В процессе добычи полезных ископаемых открытым способом необходимо отслеживать смещения и деформации бортов карьеров в режиме реального времени, чтобы проанализировать устойчивость откоса и избежать потерь, вызванных потенциальным обрушением карьера. Наземный интерферометрический радар является одним из самых актуальных решений для всепогодного, круглосуточного, крупномасштабного, бесконтактного мониторинга в реальном времени при отслеживании малых деформаций бортов и обеспечении эффективного мониторинга откосов карьера. В процессе мониторинга на результаты работы радара часто влияют фактический рельеф и метеорологические условия района расположения карьера, что потенциально может значительно снизить стабильность и точность получаемых данных мониторинга.

Сложности при мониторинге состояния откосов, уступов и бортов карьеров
Принято считать, что модель атмосферы линейна и зависит только от расстояния, однако при реальных сценариях горных работ возникает ряд трудностей:

• микроклимат сложен — существуют пространственные вариации температуры и влажности;
• в районе ведения активных горных работ наблюдаются значительные флуктуации, что серьезно мешает линейному алгоритму коррекции атмосферных помех;
• необходимость в вычислениях в режиме реального времени и моментальном распознавании геотехнических угроз.

Исходя из вышеперечисленных проблем компания CHCNAV разработала запатентованный усовершенствованный алгоритм компенсации атмосферных помех для повышения надежности и точности данных радарного мониторинга в реальном времени.

При мониторинге откосов карьеров могут возникать следующие сложности:

1) Сложные геологические условия: горнодобывающая промышленность часто характеризуется сложными и неоднородными геологическими условиями, включая сложный рельеф и различные горные породы, поэтому необходим всесторонний анализ структурных геологических факторов, влияющих на устойчивость откосов.

2) Многочисленные факторы: на устойчивость откосов влияют различные факторы, такие как осадки, сейсмические условия и горные работы. Эти факторы взаимодействуют между собой, поэтому мониторинг откосов требует одновременного анализа нескольких переменных.

3) Широкий охват мониторинга: карьеры обычно занимают большие площади, откосы обладают значительной протяженностью, поэтому радар должен обладать достаточной функциональной гибкостью и возможностями охвата, чтобы обеспечить комплексный мониторинг устойчивости откосов на всей территории объекта.

4) Режим реального времени: динамичный характер горных работ требует от систем мониторинга возможности работы в реальном времени для оперативной фиксации любых признаков смещений откоса.

Методы и средства дистанционного зондирования земли
Таким образом, деформация поверхности служит основным предвестником неустойчивости откоса. Деформация поверхности дает первоначальную информацию об изменениях в стабильности откоса, помогая в раннем обнаружении потенциальных проблем. Наземный микроволновый интерферометрический метод дистанционного зондирования является приоритетным выбором для мониторинга деформации поверхности откосов и обладает следующими характеристиками:
1) Круглосуточная работа при любых погодных условиях.
2) Субмиллиметровая точность измерений.
3) Скорость обновления данных от 30 до 120 секунд.
4) Широкая зона сканирования на больших расстояниях и под большими углами.
5) Удобство транспортировки и развертывания.

Интерферометрический радар PS-SAR2000

PS-SAR2000 — это наземный радар, основанный на алгоритме дуговой синтезированной апертуры. При практическом применении PS-SAR2000 обладает следующими преимуществами:

1) Покрытие 360°: полный охват на больших расстояниях.
Круговое сканирование до 360°. На рисунках 1, 2, 3 можно увидеть практические результаты применения георадара CHCNAV в Китае, включая панорамное фото карьера с указанием позиции георадара, тепловую карту деформации и карту амплитуды (уровень отражения сигнала; чем сильнее отражение от борта, тем качественнее и надежнее данные).

