真实孔径边坡雷达与合成孔径边坡雷达技术对比及应用*

徐玉龙

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室）

随着露天矿的快速发展，边坡稳定性问题备受关注，国内各大露天矿也开始升级自身的边坡监测预警系统，其中边坡雷达作为一种全新的边坡监测预警技术已经在全世界范围内获得广泛认可和应用［1］。边坡雷达的工作原理是通过收发雷达波来测量物体的移动情况。目前，在国际上边坡雷达主要有2 种，一种为真实孔径边坡雷达，一种为合成孔径边坡雷达，两者均应用在露天矿边坡及类似人工边坡领域，具有监测边坡变形、监视岩壁稳定性和对边坡变形起到精确预报的作用。两者在技术原理、扫描方式、技术参数、校正方式、兼容性等方面有较大差别，本研究主要通过应用，讨论不同雷达技术在边坡监测方面的异同，来分析两者的优缺点，为用户提供参考资料。边坡雷达技术使得边坡监测系统更加完善，形成自动化、智能化的面状监测网络，能够为露天矿边坡监测体系建设提供理论基础，有着较好的应用前景。

1 边坡雷达技术介绍

1.1 真实孔径雷达

真实孔径雷达技术基本原理主要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据［2］。其中，目标物即需监测的边坡，监测数据为边坡的位移信息。位移信息可从雷达信号的相位变化信息得到，若边坡未变形，返回信号的相位不变；反之，返回信号的相位将产生变化，如图1所示。

真实孔径雷达是通过无线电波单次反射成像，成像单元是独立的。它直接加大天线孔径和发射窄脉冲的办法来获取高分辨率雷达图像。通过专用软件将雷达图像数据进行分析，当位移变化量超过设定临界阈值时，就会及时报警，从而使矿区人员能够及时了解边坡的预警信息，保障露天矿的生产安全。

1.2 合成孔径雷达

合成孔径雷达是基于差分干涉测量技术（SAR）的一种雷达。差分干涉是利用雷达2 次不同位置获取的同一监测区域的相位，相位的变化反映了由于地物位置的不同而造成的回波波形的差异，波形的差异反映地物距离变化的信息。最后将差分干涉相位通过相位解缠等操作转变为形变位移量的过程，如图2所示。

微变监測雷达（SAR）采用小型低增益天线，用一个轨道式小天线作为单个辐射单元，将此单元沿轨道不断移动，以“模拟”一个大型天线，在轨道不同位置上多次接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理，成像单元是有叠加的。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR 就可以在轨道平台上获取较高分辨率的SAR 图像［3］。2 种雷达的原理差别如图3 所示。

2 边坡雷达技术特点

除了原理上的区别外，在技术方面，2 种雷达的扫描方式、分辨率、兼容性、校正方式方面也有明显的区别，如表1所示。

通过表1可以得出，在扫描方式和校正方面，真实孔径雷达比较占优势；兼容性方面合成孔径雷达兼容性更好；分辨率方面，合成孔径采用的是长轨道形成的较大天线，从而能够获取分辨率更高的SAR图像。

2 种雷达在数据传输方面也是不同的。真实孔径雷达是通过网桥搭建局域网，将数据传输至生产指挥中心或指定PC 机接收端，来实现边坡监测数据的查看及管理。合成孔径雷达通过4G 网络，实现雷达监测数据的实时传输至服务器数据库，控制中心可以远程操控设备和整理数据，在BS架构下，通过浏览器访问网页来查看数据、分析和预警过程管理。如图4所示。

3 边坡雷达参数对比

真实孔径雷达与合成孔径雷达相关参数对比，如表2所示。

通过表2对比可以得出，真实孔径雷达优势主要表现为测量精度高，范围大，提取预警信息多元化，数据反馈快，通讯系统稳定，采用专用客户端软件，预警系统性能稳定。缺点包括测量距离短、低频率雷达波穿透性差、部署工作繁琐。

合成孔径雷达优势主要表现为测量量程远，高频率抗干扰性强，适合边坡存在植被等干扰因素较多的边坡，设置扫描坐标采用RTK 输入，操作简单，便于快速部署。缺点包括测量精度低、测量角度小、浏览器查看数据卡顿、通讯系统在4G 网络信息差的地方数据传输慢。

4 雷达应用情况

扎哈淖尔露天煤矿所处的霍林河矿区位于内蒙古自治区通辽市西北端，年产量为1 800万t。位于扎旗境内扎哈淖尔开发区界内，属于霍林河煤田的主要存量区域［4］。扎哈淖尔露天矿属于典型软岩露天矿，岩土力学强度较低［5］。随着近几年开采规模不断扩大，暴露的边坡逐渐增高，边坡稳定变得尤为重要。再加上北帮东侧边坡自2018 年开始，标高800～940 m 平台区域发生蠕变现象。其中824、860 m 平台2 条运输干线出现明显的裂纹和沉降情况。蠕变区域长约为920 m，高度约为120 m，沉降高度约为1.5 m。因此，加强边坡监测，做好临滑预警，实时掌握边坡变形数据，是确保矿山安全生产的重要前提。

