地基边坡监测雷达技术原理与对比

Jinji · 发表于 2024-5-7 02:55

1. 露天矿边坡监测需求

1.1背景

矿山资源是人类社会生存和发展的重要物质基础，作为国民经济的基础产业，提供了我国所需近95%的能源，近80%矿产资源是人类社会生存和发展的重要物质基础，为满足人民日益增长的物质生活、支持经济高速发展提供了广泛的资源保障。然而，露天矿生产引发的地质灾害十分严重，种类繁多。在露天采矿中，随着采矿活动的深入，露天采场形成的边坡、尾矿库边坡等地形极易引发矿山滑坡灾害，常见的露天矿灾害有边坡失稳、滑坡。我国露天矿呈现集中化开采趋势，开采范围及年产量逐渐增大，形成了大规模的高陡边坡，边坡稳定是影响露天矿安全生产的重要因素，因边坡失稳造成的片帮、滑坡等地质灾害不仅影响正常的采矿作业，而且威胁人员及设备安全，严重时甚至造成露天矿停产，造成巨大的经济损失。

如果有一款矿山滑坡监测设备，可以满足露天矿边坡稳定性监测，可以及时是监测人员了解和掌握边坡位移的演变过程、及时捕捉其发展变化特征信息，并可对可能发生的灾害做到提前预报预警，协助对事故隐患可进行分析评价，可以指导生产人员采取合理的防治措施，在滑坡事故后的治理工程中又能提供可靠资料和科学依据，对保障露天矿安全生产具有重要意义。

2. 地基边坡监测雷达的发展

2.1边坡n表面位移监测概述

边坡表面位移监测是对一定范围内岩体及土体的位移、沉降、倾斜或建筑物、构筑物及其地基等形变所进行的测量工作。边坡表面位移监测的任务是应用各种测量手段，测定形变体的形状、位置在时域、空域中的变化特征，并解释其发生的原因。测量手段所涉及的技术领域广泛，但总体发展趋势是测量精度和自动化程度逐渐提高，监测手段更可靠、更有效，监测结果从最初的单点测量结果到连续平面测量结果，监测方式从最初的接触式测量到现在的遥感式测量，监测仪器工作更安全、抗灾害破坏能力强。

2.2边坡表面位移监测手段

边坡表面位移监测手段有多种，各有优点和不足，接触式的测量仪器包括GNSS、测量机器人、倾斜仪或斜度仪、应变测量计、同轴电缆电磁波测量、光纤传感测量。接触式的测量仪器通常放置在监测目标表面，或者插入、嵌入监测目标体内，是目前适用较广泛的形变监测手段。但普遍具有抗灾害破坏能力弱的特点，而且其接触式测量方式也给测量人员的安全带来隐患，覆盖范围较小，受到恶劣天气影响较大。单点式的测量结果也不能满足对灾害区域大范围的连续监测，不利于对监测区域形变类型和整体发展趋势的判断。

点式形变监测手段测量结果受本身测量结果的限制，只能抽样获取监测目标区域单点的形变结果。为了获取监测区域整体形变场的特征，通常的做法是将所得到的单点形变信息组成形变监测网，而后在这些形变信息上进行数据插值，近似得到监测区域整体形变信息。这样的做法，其计算精度与监测点设置的疏密程度和空间位置分布有很大关系，监测点设置越多形变检测结果越可靠，其位置分布越均匀所产生的插值误差越小。

2.3干涉SAR技术的优越性

另外一类遥感监测技术手段包括三维扫描监测技术、干涉SAR技术。其中三维扫描监测技术存在事后性、监测精度低、距离短等限制，在矿山实时监测无法广发应用。干涉Sar技术具有高精度、实时性、无接触监测等特点，在安全性及适用性上优于接触式测量。

为了解决点式监测手段覆盖范围较小、受到恶劣天气影响较大、抗灾害破坏能力弱、自动化程度不高、无法获取区域连续形变监测结果的特点，我们将已发展成熟的星载、机载干涉合成孔径雷达（SAR）遥感技术应用到地基轨道上，发展出地基差分干涉SAR。地基差分干涉SAR，也可以称为微变监测雷达、地基雷达、干涉雷达、边坡雷达等，是通过获取的时间序列SAR数据实现区域形变的监测，具有大范围、全天时、全天候、定点、连续监测的优点，且兼具方便携带、安装灵活等优点。其非接触测量，可以在安全距离内获取被监测危险区域的形变数据。采集所得的形变信息为二维图像信息，而非单点信息采集，这种区域信息的获取有助于观测现象的理解和灾害预测。地基差分干涉SAR的高灵敏度、高空间分辨率、宽覆盖率、全天时全天候等特点使得这种技术在露天矿山边坡形变监测、地表下陷、山体滑坡监测和地震形变监测等方面具有重要的研究意义。