2) Субмиллиметровая точность измерения смещения.
Для тестирования точности радара был проведен эксперимент, в котором применялся уголковый отражатель и микрометр с погрешностью определения перемещений 0,02 мм. Уголковый отражатель перемещался с шагом в 1 мм. Результаты эксперимента продемонстрировали, что погрешность измерения смещения составляет 0,1 мм на расстоянии в 1 км. Процесс сбора данных и информация о расчете точности отражены на рисунках 4, 5, 6.

3) Работа в любых климатических условиях

Радар несколько лет работает в Китае, в России появился в 2022 году (об этом можно прочитать в журнале «Глобус» № 1/2024, с. 86–90). Практика показала, что PS-SAR2000 выдерживает суровые погодные условия, включая интенсивное солнечное излучение, сильный ветер, проливной дождь, песчаные бури, сильный мороз и снегопад. Радар продолжает бесперебойно работать в любых перечисленных условиях (рис. 7, 8).

Программное обеспечение является мощным и простым в использовании. Оно поддерживает возможность подключения нескольких карьеров, откосов и учетных записей. Различные форматы ЦМР и спутниковых изображений могут быть импортированы в ПО, а новейшие алгоритмы сопоставления и рендеринга имеют высокую точность совмещения радарных изображений с ЦМР. Программное обеспечение может подключать иные датчики, например ГНСС-приемники, акселерометры и метеостанции. Также поддерживаются различные алгоритмы раннего предупреждения и оповещения (рис. 9).

В ходе разработки радара PS-SAR2000 нам удалось решить множество ключевых проблем.
Одна из них — обеспечение корректной работы алгоритма компенсации атмосферы в условиях интенсивной эксплуатации карьеров.

Обработка атмосферных параметров в открытых карьерах сталкивается с тремя основными проблемами.
Во-первых, рельеф открытых карьеров сложен и характеризуется временными и пространственными колебаниями температуры и влажности.
Во-вторых, большие рабочие зоны создают значительные помехи для алгоритмов коррекции атмосферных возмущений.
Наконец, алгоритмы коррекции атмосферных возмущений требуют работы в режиме реального времени.
Из-за отсутствия предварительной информации о районах ведения горных работ в алгоритме адаптивной компенсации атмосферы может произойти неправильный учет атмосферы, когда алгоритм интерпретирует помехи от работающей карьерной техники как помехи, вызванные атмосферными возмущениями. Это приводит к тому, что смещение в областях, не связанных с горными работами, проявляется в направлении, противоположном направлению смещения в области ведения работ (рис. 10).

Для решения этой практической задачи компания CHCNAV разработала запатентованный метод атмосферной компенсации. Принцип этого метода основан на «однокадровой и краткосрочной накопленной деформации» — распознавание и отсеивание рабочих зон достигается с помощью адаптивного итерационного алгоритма (рис. 11).

Во-первых, точки PS (persistent scattarer — постоянные рассеятели) извлекаются с помощью радиолокационных изображений комплексного рассеяния.
Во-вторых, на основе интерферограммы получают однокадровую диаграмму деформации точек PS и диаграмму деформации с накопленным смещением за короткий период.
В-третьих, итеративно определяется график скорости деформации кратковременного накопления для выделения области деформации.
Наконец, область деформации удаляется из набора точек PS, атмосфера оценивается и компенсируется снова, и получается окончательная карта деформации одного кадра для получения результата (рис. 12).

С помощью выше указанного метода устраняется не только ложное смещение, вызванное неправильным учетом атмосферы, но и уменьшается погрешность определения смещений в области деформации.
Технология мониторинга с помощью наземного радара с синтезированной апертурой как бесконтактная технология мониторинга широко используется для мониторинга откосов открытых карьеров.

Благодаря устранению влияния рельефа, микроклимата карьера и шума данные о деформации области мониторинга могут быть получены с меньшей погрешностью, позволяя предупреждать опасные явления на ранних этапах и выполнять прогнозирование процессов, обеспечивая безопасность ведения горных работ.