IBIS－M系统在露天矿边坡监测的应用

于 泓，彭军还

(中国地质大学(北京)， 北京 100083)

IBIS－M系统在露天矿边坡监测的应用

于 泓，彭军还

(中国地质大学(北京)， 北京 100083)

利用差分干涉测量(D－Insar)技术对地表进行大范围变形监测是当今微变监测领域的一项突破。介绍了IBIS－M微变监测系统的组成、工作原理，及其在露天矿边坡监测方面的应用。实验表明，IBIS－M是一种全新的露天矿边坡监测设备，可长期连续监测，覆盖范围广、监测精度高，在露天矿边坡方面监测方面有着非常成功的应用。

IBIS－M;边坡监测;应用实例

IBIS－M(Image by Interferometric Survey–For Mines)是基于微波干涉技术的高级远程监控系统，是由意大利IDS公司和佛罗伦萨大学经6 a合作研发的创新地基干涉雷达，主要应用于地形变形监测(包括滑坡、不稳定边坡及冰川等)和建筑物变形监测(包括大坝、桥梁、高塔等等)。

1 IBIS－M系统组成及工作原理

如图1所示，IBIS－M系统硬件组成包括以下几个单元:

图1 IBIS－M系统组成

(1)合成孔径雷达单元;

(2)2 m线性轨道扫描单元;

(3)太阳能电池板;

(4)监测报警单元;

(5)工业级高精度以太网式相机;

(6)能量供应控制单元;

(7)智能发电机;

(8)气象监测单元;

(9)WIFI无线数据传输单元。

合成孔径雷达单元即传感器单元，包含频率为16.6～16.9 GHz步进频率连续波，信号发射器和接收器(20 dB增益)、视准器及喇叭形天线，频率扫描和传感器位置间的同步控制器以及线性扫描装置接口。线性轨道扫描单元包含步进控制编码器及步进伺服马达等，使雷达单元在2 m的线性轨道上按照不同的采样间隔有规律地移动。能量供电控制单元包含2个12 V电源、220～240 V交流输入、光电太阳能12 V直流输入、线性扫描器及附件的直流输入接口、电源综合智能控制模块等，此单元也是数据记录和处理的操作平台，还装备有军工级松下CF19笔记本电脑。

IBIS－M系统软件组成为IBIS Controller采集软件及IBIS Guardian数据实时分析软件。

IBIS－M系统参数见表1，其中IP65表示环境相对湿度90%无水滴，防护级别为IP65。

表1 IBIS－M系统参数

IBIS－M的空间分辨率包括距离向分辨率ΔR和角度向分辨率ΔΦ。角分辨率Δφ以及角度向分辨率公式如下:

式中:λ为波长，17.647 mm;L为线性滑轨长度(合成雷达孔径)，2 m;角分辨率4.5 mrad为定值，因此角度向分辨率ΔΦ与监测距离D有关。

距离向分辨率ΔR公式如下:

式中，c为光速，距离向分辨率可以通过脉冲持续时间τ或脉冲带宽B来表示，可以得到距离向分辨率0.5 m为定值，因此距离向分辨率ΔR与监测距离D无关。

IBIS－M系统集合了步进频率连续波技术(SFCW)、合成孔径雷达技术(SAR)、相位干涉测量技术以及永久散射体技术。

频率步进信号是一种较常用的高距离分辨率雷达信号，常用于雷达的目标识别技术之中。在实际雷达系统中，距离分辨率可由短脉冲波形获得，也可通过压缩长脉冲实现。步进频率波形(SFW)是一种常见的脉冲压缩波形［1］。运用步进频率连续波(SFCW)技术原理，如图2所示，雷达以不同的频率f在Tsweep时间内发射n组连续的步进频率的电磁波，保证电磁波的长距离传输，继而为雷达提供了很高的距离向分辨率，即0.5 m，这意味着在雷达的监测区域内，沿径向每0.5 m被分割成一个单元。

图2 步进频率连续波示意

合成孔径雷达(SAR)［2～5］是微波传感器中发展最为迅速、最有成效的一种对地观测系统。IBISM系统备有2 m线性轨道扫描单元，相当于雷达的孔径达到2 m，使IBIS－M主机在滑轨上滑动采集数据时能够分辨雷达径向等距离间隔为0.5 m的点，为设备提供了很高的角度向分辨率。

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是以合成孔径雷达复影像数据对提取的干涉相位信息为信息源获取地表三维信息和变化信息的一项技术［6］。IBISM系统运用了干涉测量技术，将在不同时间得到的同一地区的SAR图像进行干涉，比较目标物在不同时刻的反射波相位信息的差异，从而演算得到微小的位移变化量。

永久散射体技术，是指系统通过对被测区域进行一定时间的监测，自动选取符合永久散射体条件的若干像素点，构建该被测区域的环境校准曲面，准确的去除各种外在环境因素对监测结果的影响。