3. 地基边坡监测雷达分类

3.1线性滑轨合成孔径（SAR）雷达

线性滑轨合成孔径（SAR）成像形式（如图）是配置低增益天线的雷达主机在线性轨道上移动形成合成孔径（SAR），这个过程称作合成。从而对前方几公里远，90°×60°场景进行成像和干涉。该形式是1999年由意大利D. Tarchi教授首先提出，并转化为意大利Ingegneria Dei Sistemi（IDS）公司的IBIS（Image By Interferometric Survey）系列产品，从1999年至2022年，IBIS产品系列进行了持续的更新换代，从IBIS-L、IBIS-M、IBIS-FM，到今年最新的IBIS-FM EVO。

图1 合成孔径成像

随时市场化的不断进步，现在类似线性滑轨合成孔径成像形式的地基边坡雷达还包括荷兰MetaSensing研制的FastGBSAR、苏州理工雷科“虎眼”系列、中国安科院S-SAR等，内蒙古方向图公司的微变监测雷达LSA系统，此外，北方工业大学、日本Tohoku大学、英国Sheffield大学等也开展了地基SAR系统的应用研究。其原理和实现形式基本相同，但在SAR成像、干涉算法，大气校正算法，及线性轨道步进模式等有较大差别，另外根据各厂家产品定位，在技术参数上也有所不同，如距离向分辨率、方位向分辨率、测量范围、扫描时间等（如表1所示）。以最新的IBIS-FM EVO系统为例，其工作在Ku波段，最远探测距离为5km, 1 km处的空间分辨率为0.375m×4.3 m，快速扫描时间约为30s，可以获取亚毫米量级的形变测量精度。在SAR图像合成及处理阶段，其将线性调频连续波技术、合成孔径雷达技术、干涉测量技术和永久散射体技术相结合，可以应用于对矿山边坡、水电站大坝、冰川等的实时形变监测。

表1：线性滑轨合成孔径地基SAR参数对比
公司	系统	波段	测量周期	空间分辨率（1km）	最远距离(km)
IDS公司 (意大利)	IBIS-FM EVO	Ku	＜30s	0.375 m×4.3m	5
安科院 (中国)	S-SAR	Ku	<10 min	0.5 m×3.0 m	5
理工雷科公司 (中国)	边坡雷达	Ku	3~10min	0.3 m×4.0	5
方向图公司 (中国)	LSA	Ku	4～10 min	0.2 m×5.4 m	5
MetaSensing公司(荷兰)	FastGBSAR-S	Ku	2~4min	0.5 m×4.8 m	4
JRC组织 (欧盟)	LiSA	Ku	约12 min	0.5 m×3.0 m	3

线性滑轨SAR形式的优点在于:

① 通过线性轨道合成，直接扫描扇形区域并进行干涉成像可以获得更大的监测范围并形成二维数据。相较于实孔径雷达大天线，小型的收发天线即可获得大范围成像，而真实孔径天线如果想要单次获得大范围的成像，需要增大天线半径来获取较大的聚焦；

② 雷达波在线性轨道运行过程中，持续播发和接收，相较于实孔径雷达的单次播发和接收扫描时间长，从而有利于排除短期地表植被、车辆和动物运动等的影响，可以很清晰的分析障碍噪声并将其剔除；

但也存在一些局限性：

① 对于成像算法、干涉算法、线性轨道步进模式和气候噪声剔除（PS）要求较高，如IDS公司的IBIS系统最早是与佛罗伦萨大学联合研发；

② 对轨道平直精度要求高，雷达头在线性轨道运行时要有非常平稳的的运转轨迹和轨道平直要求，例如IBIS-FM EVO系列加入了轨道倾斜仪来保证轨道的平直性。

(a)IDS公司IBIS-FM EVO (b) Metasensing公司FastGBSAR

(c)理工雷科AB21型 (d)中国安科院S-SAR

图2 典型线性滑轨SAR形变监测雷达系统

3.2笔形波束扫描实孔径（RAR）雷达

笔形波束扫描实孔径（RAR）成像形式是通过一个高增益的抛物面天线产生“笔”形窄波束，然后天线波束在俯仰和方位上进行扫描，伺服系统的控制，实现方位维和俯仰维的大范围逐点扫描，形成雷达图像并对形变进行监测。这种形式的雷达最早由GroundProbe公司于2003年推出的SSR系统。类似产品还有南非公司的REUTECH MSR系统，瑞士Gamma公司的GPRI系统，主要功能和性能基本类似。以SSR-XT为例，其工作在X波段，监测范围为30～3500 m，1 km处分辨率为8.7 m×8.7 m，扫描180°×60°范围耗时26 min。

