于 泓，彭軍還

(中國地質(zhì)大學(北京)， 北京 100083)

IBIS－M系統(tǒng)在露天礦邊坡監(jiān)測的應(yīng)用

于 泓，彭軍還

(中國地質(zhì)大學(北京)， 北京 100083)

利用差分干涉測量(D－Insar)技術(shù)對地表進行大范圍變形監(jiān)測是當今微變監(jiān)測領(lǐng)域的一項突破。介紹了IBIS－M微變監(jiān)測系統(tǒng)的組成、工作原理，及其在露天礦邊坡監(jiān)測方面的應(yīng)用。實驗表明，IBIS－M是一種全新的露天礦邊坡監(jiān)測設(shè)備，可長期連續(xù)監(jiān)測，覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度高，在露天礦邊坡方面監(jiān)測方面有著非常成功的應(yīng)用。

IBIS－M;邊坡監(jiān)測;應(yīng)用實例

IBIS－M(Image by Interferometric Survey–For Mines)是基于微波干涉技術(shù)的高級遠程監(jiān)控系統(tǒng)，是由意大利IDS公司和佛羅倫薩大學經(jīng)6 a合作研發(fā)的創(chuàng)新地基干涉雷達，主要應(yīng)用于地形變形監(jiān)測(包括滑坡、不穩(wěn)定邊坡及冰川等)和建筑物變形監(jiān)測(包括大壩、橋梁、高塔等等)。

1 IBIS－M系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，IBIS－M系統(tǒng)硬件組成包括以下幾個單元:

圖1 IBIS－M系統(tǒng)組成

(1)合成孔徑雷達單元;

(2)2 m線性軌道掃描單元;

(3)太陽能電池板;

(4)監(jiān)測報警單元;

(5)工業(yè)級高精度以太網(wǎng)式相機;

(6)能量供應(yīng)控制單元;

(7)智能發(fā)電機;

(8)氣象監(jiān)測單元;

(9)WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸單元。

合成孔徑雷達單元即傳感器單元，包含頻率為16.6～16.9 GHz步進頻率連續(xù)波，信號發(fā)射器和接收器(20 dB增益)、視準器及喇叭形天線，頻率掃描和傳感器位置間的同步控制器以及線性掃描裝置接口。線性軌道掃描單元包含步進控制編碼器及步進伺服馬達等，使雷達單元在2 m的線性軌道上按照不同的采樣間隔有規(guī)律地移動。能量供電控制單元包含2個12 V電源、220～240 V交流輸入、光電太陽能12 V直流輸入、線性掃描器及附件的直流輸入接口、電源綜合智能控制模塊等，此單元也是數(shù)據(jù)記錄和處理的操作平臺，還裝備有軍工級松下CF19筆記本電腦。

IBIS－M系統(tǒng)軟件組成為IBIS Controller采集軟件及IBIS Guardian數(shù)據(jù)實時分析軟件。

IBIS－M系統(tǒng)參數(shù)見表1，其中IP65表示環(huán)境相對濕度90%無水滴，防護級別為IP65。

表1 IBIS－M系統(tǒng)參數(shù)

IBIS－M的空間分辨率包括距離向分辨率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為波長，17.647 mm;L為線性滑軌長度(合成雷達孔徑)，2 m;角分辨率4.5 mrad為定值，因此角度向分辨率ΔΦ與監(jiān)測距離D有關(guān)。

距離向分辨率ΔR公式如下:

式中，c為光速，距離向分辨率可以通過脈沖持續(xù)時間τ或脈沖帶寬B來表示，可以得到距離向分辨率0.5 m為定值，因此距離向分辨率ΔR與監(jiān)測距離D無關(guān)。

IBIS－M系統(tǒng)集合了步進頻率連續(xù)波技術(shù)(SFCW)、合成孔徑雷達技術(shù)(SAR)、相位干涉測量技術(shù)以及永久散射體技術(shù)。

