆蓋，邊坡高度落差大，最大開(kāi)采深度超過(guò)200 m；邊坡角為38°～47°，在如此陡峭的邊坡上安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備難度較大；此外，采場(chǎng)存在霧霾、粉塵，能見(jiàn)度不高。隨著該礦露天開(kāi)采深度進(jìn)一步增加，邊坡穩(wěn)定性成為制約采場(chǎng)安全生產(chǎn)的重要因素。

圖4 邊坡雷達(dá)系統(tǒng)工作流程

3.2 邊坡變形監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)該礦露天采場(chǎng)的實(shí)際條件，結(jié)合被監(jiān)測(cè)邊坡危險(xiǎn)區(qū)域的分布特點(diǎn)，將邊坡雷達(dá)安置于礦坑?xùn)|坡和西坡地基較穩(wěn)定處。為使邊坡變形監(jiān)測(cè)工作不受雨雪等不利天氣條件影響，滿足惡劣氣象條件下不間斷監(jiān)測(cè)要求，在礦坑?xùn)|側(cè)邊坡監(jiān)測(cè)位置建立了活動(dòng)房(圖5)，將GB-InSAR安置于該活動(dòng)房中進(jìn)行邊坡變形觀測(cè)，可以有效避免惡劣天氣對(duì)儀器的影響(圖6)。將邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)置于礦區(qū)機(jī)房，監(jiān)控人員通過(guò)客戶端可以完成對(duì)雷達(dá)工作的實(shí)時(shí)控制以及對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析(圖7)。GB-InSAR采用24 h不間斷監(jiān)測(cè)方式，測(cè)量頻率為2～ 10 min/次，采用實(shí)時(shí)處理方式實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)邊坡表面的連續(xù)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 雷達(dá)活動(dòng)房

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

礦坑西坡監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年9月12日—2016年12月20日。礦坑?xùn)|邊坡監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年12月10日—2016年12月20日，監(jiān)測(cè)期分為2段：第1段監(jiān)測(cè)期為2016年12月10日—2016年12月16日；第2段監(jiān)測(cè)期為2016年12月17日—2016年12月20日。礦坑?xùn)|邊坡2次監(jiān)測(cè)的區(qū)域完全一致，雷達(dá)觀測(cè)距離為300～900 m，觀測(cè)范圍恰好覆蓋整個(gè)露天采場(chǎng)的東邊坡。GB-InSAR通過(guò)主動(dòng)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)并接收成像，而后對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行PS點(diǎn)選擇、相位解纏及誤差改正，單軌變形結(jié)果計(jì)算的最短耗時(shí)小于2 min，從而實(shí)時(shí)獲取邊坡變形信息。礦坑西坡的監(jiān)測(cè)期超過(guò)3個(gè)月，相對(duì)于東坡，盡管監(jiān)測(cè)期較長(zhǎng)，但未監(jiān)測(cè)出明顯的變形信息，表明在監(jiān)測(cè)期內(nèi)該區(qū)域的邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。礦坑?xùn)|坡的監(jiān)測(cè)期僅有11 d，雖然監(jiān)測(cè)期較短，但2個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段均監(jiān)測(cè)出礦坑?xùn)|坡在同一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)形變，該區(qū)域?yàn)?0 m×40 m(長(zhǎng)半軸×短半軸)橢圓形，標(biāo)高由高至低，變形量逐漸增大(圖8)。

圖6 安裝于活動(dòng)房?jī)?nèi)的邊坡雷達(dá)

圖7 監(jiān)控室遠(yuǎn)程邊坡雷達(dá)控制

分析圖8可知：第1個(gè)監(jiān)測(cè)段內(nèi)的最大變形量達(dá)到-150 mm(符號(hào)為負(fù)，表現(xiàn)為接近雷達(dá)方向的視線向形變)；第2個(gè)監(jiān)測(cè)段內(nèi)雷達(dá)重新啟動(dòng)，變形結(jié)果重新清零，邊坡最大變形量約-120 mm，也表現(xiàn)為接近雷達(dá)方向的視線向形變。2次觀測(cè)結(jié)果均顯示出邊坡變形區(qū)下部變形速度快、變形量大的特點(diǎn)，2次監(jiān)測(cè)期積累的雷達(dá)視線向最大變形量達(dá)到-270 mm。

為進(jìn)一步分析邊坡變形特點(diǎn)，針對(duì)第2觀測(cè)期內(nèi)邊坡變形較大的1個(gè)點(diǎn)位(圖9)進(jìn)行了打點(diǎn)曲線分析，如圖9所示。分析圖9可知：該點(diǎn)位變形速率較穩(wěn)定，觀測(cè)期內(nèi)的最大變形量約-120 mm。為更精確地計(jì)算該點(diǎn)位的變形速率，利用邊坡雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件，在綜合分析邊坡變形特征及監(jiān)測(cè)誤差的基礎(chǔ)上，將礦坑?xùn)|坡第2監(jiān)測(cè)期內(nèi)的累計(jì)變形量與第2個(gè)監(jiān)測(cè)期的總監(jiān)測(cè)時(shí)間相除，結(jié)果如圖10所示。分析圖10可知：變形速率所顯示的位置與變形區(qū)域完全一致，局部區(qū)域的最大形變速率超過(guò)-1 mm/h，同時(shí)可以看到變形區(qū)域底部的變形量大于上部。

圖8 開(kāi)采東坡形變時(shí)間序列

圖9 點(diǎn)位變形曲線和變形速率曲線

圖10 觀測(cè)期內(nèi)平均形變速率

依據(jù)本研究DB-InSAR邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)邊坡變形區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)該變形區(qū)頂部的邊坡巖體產(chǎn)生了明顯裂縫，區(qū)域上部出現(xiàn)的裂縫顯示局部位置變形量超過(guò)180 mm(圖11)，并且下部變形量大于上部?？傮w上，雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。礦山工程技術(shù)人員根據(jù)本研究邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行了邊坡處理，有效避免了邊坡災(zāi)害發(fā)生。

圖11 礦坑?xùn)|坡現(xiàn)場(chǎng)裂縫

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)唐山馬蘭莊鐵礦露天采場(chǎng)邊坡特征，為確保邊坡穩(wěn)定，采用GB-InSAR技術(shù)進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，在采坑?xùn)|部邊坡發(fā)現(xiàn)了一橢圓形變形區(qū)域，區(qū)域最大累計(jì)變形量達(dá)到-270 mm，并且該區(qū)域底部變形量大于上部，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合。礦山工程技術(shù)人員根據(jù)本研究監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)采取了邊坡處理措施，有效避免了邊坡災(zāi)害發(fā)生。研究表明，采用GB-InSAR技術(shù)可以對(duì)露天采場(chǎng)邊坡進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)邊坡災(zāi)害預(yù)警。

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