邊坡雷達(dá)SSR介紹

1、一、邊坡雷達(dá)介紹邊坡雷達(dá)（SSR）是一套用于露天礦區(qū)的邊坡穩(wěn)定性測量和監(jiān)測的設(shè)備。其主要作用是采集數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測點(diǎn)計(jì)算機(jī)，最終在監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算機(jī)或者辦公室終端計(jì)算機(jī)上顯示邊坡變形數(shù)據(jù)及設(shè)置報(bào)警。使地質(zhì)工程師和礦區(qū)作業(yè)人員有信心地跟蹤邊坡變形情況，并可在優(yōu)化安全性和生產(chǎn)效率時(shí)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理。邊坡雷達(dá)可以沿整個巖壁表面并無需與巖壁發(fā)生任何接觸，進(jìn)行連續(xù)的，次毫米級精度測量。而且該系統(tǒng)的測量絕大部分不受雨水、灰塵或煙霧的影響?？梢员ＷC露天礦山的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)的連續(xù)性，達(dá)到對邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并及時(shí)預(yù)報(bào)可能發(fā)生的滑坡、避免生命財(cái)產(chǎn)安全事故的目標(biāo)。該系統(tǒng)應(yīng)用了澳大利亞Grou

2、ndProbe公司開發(fā)的軟件SSRViewer Suite 4，用以顯示和監(jiān)測巖壁的運(yùn)動過程。SSRViewer Suite 4軟件采用一套獨(dú)特的方法來監(jiān)測巖壁形變和設(shè)置報(bào)警，使系統(tǒng)與緊急工作程序完全融為一體。圖1-1 邊坡雷達(dá)在礦坑中的應(yīng)用二、邊坡雷達(dá)組成邊坡雷達(dá)由硬件及軟件兩部分構(gòu)成。硬件由遠(yuǎn)區(qū)域電源（RAPS）、顯示器（Display Unit）、計(jì)算機(jī)電子箱（CEB）、雷達(dá)電子箱（REB）、盤子（Dish）、天線（Feed horn）和拖車（Trailer）等組成（如圖2-1）。軟件主要為SSRViewer Suite 4，其中又包括了SSRControl、SSRViewer、Elin

3、k、Wall Starter Wizard、VNC、Web Upload等。 圖2-1 邊坡雷達(dá)硬件組成 下面介紹邊坡雷達(dá)幾種主要部件： 1、遠(yuǎn)區(qū)域電源邊坡雷達(dá)系統(tǒng)提供了一套保證長時(shí)間穩(wěn)定供電的備用電源（遠(yuǎn)區(qū)域電源），借助于柴油發(fā)動機(jī)的動力，為整個系統(tǒng)提供了持續(xù)的12V直流電源。 遠(yuǎn)區(qū)域電源如圖2-2所示。圖2-2 遠(yuǎn)區(qū)域電源 2、顯示器 顯示器的作用是聯(lián)系工作人員和邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的溝通。備用電源如圖2-3所示。圖2-3 顯示器 3、CEB和REB（計(jì)算機(jī)電子箱和雷達(dá)電子箱）CEB（計(jì)算機(jī)電子箱）為邊坡雷達(dá)系統(tǒng)提供計(jì)算機(jī)控制。REB（雷達(dá)電子箱）作用是生成和處理雷達(dá)信號。CEB和REB如圖2-4

4、和2-5所示。圖2-4 CEB（計(jì)算機(jī)電子箱）圖2-5 REB（雷達(dá)電子箱） 4、盤子和喇叭天線盤子和喇叭天線的作用是傳輸和接收邊坡雷達(dá)信號。盤子和喇叭天線如圖2-6。圖2-6 盤子和喇叭天線 5、拖車 拖車的作用是為邊坡雷達(dá)提供一個工作平臺，同時(shí)也可以方便移動。拖車如圖2-7。圖2-7 拖車三、邊坡雷達(dá)特點(diǎn)邊坡雷達(dá)具有如下特點(diǎn)：（1）邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)是一種基于差值干涉測量法、利用雷達(dá)波監(jiān)測露天礦邊坡的技術(shù)。該系統(tǒng)先對邊坡面進(jìn)行分區(qū)域的掃描, 然后將每個區(qū)域的掃描監(jiān)測結(jié)果與之前獲得的掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 從而確定邊坡面的位移程度。（2）該系統(tǒng)與其他的邊坡監(jiān)測技術(shù)相比較, 其優(yōu)勢在于不需要將雷