頻率步進信號是一種較常用的高距離分辨率雷達信號，常用于雷達的目標識別技術(shù)之中。在實際雷達系統(tǒng)中，距離分辨率可由短脈沖波形獲得，也可通過壓縮長脈沖實現(xiàn)。步進頻率波形(SFW)是一種常見的脈沖壓縮波形［1］。運用步進頻率連續(xù)波(SFCW)技術(shù)原理，如圖2所示，雷達以不同的頻率f在Tsweep時間內(nèi)發(fā)射n組連續(xù)的步進頻率的電磁波，保證電磁波的長距離傳輸，繼而為雷達提供了很高的距離向分辨率，即0.5 m，這意味著在雷達的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，沿徑向每0.5 m被分割成一個單元。

圖2 步進頻率連續(xù)波示意

合成孔徑雷達(SAR)［2～5］是微波傳感器中發(fā)展最為迅速、最有成效的一種對地觀測系統(tǒng)。IBISM系統(tǒng)備有2 m線性軌道掃描單元，相當于雷達的孔徑達到2 m，使IBIS－M主機在滑軌上滑動采集數(shù)據(jù)時能夠分辨雷達徑向等距離間隔為0.5 m的點，為設(shè)備提供了很高的角度向分辨率。

合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)是以合成孔徑雷達復(fù)影像數(shù)據(jù)對提取的干涉相位信息為信息源獲取地表三維信息和變化信息的一項技術(shù)［6］。IBISM系統(tǒng)運用了干涉測量技術(shù)，將在不同時間得到的同一地區(qū)的SAR圖像進行干涉，比較目標物在不同時刻的反射波相位信息的差異，從而演算得到微小的位移變化量。

永久散射體技術(shù)，是指系統(tǒng)通過對被測區(qū)域進行一定時間的監(jiān)測，自動選取符合永久散射體條件的若干像素點，構(gòu)建該被測區(qū)域的環(huán)境校準曲面，準確的去除各種外在環(huán)境因素對監(jiān)測結(jié)果的影響。

2 IBIS－M在露天礦邊坡監(jiān)測應(yīng)用實例

2.1 IBIS－M系統(tǒng)在澳大利亞某露天鐵礦邊坡監(jiān)測的應(yīng)用

表2為IBIS－M系統(tǒng)監(jiān)測澳大利亞某露天鐵礦邊坡所設(shè)置的參數(shù)。

表2 澳大利亞某露天鐵礦邊坡監(jiān)測的參數(shù)設(shè)置

監(jiān)測時間為2010年3月6日9點23分至2010年3月29日23點59分，共約23 d。監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場情況相對應(yīng)，將預(yù)警閾值位移區(qū)間設(shè)置為(－20，20)mm，現(xiàn)場照片見圖3(a)，鐵礦邊坡整體位移如圖3(b)。由圖可見A區(qū)域位移量較大，達到最高設(shè)定閾值20 mm，B區(qū)域位移量較小，比較穩(wěn)定。

圖3 澳大利亞某露天鐵礦邊坡現(xiàn)場照片

在A、B區(qū)域中各選擇一些位移變化比較大的點作為本區(qū)域的觀測點，圖4(a)為A區(qū)域所選像素單元在監(jiān)測周期內(nèi)的形變曲線，即平均位移量，最大位移甚至到達170 mm;圖4(b)為B區(qū)域所選像素單元在監(jiān)測周期內(nèi)的平均位移量，位移最大處僅為2 mm。

圖4(a) A區(qū)域平均位移量

圖4(b)B區(qū)域平均位移量

將位移區(qū)間閾值重新設(shè)置為(－50，50)mm時，A區(qū)域在監(jiān)測周期內(nèi)還有許多點的位移超過最大位移閾值，危險系數(shù)較高;而B區(qū)域位移量幾乎全部在安全區(qū)間。通過本次監(jiān)測，可為此露天鐵礦邊坡穩(wěn)定性提供有效的判斷依據(jù)。

