真實孔徑邊坡雷達與合成孔徑邊坡雷達技術對比及應用*

徐玉龍

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室）

隨著露天礦的快速發展，邊坡穩定性問題備受關注，國內各大露天礦也開始升級自身的邊坡監測預警系統，其中邊坡雷達作為一種全新的邊坡監測預警技術已經在全世界范圍內獲得廣泛認可和應用［1］。邊坡雷達的工作原理是通過收發雷達波來測量物體的移動情況。目前，在國際上邊坡雷達主要有2 種，一種為真實孔徑邊坡雷達，一種為合成孔徑邊坡雷達，兩者均應用在露天礦邊坡及類似人工邊坡領域，具有監測邊坡變形、監視巖壁穩定性和對邊坡變形起到精確預報的作用。兩者在技術原理、掃描方式、技術參數、校正方式、兼容性等方面有較大差別，本研究主要通過應用，討論不同雷達技術在邊坡監測方面的異同，來分析兩者的優缺點，為用戶提供參考資料。邊坡雷達技術使得邊坡監測系統更加完善，形成自動化、智能化的面狀監測網絡，能夠為露天礦邊坡監測體系建設提供理論基礎，有著較好的應用前景。

1 邊坡雷達技術介紹

1.1 真實孔徑雷達

真實孔徑雷達技術基本原理主要是雷達發送電磁波到目標位置，通過接受目標物反射的電磁波獲取監測數據［2］。其中，目標物即需監測的邊坡，監測數據為邊坡的位移信息。位移信息可從雷達信號的相位變化信息得到，若邊坡未變形，返回信號的相位不變；反之，返回信號的相位將產生變化，如圖1所示。

真實孔徑雷達是通過無線電波單次反射成像，成像單元是獨立的。它直接加大天線孔徑和發射窄脈沖的辦法來獲取高分辨率雷達圖像。通過專用軟件將雷達圖像數據進行分析，當位移變化量超過設定臨界閾值時，就會及時報警，從而使礦區人員能夠及時了解邊坡的預警信息，保障露天礦的生產安全。

1.2 合成孔徑雷達

合成孔徑雷達是基于差分干涉測量技術（SAR）的一種雷達。差分干涉是利用雷達2 次不同位置獲取的同一監測區域的相位，相位的變化反映了由于地物位置的不同而造成的回波波形的差異，波形的差異反映地物距離變化的信息。最后將差分干涉相位通過相位解纏等操作轉變為形變位移量的過程，如圖2所示。

微變監測雷達（SAR）采用小型低增益天線，用一個軌道式小天線作為單個輻射單元，將此單元沿軌道不斷移動，以“模擬”一個大型天線，在軌道不同位置上多次接收同一地物的回波信號并進行相關解調壓縮處理，成像單元是有疊加的。一個小天線通過“運動”方式就合成一個等效“大天線”，這樣可以得到較高的方位向分辨率，同時方位向分辨率與距離無關，這樣SAR 就可以在軌道平臺上獲取較高分辨率的SAR 圖像［3］。2 種雷達的原理差別如圖3 所示。

2 邊坡雷達技術特點

除了原理上的區別外，在技術方面，2 種雷達的掃描方式、分辨率、兼容性、校正方式方面也有明顯的區別，如表1所示。

通過表1可以得出，在掃描方式和校正方面，真實孔徑雷達比較占優勢；兼容性方面合成孔徑雷達兼容性更好；分辨率方面，合成孔徑采用的是長軌道形成的較大天線，從而能夠獲取分辨率更高的SAR圖像。

2 種雷達在數據傳輸方面也是不同的。真實孔徑雷達是通過網橋搭建局域網，將數據傳輸至生產指揮中心或指定PC 機接收端，來實現邊坡監測數據的查看及管理。合成孔徑雷達通過4G 網絡，實現雷達監測數據的實時傳輸至服務器數據庫，控制中心可以遠程操控設備和整理數據，在BS架構下，通過瀏覽器訪問網頁來查看數據、分析和預警過程管理。如圖4所示。

3 邊坡雷達參數對比

真實孔徑雷達與合成孔徑雷達相關參數對比，如表2所示。

通過表2對比可以得出，真實孔徑雷達優勢主要表現為測量精度高，范圍大，提取預警信息多元化，數據反饋快，通訊系統穩定，采用專用客戶端軟件，預警系統性能穩定。缺點包括測量距離短、低頻率雷達波穿透性差、部署工作繁瑣。

合成孔徑雷達優勢主要表現為測量量程遠，高頻率抗干擾性強，適合邊坡存在植被等干擾因素較多的邊坡，設置掃描坐標采用RTK 輸入，操作簡單，便于快速部署。缺點包括測量精度低、測量角度小、瀏覽器查看數據卡頓、通訊系統在4G 網絡信息差的地方數據傳輸慢。

4 雷達應用情況

扎哈淖爾露天煤礦所處的霍林河礦區位于內蒙古自治區通遼市西北端，年產量為1 800萬t。位于扎旗境內扎哈淖爾開發區界內，屬于霍林河煤田的主要存量區域［4］。扎哈淖爾露天礦屬于典型軟巖露天礦，巖土力學強度較低［5］。隨著近幾年開采規模不斷擴大，暴露的邊坡逐漸增高，邊坡穩定變得尤為重要。再加上北幫東側邊坡自2018 年開始，標高800～940 m 平臺區域發生蠕變現象。其中824、860 m 平臺2 條運輸干線出現明顯的裂紋和沉降情況。蠕變區域長約為920 m，高度約為120 m，沉降高度約為1.5 m。因此，加強邊坡監測，做好臨滑預警，實時掌握邊坡變形數據，是確保礦山安全生產的重要前提。