5、達(dá)反射器固定在巖石表面, 就能對整個巖石邊坡面進(jìn)行監(jiān)測。（3）該系統(tǒng)對邊坡面移動量的監(jiān)測精度達(dá)到次毫米級。（4）該系統(tǒng)監(jiān)測精度不受陰雨、霧靄、灰塵以及煙霾的干擾和影響。（5）該系統(tǒng)可以安裝在專用的拖車上, 能夠在監(jiān)測現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)方便、快捷的移動。（6）該系統(tǒng)自帶柴油發(fā)動機(jī)，為系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保證。（7）工作溫度變化范圍大，為-25C60C。（8）監(jiān)測范圍可達(dá)302800m。（9）可進(jìn)行連續(xù)掃描（每次掃描210分鐘，每天24小時(shí)監(jiān)測）。（10）覆蓋范圍廣泛（每次掃描數(shù)達(dá)千個點(diǎn)）。（11）水平掃描角度為270度，垂直掃描角度為120度。（12）沈陽院擁有一批從事露天采礦方面的專業(yè)人才，有多年的邊坡

6、穩(wěn)定性監(jiān)測方面經(jīng)驗(yàn)，能夠很好地服務(wù)于現(xiàn)場。四、邊坡雷達(dá)原理邊坡數(shù)據(jù)的采集在掃描的過程中完成，掃描自邊坡表面的頂部向底部，或從邊坡表面的底部向頂部反復(fù)進(jìn)行。工程技術(shù)人員通過初級監(jiān)測站（PMP）直接或間接觀察到掃描數(shù)據(jù)，并針對一次掃描至下一次掃描的數(shù)據(jù)（主要是兩次掃描位移量的變化）進(jìn)行比較。信號通過SSR系統(tǒng)傳輸（Tx），如下圖所示。信號指向巖壁，然后反彈至巖壁的粗糙表面，通過SSR系統(tǒng)來接收。SSR系統(tǒng)記錄接收到的信號相對于傳輸信號的相位。圖4-1 SSR系統(tǒng)傳輸一個信號，該信號反彈到巖壁上，再由SSR系統(tǒng)接收這個信號SSR系統(tǒng)重復(fù)對巖壁的掃描過程，對從一次掃描到下一次掃描的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。該

7、系統(tǒng)測量收到的信號相對于傳輸信號的相位變化，計(jì)算巖壁的位移（如果有）。如果巖壁從一次掃描到下一次掃描之間發(fā)生了運(yùn)動，這將導(dǎo)致相位與巖壁運(yùn)動成比例的相位變化。圖4-2 SSR系統(tǒng)測量的相位變化，并計(jì)算巖壁的運(yùn)動量下面的兩個電磁波簡圖解釋了波之間相位的變化。相位的變化用于計(jì)算從一次掃描到下一次掃描期間一個礦區(qū)邊坡表面的位移。振幅時(shí)間 相位變化圖4-3 兩個電磁波之間相位變化圖邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)（SSR）的最終的輸出數(shù)據(jù)結(jié)果主要有變形（Deformation）、振幅（Amplitude）、距離（Range）。其中：1 變形（Deformation）：兩次掃描的相位變化的量度。2 振幅（Amplitude

8、）：返回的相位合矢量的大小。3 距離（Range）：雷達(dá)到邊坡之間的距離。四、邊坡雷達(dá)軟件功能邊坡雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及分析的軟件為SSRViewer Suite 4，該軟件安裝在雷達(dá)系統(tǒng)、監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算機(jī)和終端計(jì)算機(jī)上。對于邊坡雷達(dá)的數(shù)據(jù)分析過程，即為排除掃描區(qū)和雷達(dá)之間大氣溫度和濕度等影響，找到真正變形、速度曲線，并設(shè)置報(bào)警，最后預(yù)測滑坡時(shí)間的過程。邊坡雷達(dá)軟件功能主要由報(bào)警和分析兩種組成。一、報(bào)警功能通過地質(zhì)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，以及邊坡雷達(dá)軟件曲線的分析，給出合理的報(bào)警值，并設(shè)置到軟件中。當(dāng)邊坡變形速度達(dá)到設(shè)置值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，當(dāng)然也可以設(shè)置多重報(bào)警，如下：（1）警戒閾值：根據(jù)位移、速度曲線的判斷，設(shè)定具體

9、的警戒閾值，報(bào)警顏色為黃色。圖4-1 黃色報(bào)警（2）危險(xiǎn)閾值：根據(jù)位移、速度曲線的判斷，設(shè)定具體的危險(xiǎn)閾值，報(bào)警顏色為橙色。圖4-2 橙色報(bào)警（3）報(bào)警閾值：根據(jù)位移、速度曲線的判斷，設(shè)定具體的報(bào)警閾值，報(bào)警顏色為紅色。圖4-3 紅色報(bào)警二、分析功能軟件中的分析功能主要由幾種曲線完成，曲線提供了不同的功能。（1）大氣校正空氣溫度、壓力和濕度影響著邊坡雷達(dá)波的速度，如果不進(jìn)行校正，這些影響因素顯示到SSRViewer中如同是邊坡變形，所以雷達(dá)系統(tǒng)會自動進(jìn)行大氣校正。系統(tǒng)的每次掃描會進(jìn)行大氣校正，而校正的結(jié)果將顯示在“Atmospheric Correction Parameters”圖像中。由于