图3实孔径成像

笔形波束扫描实孔径（RAR）雷达的优点在于：

① 可以自动生成数字地形图，且雷达天线为笔形上下左右运动，幅度不大；

② 由于是逐点扫描，而且大型天线，天线增益高，回波信噪比高，有利于提交精度，精度在0.2~0.3mm；

③ 某成像分辨单元上的强干扰，比如经过的车辆和人员，不会将误差扩展到其他区域。

与合成孔径成像不同，实孔径雷达有他独特的局限性：

① 如果要达到较好的分辨率，物理机械转向要求指向精度要足够高，但由由于天线提交较大，因此抗风性较差；

② 由于用窄的笔形波束扫描整个区域，因此扫描时间相对更长，数据更新率慢；

③ 实孔径理论精度一般在±0.2~0.3mm，相较于合成孔径精度较差见（表2）；

④ 由于是物理指向，且为高增益天线，所以一般探测距离在4公里左右，且随着距离的增大，指向误差逐渐增大；

⑤ 针对大气变化噪声，实孔径雷达一般需要建立地面控制参考点进行修正；

表2：合成孔径与实孔径雷达参数对比
类型	合成孔径雷达	实孔径雷达
理论精度 /mm	±0.1mm	±0.2mm
监测距离 /m	5km	2~5km
空间分辨率	0.5m× 4.3m @1000m	0.5-1m× 5m -10m @1000m
扫描方式	线形扇形扫描	逐点扫描
孔径天线尺寸	37.5×27×11.5cm锥形天线	180cm直径圆盘天线
扫描速度	20s~3min	2-10min
大气噪声剔除	永久散射体技术自动大气校正	建立PS控制点作为参考点修正
自动生成DTM	ArcSAR可以	可以

(a)GroundProbe公司SSR-XT (b) Reutech公司MSR

(c)Gamma公司GPRI-II (d)GroundProbe公司SSR-FX

图3 典型的笔形波束扫描实孔径（RAR）雷达系统

3.3圆弧式扫描地基合成孔径（ArcSAR）雷达

圆弧式扫描地基合成孔径（ArcSAR）雷达通过收发天线在水平面内的圆周运动来进行圆弧扫描，从而获取大的合成孔径。由于圆弧扫描地基SAR采用特殊的运动形式来实现圆弧式合成孔径，在成像算法上，与直线扫描地基SAR有所不同。利用长的转臂旋转，使得转臂顶端的低增益天线运动形成圆弧轨迹，然后通过沿圆弧性轨迹利用合成孔径原理，在数字域综合出高分辨率成像波束。ArcSAR成像方法与直线滑轨合成孔径相似，又因为转臂的旋转使得其具备全方位观测能力，因此同时具备线性滑轨SAR成像和扫描实孔径（RAR）成像的优势。最早由意大利IDS公司推出IBIS-ArcSAR和Hydra系列产品。后有韩国国立江原大学开发的ArcSAR(Arc-scanningSAR)、中国科学院电子学研究所的ArcFMCW-SAR系统和内蒙古方向图公司的微变监测旋转雷达RSA系统等（见表3）。

表3：圆弧式扫描地基合成孔径（ArcSAR）参数对比
公司	系统	波段	测量周期	空间分辨率（1km）	空间覆盖	最远距离(km)	自动生成DTM
IDS公司 (意大利)	IBIS-ArcSAR	Ku	40s~80s	0.375 m×4.3m	360°×90°	5	能
内蒙古方向图公司	微变监测雷达	Ku	50s～5 min	0.3 m×8.6m	360°×18°	5	否
华测导航	360°边坡雷达	Ku	大于1min	0.3 m×5.2 m	360°×20°~60°	5	否

