边坡稳定性监测雷达系统关键技术分析

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1、现代矿业总第573期M0DERNMINING2017年1月第1期边坡稳定性监测雷达系统关键技术分析术贺丹杨凤芸(辽宁科技大学土木工程学院)摘要分别对边坡雷达(S—SAR)系统涉及到的合成孔径技术、差分干涉测量技术、步进频率信号技术等3种关键技术进行了详细分析，并结合相应的公式推导，对各技术的功能进行了详细讨论，结果表明：①差分干涉测量技术可精确测量目标的位移变化情况，保证了边坡雷达的测量精度；②利用合成孔径技术增大天线孔径，有助于提高边坡雷达系统的方位分辨率；⑧步进频率信号技术可为雷达提供较高的距离分辨率，使得边坡雷达具备多目标识别的能

2、力。关键词边坡雷达系统合成孔径技术差分干涉测量技术步进频率信号技术边坡稳定性监测雷达作为一种高精度、智能化的新型雷达监测技术，能够对边坡失稳破坏发生滑坡的时间和范围进行及时、准确预测，对于减少塌方造成的损失与伤害，最大限度地保障矿区安全开采发挥了重大作用。目前，应用较广泛的边坡稳定性监测雷达系统主要有澳大利亚SSR系统、南非MSR系统、意大利IBIS—M系统以及我国S-SAR系统。本研究以S-SAR系统为例，对该系统涉及的合成孔径技术、差分干涉测量技术、步进频率信号技术等关键图1合成孔径雷达技术原理技术进行详细分析，并对各自在边坡监测雷

3、达系统测成像时，天线都处于相同的空间位置¨，因此空中发挥的作用进行探讨。问基线为0。雷达电磁波信号往返路径之差便为雷1合成孔径技术达视线方向上的目标距离变化值，具体表现为相位合成孔径技术是～种利用雷达与目标的相对运差。当雷达系统处于工作状态时，可按固定的重复动将尺寸较小的真实天线孑L径用数据处理的方法合频率发射、接收电磁波信号，且利用多个发射和接收成一较大的等效天线孔径的雷达技术。合成孔径未天线组成线性阵列天线，真实的天线依次占据一个锁定模式，其技术原理是将雷达波束均匀地传输至虚构线性阵列天线单元的位置(图2)J。该类单元地面一定范围内

4、，雷达在进行边坡监测时，其天线发天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位被叠加射能够覆盖所需监测范围的宽波束，利用电子开关，起来，便合成了一个等效合成孔径天线的接收信让接收机天线接收不同时刻的线阵天线各单元的回号。4。。波信号，利用微波开关，切换发射和接收天线实现合入射信号方向成孔径，同时将接收到的反射回的雷达电磁波经过／／⋯N／处理，利用合成孔径雷达目标成像方法，最终得到较高分辨率的目标图象(图1)。在边坡雷达数据获取过程中，因其天线运动的轨迹固定不变，在重复对某一区域进行边坡监图2N个阵元的线性阵列天线示意国家自然科学基金项目(编号：

5、41371437)。线性阵列天线辐射方向图可认为是单个阵元辐贺丹(199O一)，女，硕士研究生，114051辽宁省鞍山市铁东射方向与阵列因子的乘积。若忽略空间损失和阵元l71总第573期现代矿业2017年1月第1期方向图，那么线性阵列的输出值可表示为同时间获取的合成孔径雷达图像，利用差分干涉测Nr，，'一、=量技术进行处理，通过比较分析被测边坡在不同时∑Aexpl-I)dl，(1)一L、，～，刻的雷达波相位差，从而得到目标边坡的位移变化式中，为实际阵列的电压和；4为第n个阵元的信息，测量精度通常达到亚毫米级。该技术可通幅值；N为线性阵列

6、中阵元总数；为雷达波频率；d过连续两次向目标边坡发射电磁波，并接收经过反为阵元间距；A为电磁波波长。射回的回波信号，分别确定出目标物所在的位置及阵列的半功率点波瓣宽度的计算公式为其相位信息，从而获得相位变化信息(图3)。12=A／L。，(2)位蠹h——式中，Ln为实际阵列的总长度。／，、、、事实上，无需较多的实际天线，而仅利用一个小＼2，天线作为单个辐射单元，将各单元沿长线阵的轨迹进行等速移动，在运动轨迹的不同位置发射相参信图3相位差示意号，并在每个发射位置上接收相应位置反射回的回在实际应用中，求得的相位差△西并非真实的波信号且储存记录

7、，直至该小天线移动的直线长度相位差，仅为[一百，订]区间的主值，须经过相位解相当于阵列大天线的长度时为止。在此基础上，将缠处理方可得到真实的相位差△(k)。通过相位记录的所有回波信号进行合成处理，获得大孔径天差可求出在第k个监测单元内，雷达径向上的位移线数据，从而得到较高的方位分辨率。合成阵列的、变化值为△()=。△咖(k)。有效功率点波瓣宽度近似为相同长度的实际阵列的叶1T1／2，即：现阶段差分干涉测量技术已发展成为一项非常6=A／2L，(3)成熟的测量技术，主要利用雷达发射的电磁波与接式中，为雷达沿直线轨道方向能分辨的两个点目收的电

8、磁波产生的相位差进行测量，可对目标边坡标物之间的最小方位的弧度，即雷达方位分辨率；L的位移变化情况进行精确测量，且测量精度完全能为合成孔径的有效长度，即雷达滑行轨道的长度。够满足边坡、桥梁、建筑等行业的要求