10、在正常天氣變化下，空氣溫度、壓力和濕度每天呈周期性變化，所以正常的大氣校正圖像為周期性的圍繞一條直線變化，如圖4-4。特殊地，邊坡雷達(dá)系統(tǒng)也將其向前或向后的移動歸結(jié)為大氣校正，所以一些周期性地向下或向上趨勢的大氣校正實(shí)際為雷達(dá)拖車的向前或向后移動，如圖4-5。這種情況下，視變化大小而定，如果變化在正常范圍內(nèi)，并不需要重新建立掃描區(qū)，而此時(shí)大氣校正只是作為一種參考。圖4-4 正常的大氣校正曲線圖4-5 非正常大氣校正曲線（2）變形曲線由于邊坡變形的大小和變形曲線的形態(tài)是邊坡滑坡預(yù)測的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。所以在軟件SSRViewer中，變形曲線則成為觀察邊坡變形大小及速率的最直接也是最有效的曲線。在確定

11、大氣校正為正常的前提下，才可以對變形曲線進(jìn)行判斷分析。而對于變形曲線的分析，也要區(qū)分真正的邊坡變形曲線或卡車移動、樹木搖擺形成的變形曲線?？ㄜ囈苿印淠緭u擺形成的曲線主要特征為變形曲線可能出現(xiàn)或者不出現(xiàn)加速跡象，但是觀察振幅曲線、距離曲線后，一定會發(fā)現(xiàn)振幅和距離出現(xiàn)凌亂的、折線非常多的現(xiàn)象，見圖4-6。圖4-6 卡車移動、樹木搖擺形成的曲線真實(shí)的邊坡變形應(yīng)當(dāng)是緩慢的，所以變形曲線應(yīng)當(dāng)是平滑的，而且振幅曲線、距離曲線也不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)凌亂的現(xiàn)象。圖4-7中通過變形曲線和振幅曲線、距離曲線的對比，可以很容易地判斷此變形曲線即為邊坡的真實(shí)變形曲線。圖4-7 真實(shí)的邊坡變形曲線（3）速度曲線在確定邊坡存在加

12、速變形或者變形大小判斷不清的情況下，速度曲線就成為了很重要的判別手段。在圖4-8和圖4-9中，我們選擇了邊坡上同一點(diǎn)的變形曲線（紅色曲線）對應(yīng)的60分鐘速度曲線和240分鐘曲線，兩者的計(jì)算周期不同，所以出現(xiàn)的曲線形態(tài)就有所區(qū)別，但是60分鐘速度曲線比240分鐘速度曲線更敏感，不過240分鐘速度曲線可以更顯著地體現(xiàn)速度變化趨勢。由此，速度大小和速度的變化趨勢一目了然。圖4-8 60分鐘速度曲線圖4-9 240分鐘速度曲線（4）預(yù)測滑坡的時(shí)間當(dāng)邊坡處于臨滑狀態(tài)時(shí)，速度在不斷變大，最后導(dǎo)致滑坡。利用此原理，SSRViewer引進(jìn)了速度倒數(shù)曲線。其原理為：當(dāng)速度不斷增大時(shí)，速度倒數(shù)不斷減小，直至滑坡那

13、一刻變?yōu)榱恪?從圖4-10中可以看出，該曲線橫軸為時(shí)間，縱軸為速度倒數(shù)，通過速度倒數(shù)的變化趨勢可以畫出一條直線，該直線與Y=0直線的交點(diǎn)對應(yīng)的橫軸值，即為將要滑坡的時(shí)間。圖4-10 速度倒數(shù)曲線五、實(shí)際應(yīng)用邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測雷達(dá)現(xiàn)在已經(jīng)被各種大型露天礦所廣泛采用, 成為露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的最佳工具。目前, 世界上有 15 個國家在使用80多套這樣的裝備進(jìn)行露天礦邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測。這項(xiàng)技術(shù)之所以獲得如此廣泛的應(yīng)用, 是因?yàn)檫@套技術(shù)裝備對露天礦作業(yè)中邊坡穩(wěn)定性危害監(jiān)測管理進(jìn)行革命性的改造。很多露天礦發(fā)現(xiàn), 利用邊坡監(jiān)測雷達(dá)可以最大限度地減少露天礦邊坡塌方引起的災(zāi)害事故, 同時(shí), 還能在礦坑內(nèi)存在邊坡穩(wěn)定性隱患的區(qū)段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。在國內(nèi)