2.2 IBIS－M系統(tǒng)在朔州安太堡露天煤礦邊坡監(jiān)測的應(yīng)用

山西平朔安太堡露天煤礦是中國最大的露天煤礦。該煤礦曾采用過常規(guī)的監(jiān)測方法，但這些方法多為人工測量，都因兩次采樣間隔時間長、布點少、精度低等，難以保證數(shù)據(jù)的連貫性和準確性，不能為邊坡的穩(wěn)定性評價提供足夠準確的數(shù)據(jù)。使用IBIS－M監(jiān)測實驗從2010年9月12日15點33分開始，到2010年9月14日7點32分結(jié)束，對安太堡露天煤礦進行了為期40 h的監(jiān)測，實驗效果很好地表現(xiàn)了該煤礦的滑坡位移情況。表3為IBIS－M系統(tǒng)監(jiān)測朔州安太堡露天煤礦邊坡所設(shè)置的參數(shù)。

表3 安太堡露天煤礦邊坡監(jiān)測的參數(shù)設(shè)置

從監(jiān)測區(qū)域整體雷達位移圖上看，監(jiān)測6 h，整個邊坡較為穩(wěn)定，基本沒有發(fā)生位移;監(jiān)測16 h，整個邊坡較為穩(wěn)定，在邊坡左上方區(qū)域開始有位移跡象;監(jiān)測23 h、監(jiān)測28 h、監(jiān)測33 h，直至監(jiān)測40 h，位移越來越明顯。圖5為最終雷達位移圖與現(xiàn)場照片對比。

圖5 最終雷達位移圖與現(xiàn)場照片對比

從圖5可以看出，雷達圖可以與現(xiàn)場的位置完全對應(yīng)，且能夠真實的反映出發(fā)生滑坡的區(qū)域。

IBIS－M系統(tǒng)除了可以準確地反映出滑坡位置的位移趨勢和位移量，還可以得到位移速度圖，通過調(diào)整閾值和顏色條，可以將速度變化量顯示出來。

滑坡區(qū)域的整體平均位移曲線圖反映出該滑坡區(qū)域在監(jiān)測時間段內(nèi)，整體位移量在5 mm左右?；聟^(qū)域的整體平均位移速度曲線反映出該滑坡區(qū)域在監(jiān)測時間段內(nèi)，平均位移速度在0.13 mm/h。

工作人員根據(jù)所監(jiān)測邊坡的實際情況，在IBIS系統(tǒng)中設(shè)置對應(yīng)閾值，軟件自動處理，運用預(yù)警功能，將滑坡區(qū)域預(yù)警設(shè)置由淺至深分為4個級別:位移速度小于 0.1 mm/h;位移速度為 0.1～0.15 mm/h;位移速度為0.15～0.2 mm/h;位移速度大于0.2 mm/h。邊坡如果發(fā)生位移且達到設(shè)置的值后，該系統(tǒng)便會以郵件、警示、手機短信的形式自動向工作人員報警。

通過對監(jiān)測結(jié)果的分析，IBIS－M為安太堡露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評價提供了有效地判斷依據(jù)。在這段監(jiān)測周期內(nèi)，整個邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，只是在左上部位置有位移情況，位移量大概在5 mm左右，位移速度約為0.13 mm/h。

3 小結(jié)

實驗表明，IBIS－M系統(tǒng)是一種全新的非接觸式的露天礦邊坡監(jiān)測設(shè)備，可以為露天礦邊坡提供有效、及時的安全性監(jiān)測，為礦山的安全生產(chǎn)提供強有力的保障，這種從全局到局部的數(shù)據(jù)分析方式，提供了更為可靠的監(jiān)測結(jié)果，為后期預(yù)警工作打下堅實基礎(chǔ)。IBIS－M系統(tǒng)可長期連續(xù)監(jiān)測，覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度高，在露天礦邊坡監(jiān)測、預(yù)警方面有著非常成功的應(yīng)用。

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2011－05－30)

于 泓(1986－)，女，山東榮成人，碩士研究生，現(xiàn)研究方向為地基干涉雷達，Email:kathy1225yu@126.com。