對此，公司在采取措施積極治理的同時，對北幫重點變形部位部署2 臺邊坡雷達，1 臺為MSR 真實孔徑邊坡雷達，1 臺為合成孔徑邊坡雷達，均部署在南幫靠近地表中部位置，主要監測對面北幫邊坡。使用2臺雷達監測同一蠕動變形區域，是為了準確的實時掌握邊坡變形情況，以便第一時間采取相應措施。形成這樣的監測網絡不僅填補了只有點監測沒有面監測的空缺，而且可以實現數據采集與形變分析和預警預報的自動化。同時還加大了邊坡監測頻度。

4.1 真實孔徑雷達

真實孔徑雷達部署在南幫觀禮臺下方第一個臺階，高程為940 m，主要監測北幫東側蠕變區域，雷達位置及監測區域如圖5所示。

真實孔徑雷達是可移動式，架設在拖車上，通過全站儀及RTK 設置雷達位置及掃描區域，掃描區域可在雷達天線角度范圍內設置多個監測區域，然后導入DTM 三維面狀模型，用于匹配雷達數據云圖。掃描區域的大小跟邊坡距離有關。

根據真實孔徑雷達監測情況，扎礦北幫東側存在變形區域。在數據方面，該區域6 月份位移量為1 778 mm，7 月份位移量為2 439 mm，8 月份為2 591 mm，6、7、8月該蠕變區域累計位移變形6 808 mm。

4.2 合成孔徑雷達

合成孔徑雷達部署在南幫中部觀禮臺下方第一個臺階，高程為950 m 平臺，主要監測北幫東側蠕變區域，雷達位置及監測區域如圖6所示。

合成孔徑雷達軌道和天線安裝完成后，通過RTK 完成雷達坐標位置設置，然后根據雷達部署自動掃描監測區域，監測區域的大小由雷達掃描角度和邊坡距離有關。

通過合成孔徑雷達監測，監測區域內顯示有變形區域。變形區域東西向為920 m，上下高度約為120 m，雷達云圖顯示6、7、8月共3個月的數據情況。

根據6、7、8 月共3 個月的數據情況，該區域基本處于勻速變形階段，位移曲線持續增加，6 月份位移量為936 mm，7 月份位移量為1 360 mm，8 月份為1 443 mm，3個月累計位移量為3 739 mm。

5 技術對比分析

根據2020 年第6、7、8 月監測結果分析，扎哈淖爾露天礦北幫東側邊坡存在較大面積蠕動變形情況，整體空間位置向南、東南、西南方向移動。扎礦北幫東側監測區域未出現加速變形情況，目前較為穩定，但該區域裂縫受爆破和降雨影響較大。

通過以上2種雷達的應用，真實孔徑雷達較合成孔徑雷達的數據較大，根據現場勘查、GNSS監測點數據及人工監測點數據情況，真實孔徑雷達測量的數據更具有代表性，更符合現場真實變形情況。所以真實孔徑雷達精度更高。

根據雷達數據，針對此區域蠕動變形情況，應進一步加強工程地質勘查，控制蠕動變形的繼續發展，減少不必要的損失。建議立即采取以卸載反壓為主的治理方法，即在上部排土堆積區卸載（削坡），在排土場坡底處反壓荷載。同時采取地表排水、截水措施及地下排水、導水措施，來確保礦區安全生產和效益的最大化。

通過以上對2 種不同邊坡監測雷達技術對比及應用情況，可以得到以下結論。

（1）通過案例應用，在預報警、測量精度、獲取數據時間間隔、快速反映形變方面，真實孔徑雷達比較占優勢。主要表現為報警功能完善、監測精度更高、采集數據時間間隔短、反映變形時間更早；在監測距離、預警過程管理、獲取圖像分辨率等方面，合成孔徑雷達比較占優勢，主要表現為監測距離更遠、預警過程管理功能完善、圖像分辨率更高；反映邊坡變形數據方面，合成孔徑雷達具有一定的滯后性。

（2）兩者均適合人工邊坡的監測，可以滿足全天候、大范圍、高精度（亞毫米級位移監測精度）的實時自動化監測和數據實時處理的要求。但是真實孔徑雷達對露天礦邊坡、排土場、水電壩、山體護坡、鐵路邊坡的監測效果更佳。而合成孔徑雷達在數據上存在一定的差異，測量的值比真實孔徑雷達測量值偏小，總體上真實孔徑雷達的測量數據更符合實測值。

（3）合成孔徑雷達和真實孔徑雷達均無需在被測邊坡上布設固定監測設備，即使發生邊坡失穩事故，也不會造成監測設備的損失。兩者均可以在比較復雜的氣候條件下運行，但極特殊的天氣也會影響雷達數據的準確性，比如暴風、暴雨、極寒天氣等。

（4）在數據方面，合成孔徑雷達數據采樣周期間隔較長，并且數據量較大，數據盤需要人工定期清理。而真實孔徑雷達有數據自動傳輸和刪除功能。除此之外，兩者均可以查看事故區域的歷史數據，以便于在后期對事故區域進行分析、評估。

6 結論

通過對2種不同方式雷達監測技術對比及應用，在數據方面，真實孔徑雷達精度明顯較高，測量范圍大。在技術方面真實孔徑雷達比合成孔徑雷達更適應人工邊坡的監測，2 套邊坡雷達系統在扎礦應用以來，系統運行穩定，故障率較低，使扎礦邊坡監測任務順利進行。