对此，公司在采取措施积极治理的同时，对北帮重点变形部位部署2 台边坡雷达，1 台为MSR 真实孔径边坡雷达，1 台为合成孔径边坡雷达，均部署在南帮靠近地表中部位置，主要监测对面北帮边坡。使用2台雷达监测同一蠕动变形区域，是为了准确的实时掌握边坡变形情况，以便第一时间采取相应措施。形成这样的监测网络不仅填补了只有点监测没有面监测的空缺，而且可以实现数据采集与形变分析和预警预报的自动化。同时还加大了边坡监测频度。

4.1 真实孔径雷达

真实孔径雷达部署在南帮观礼台下方第一个台阶，高程为940 m，主要监测北帮东侧蠕变区域，雷达位置及监测区域如图5所示。

真实孔径雷达是可移动式，架设在拖车上，通过全站仪及RTK 设置雷达位置及扫描区域，扫描区域可在雷达天线角度范围内设置多个监测区域，然后导入DTM 三维面状模型，用于匹配雷达数据云图。扫描区域的大小跟边坡距离有关。

根据真实孔径雷达监测情况，扎矿北帮东侧存在变形区域。在数据方面，该区域6 月份位移量为1 778 mm，7 月份位移量为2 439 mm，8 月份为2 591 mm，6、7、8月该蠕变区域累计位移变形6 808 mm。

4.2 合成孔径雷达

合成孔径雷达部署在南帮中部观礼台下方第一个台阶，高程为950 m 平台，主要监测北帮东侧蠕变区域，雷达位置及监测区域如图6所示。

合成孔径雷达轨道和天线安装完成后，通过RTK 完成雷达坐标位置设置，然后根据雷达部署自动扫描监测区域，监测区域的大小由雷达扫描角度和边坡距离有关。

通过合成孔径雷达监测，监测区域内显示有变形区域。变形区域东西向为920 m，上下高度约为120 m，雷达云图显示6、7、8月共3个月的数据情况。

根据6、7、8 月共3 个月的数据情况，该区域基本处于匀速变形阶段，位移曲线持续增加，6 月份位移量为936 mm，7 月份位移量为1 360 mm，8 月份为1 443 mm，3个月累计位移量为3 739 mm。

5 技术对比分析

根据2020 年第6、7、8 月监测结果分析，扎哈淖尔露天矿北帮东侧边坡存在较大面积蠕动变形情况，整体空间位置向南、东南、西南方向移动。扎矿北帮东侧监测区域未出现加速变形情况，目前较为稳定，但该区域裂缝受爆破和降雨影响较大。

通过以上2种雷达的应用，真实孔径雷达较合成孔径雷达的数据较大，根据现场勘查、GNSS监测点数据及人工监测点数据情况，真实孔径雷达测量的数据更具有代表性，更符合现场真实变形情况。所以真实孔径雷达精度更高。

根据雷达数据，针对此区域蠕动变形情况，应进一步加强工程地质勘查，控制蠕动变形的继续发展，减少不必要的损失。建议立即采取以卸载反压为主的治理方法，即在上部排土堆积区卸载（削坡），在排土场坡底处反压荷载。同时采取地表排水、截水措施及地下排水、导水措施，来确保矿区安全生产和效益的最大化。

通过以上对2 种不同边坡监测雷达技术对比及应用情况，可以得到以下结论。

（1）通过案例应用，在预报警、测量精度、获取数据时间间隔、快速反映形变方面，真实孔径雷达比较占优势。主要表现为报警功能完善、监测精度更高、采集数据时间间隔短、反映变形时间更早；在监测距离、预警过程管理、获取图像分辨率等方面，合成孔径雷达比较占优势，主要表现为监测距离更远、预警过程管理功能完善、图像分辨率更高；反映边坡变形数据方面，合成孔径雷达具有一定的滞后性。

（2）两者均适合人工边坡的监测，可以满足全天候、大范围、高精度（亚毫米级位移监测精度）的实时自动化监测和数据实时处理的要求。但是真实孔径雷达对露天矿边坡、排土场、水电坝、山体护坡、铁路边坡的监测效果更佳。而合成孔径雷达在数据上存在一定的差异，测量的值比真实孔径雷达测量值偏小，总体上真实孔径雷达的测量数据更符合实测值。

（3）合成孔径雷达和真实孔径雷达均无需在被测边坡上布设固定监测设备，即使发生边坡失稳事故，也不会造成监测设备的损失。两者均可以在比较复杂的气候条件下运行，但极特殊的天气也会影响雷达数据的准确性，比如暴风、暴雨、极寒天气等。

（4）在数据方面，合成孔径雷达数据采样周期间隔较长，并且数据量较大，数据盘需要人工定期清理。而真实孔径雷达有数据自动传输和删除功能。除此之外，两者均可以查看事故区域的历史数据，以便于在后期对事故区域进行分析、评估。

6 结论

通过对2种不同方式雷达监测技术对比及应用，在数据方面，真实孔径雷达精度明显较高，测量范围大。在技术方面真实孔径雷达比合成孔径雷达更适应人工边坡的监测，2 套边坡雷达系统在扎矿应用以来，系统运行稳定，故障率较低，使扎矿边坡监测任务顺利进行。