2 IBIS－M在露天矿边坡监测应用实例

2.1 IBIS－M系统在澳大利亚某露天铁矿边坡监测的应用

表2为IBIS－M系统监测澳大利亚某露天铁矿边坡所设置的参数。

表2 澳大利亚某露天铁矿边坡监测的参数设置

监测时间为2010年3月6日9点23分至2010年3月29日23点59分，共约23 d。监测结果与现场情况相对应，将预警阈值位移区间设置为(－20，20)mm，现场照片见图3(a)，铁矿边坡整体位移如图3(b)。由图可见A区域位移量较大，达到最高设定阈值20 mm，B区域位移量较小，比较稳定。

图3 澳大利亚某露天铁矿边坡现场照片

在A、B区域中各选择一些位移变化比较大的点作为本区域的观测点，图4(a)为A区域所选像素单元在监测周期内的形变曲线，即平均位移量，最大位移甚至到达170 mm;图4(b)为B区域所选像素单元在监测周期内的平均位移量，位移最大处仅为2 mm。

图4(a) A区域平均位移量

图4(b)B区域平均位移量

将位移区间阈值重新设置为(－50，50)mm时，A区域在监测周期内还有许多点的位移超过最大位移阈值，危险系数较高;而B区域位移量几乎全部在安全区间。通过本次监测，可为此露天铁矿边坡稳定性提供有效的判断依据。

2.2 IBIS－M系统在朔州安太堡露天煤矿边坡监测的应用

山西平朔安太堡露天煤矿是中国最大的露天煤矿。该煤矿曾采用过常规的监测方法，但这些方法多为人工测量，都因两次采样间隔时间长、布点少、精度低等，难以保证数据的连贯性和准确性，不能为边坡的稳定性评价提供足够准确的数据。使用IBIS－M监测实验从2010年9月12日15点33分开始，到2010年9月14日7点32分结束，对安太堡露天煤矿进行了为期40 h的监测，实验效果很好地表现了该煤矿的滑坡位移情况。表3为IBIS－M系统监测朔州安太堡露天煤矿边坡所设置的参数。

表3 安太堡露天煤矿边坡监测的参数设置

从监测区域整体雷达位移图上看，监测6 h，整个边坡较为稳定，基本没有发生位移;监测16 h，整个边坡较为稳定，在边坡左上方区域开始有位移迹象;监测23 h、监测28 h、监测33 h，直至监测40 h，位移越来越明显。图5为最终雷达位移图与现场照片对比。

图5 最终雷达位移图与现场照片对比

从图5可以看出，雷达图可以与现场的位置完全对应，且能够真实的反映出发生滑坡的区域。

IBIS－M系统除了可以准确地反映出滑坡位置的位移趋势和位移量，还可以得到位移速度图，通过调整阈值和颜色条，可以将速度变化量显示出来。

滑坡区域的整体平均位移曲线图反映出该滑坡区域在监测时间段内，整体位移量在5 mm左右。滑坡区域的整体平均位移速度曲线反映出该滑坡区域在监测时间段内，平均位移速度在0.13 mm/h。

工作人员根据所监测边坡的实际情况，在IBIS系统中设置对应阈值，软件自动处理，运用预警功能，将滑坡区域预警设置由浅至深分为4个级别:位移速度小于 0.1 mm/h;位移速度为 0.1～0.15 mm/h;位移速度为0.15～0.2 mm/h;位移速度大于0.2 mm/h。边坡如果发生位移且达到设置的值后，该系统便会以邮件、警示、手机短信的形式自动向工作人员报警。

通过对监测结果的分析，IBIS－M为安太堡露天煤矿边坡稳定性评价提供了有效地判断依据。在这段监测周期内，整个边坡基本处于稳定状态，只是在左上部位置有位移情况，位移量大概在5 mm左右，位移速度约为0.13 mm/h。

3 小结

实验表明，IBIS－M系统是一种全新的非接触式的露天矿边坡监测设备，可以为露天矿边坡提供有效、及时的安全性监测，为矿山的安全生产提供强有力的保障，这种从全局到局部的数据分析方式，提供了更为可靠的监测结果，为后期预警工作打下坚实基础。IBIS－M系统可长期连续监测，覆盖范围广、监测精度高，在露天矿边坡监测、预警方面有着非常成功的应用。

［1］ 周沿海，张 勇.基于Matlab的步进频率波形与高分辨力距离像［J］.现代电子技术，2007，(4):75－77.

［2］ 张拴宏，纪占胜.合成孔径雷达干涉测量InSAR在地面形变监测中的应用［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15(1):112－117.

［3］ 刘国祥，刘文熙，黄丁发.InSAR技术及其应用中的若干问题［J］.测绘通报，2001，(8):11－12.

［4］ 李平湘，杨 杰.雷达干涉测量原理与应用［M］.北京:测绘出版社，2006.

［5］ 牛 瑞，杨晓涛，楼良盛，等.星载合成孔径雷达的发展以及干涉测量应用［J］.遥感信息，2006，(4):79－82.

［6］ 胡 波，朱建军，张长书.InSAR提取DEM的原理与实践［J］.测绘工程，2008，17(5):57－59.

2011－05－30)

于 泓(1986－)，女，山东荣成人，硕士研究生，现研究方向为地基干涉雷达，Email:kathy1225yu@126.com。