ArcSAR作为一种近年新出现的雷达形式，具备了直线滑轨SAR雷达和实孔径扫描雷达（RAR）的优点，具体如下：

① 360°圆弧扫描，集成线性滑轨SAR成像和扫描实孔径（RAR）成像优势，可以对矿坑进行全面覆盖；

② 优异的合成原理和算法，在成像原理上可以给出高分辨率的成像波束；

③ 相较于线性轨道合成孔径雷达（SAR）与实孔径雷达（RAR）在孔径覆盖上，利用小的底增益天线即可全方位覆盖，并且获得较高的方位像分辨率；

④ 圆弧式合成轨迹可以与先进的MIMO技术天线结合，实现跨越式的技术革新，IDS公司的IBIS-ArcSAR又搭载了4支基于MIMO技术的天线，可以实现自动地理编码，可以实时获取并更新场景数字地形模型，扫描360°范围时只需要40 s，将二维雷达转向三维；

⑤ 圆弧式的合成轨迹更加易于机动部署，与线性滑轨式和实孔径成像方式不同，ArcSAR由于是360°覆盖在苛刻的环境中更易于部署，而不需要严格定位朝向；

由于该技术的革新和严谨性，在产品方面也存在了以下问题：

① 由于360°圆弧运动，为了保证较高的方位向分辨率，在旋转定位器中必须有严格的校准和质量把关；

② 与线性合成方式不同，ArcSAR合成方式需要更加先进的成像算法与干涉算法，同时为了保证高精度的距离向分辨率，需要对线性调频连续波技术做深层是的改进；

③ 通过MIMO阵列天线自动生成DTM需要对雷达回波所含的振幅和相位信息做深度处理和编码，从而生成数字等高模型和数字地形图，这项技术对于数据处理算法有较高的要求；

④ 由于ArcSAR的高技术特性，除了IDS公司的IBIS-ArcSAR，目前市面上还没有太多ArcSAR技术产品。

(a)IDS公司IBIS-ArcSAR (b) 韩国ArcSAR

(c) 华测360°边坡雷达 (d)内蒙古方向图公司的微变监测雷达

图4圆弧式扫描地基合成孔径（ArcSAR）雷达系统

3.4MIMO阵列地基（SAR）雷达

MIMO阵列（SAR）采用空间上分布式放置的发射和接收天线阵列，形成“虚拟”的均匀线性阵列，并通过发射和接收天线的分时工作和利用阵列成像算法对场景进行高分辨率成像。直线扫描和弧线扫描两种工作体制，均需要伺服系统控制收发天线进行特定的机械扫描，图像获取的速度会受限，一般为几分钟至十几分钟。为减少图像的获取时间，提高地基雷达在快速形变监测领域的应用，国内外一些机构开展了MIMO(Multiple-Input Multiple-Output多输入多输出)体制地基SAR的研究。地基MIMO雷达采用多输入多输出技术，通过多个发射天线和接收天线的特殊排列来等效成一个大的合成孔径。由于稳定的正交波形设计这个难题暂未得到有效解决，地基MIMO雷达工作时，各个发射天线分时发射，各个接收天线则同时接收，一次完整的扫描时间为几毫秒到几秒。由于该技术一直处于研究到商用的关键阶段，IDS公司的ArcSAR首次采用4支MIMO技术的天线组配合圆弧式的方式进行监测，从使用情况看效果较为稳定。另外欧盟JRC机构的MELISSA系统、北京理工大学(北理工)研发的MIMO-SAR系列也为MINO阵列技术提供了宝贵的经验。

MIMO阵列形式的全固态电子扫描体制带来了一些新的优点：

① 电子扫描速度更快，理论上数据更新率主要受处理速度限制；

② 无机械活动部件，降低了机械失效风险；

但是阵列电子扫描也有其局限性

① 稳定的正交波形设计这个难题暂未得到有效解决；

② 由于收发天线数量较少，方位向采样数量受限，影响方位向波束性能和探测距离；

③ MIMO体制成像几何模型与“虚拟“线阵并不严格相同，几何模型偏差可能会造成聚焦误差或者可用角度范围降低。

(a) ReuTech MSR Esprit (b)苏州理工雷科传感R/HYB2000

图5 MIMO阵列成像形变监测雷达系统

4. 结论

表4 四种形变监测雷达成像形式特点比较

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类型	笔形波束扫描实孔径（RAR）	线性滑轨合成孔径（SAR）雷达	MIMO阵列地基（SAR）	圆弧式扫描地基合成孔径（ArcSAR）
形变测量精度	优	较优	优	较优
工作距离	远	较远	较远	较远
数据更新率	较低	较高	高	较高
全方位扫描能力	无	无	无	有
距离向分辨率一致	否	是	是	是
障碍噪声剔除	较差	较优	优	较优
DTM自动生成	有	无	有	有
部署便利性	较优	较优	优	较优
系统复杂度	高	高	高	较高