一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法，該方法通過獲取地基合成孔徑雷達對邊坡區(qū)域進行連續(xù)定點觀測的雷達數(shù)據(jù)，并對獲取的雷達數(shù)據(jù)進行成像處理、差分干涉處理、形變信息提取等操作，并進行邊坡滑移分析、預測和自動預警。該方法可以對大范圍邊坡區(qū)域進行全天時、全天候、遠距離、非接觸、高精度、定點連續(xù)監(jiān)測，并自動做出聲、光、電信號預警。
【專利說明】一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及邊坡滑移變形預測技術，尤其涉及一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡 安全監(jiān)測預警方法。
【背景技術】
[0002] 我國目前正處于大規(guī)模建設時期，在采礦、水利、交通和建筑等各個建設領域出現(xiàn) 了大量的邊坡工程，如礦山邊坡、大壩壩肩邊坡、水庫庫岸邊坡、鐵路和公路的道路邊坡等， 這些邊坡具有規(guī)模大、數(shù)量多、環(huán)境和地質(zhì)條件復雜的特點。僅在采礦領域，我國有露天礦 山約7萬座，尾礦庫1. 2萬座，排土場10萬座，數(shù)量十分龐大。而隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展， 國家對能源及動力的不斷需求，在采礦工程活動中開挖和堆填的邊坡數(shù)量會越來越多，高 度將越來越大。由于我國地質(zhì)條件復雜，采礦業(yè)技術裝備落后，再加上設計施工方法不當， 連年發(fā)生多起露天礦邊坡滑坡、尾礦庫潰壩、排土場泥石流等災害，造成重大人員傷亡和財 產(chǎn)損失。
[0003] 為了發(fā)現(xiàn)邊坡隱患，消除危害，有效而經(jīng)濟地采取整治措施，因此必須對各種邊坡 進行監(jiān)測。對邊坡變形進行監(jiān)測，是科學管理邊坡和正確處理潛在問題的依據(jù)，邊坡監(jiān)測可 以提供可靠的監(jiān)測資料以識別不穩(wěn)定邊坡的變形和潛在破壞的機制及其影響范圍，以制定 防災、減災措施。邊坡變形監(jiān)測具有可觀的經(jīng)濟效益和重要的社會效益。
[0004] 邊坡監(jiān)測的主要內(nèi)容依據(jù)所需的監(jiān)測參數(shù)可以分為四大類，即地表變形監(jiān)測、物 理與化學場監(jiān)測、地下水監(jiān)測和誘發(fā)因素監(jiān)測。
[0005] 其中，地表變形的監(jiān)測方法主要有以下幾種：大地測量法（經(jīng)煒儀、水準儀、測距 儀、全站儀等）；近景攝影法（陸攝經(jīng)煒儀等）；GPS法（GPS接收機）；測縫法（游標卡尺、 測縫儀、位移計等）；
[0006] 而我國主要采用人工水準測量的方式對邊坡進行安全監(jiān)測，這種方法測量用時 長、精度低，對于危險邊坡區(qū)域無法監(jiān)測；極少礦山采用全站儀、GPS等技術對人為選定的 離散點進行接觸式測量的方法對邊坡進行安全監(jiān)測，這種方法無法全面、快速反映被監(jiān)測 目標的整體位移，對大范圍邊坡區(qū)域無法做到實時準確監(jiān)測預警。目前，已有部分地基合成 孔徑雷達能夠?qū)崿F(xiàn)對觀測區(qū)域的高精度地形微變信息獲取，但由于尚未被監(jiān)測邊坡區(qū)域的 形變速度與加速度估計值，以及監(jiān)測判決準則和預測模型，無法實現(xiàn)對邊坡變化或微變區(qū) 域的預警?？傮w而言，我國的邊坡安全監(jiān)測手段有限，迫切需要發(fā)展新的高精度監(jiān)測技術， 滿足目前國家安全生產(chǎn)形勢對邊坡安全監(jiān)測的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法，可以 對大范圍邊坡區(qū)域進行全天時、全天候、遠距離、非接觸、高精度、定點連續(xù)監(jiān)測，并自動做 出聲、光、電信號預警。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0009] 一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法，該方法包括：
[0010] 獲取地基合成孔徑雷達周期性發(fā)送的被監(jiān)測邊坡區(qū)域的原始雷達數(shù)據(jù)，其中，初 次發(fā)送的原始雷達數(shù)據(jù)記為Stl，第n個觀測周期發(fā)送的原始雷達數(shù)據(jù)記為Sn;
[0011] 對原始雷達數(shù)據(jù)^與s"分別進行二維成像處理，獲得復數(shù)雷達圖像，分別記為 區(qū)(1(叉，7)與811(叉，7)，以8(^，7)為主圖像，8 11(叉，7)為副圖像，依次進行圖像配準、干涉圖生 成、相位解纏、大氣相位校正和形變圖轉換，得到反映被監(jiān)測邊坡區(qū)域在第n個觀測周期相 對于初次觀測時刻的形變圖dn (x，y);
[0012] 對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(x，y，z)，并根據(jù)之前觀 測周期的三維形變數(shù)據(jù)T1 (x，y，z)，...，Tlri (x，y，z)更新被監(jiān)測邊坡區(qū)域的形變速度與加 速度估計值，再通過預先設定的判決準則和預測模型，對可能出現(xiàn)的邊坡隱患的位置、時間 和變化趨勢進行聲、光、電信號預警。
[0013] 進一步的，所述以gjx，y)為主圖像，gn(x,y)為副圖像，依次進行配準、干涉圖生 成、相位解纏、大氣相位校正和形變圖轉換，得到反映被監(jiān)測邊坡區(qū)域在第n個觀測周期相 對于初次觀測時刻的形變圖dn(x，y)包括：
[0014] 以gQ(x，y)為主圖像，gn(x，y)為副圖像，進行圖像配準，獲得配準后的圖像對；
[0015] 將該圖像對中的主副圖像共軛相乘后取相位值，得到包含差分相位的干涉圖 In (x.y)；
[0016] 對該干涉圖In(x，y)依次進行干涉相位解纏和大氣相位校正，以去除干涉圖中的 相位模糊和電磁波傳輸介質(zhì)引入的相位擾動，得到干涉相位圖;
[0017] 根據(jù)干涉相位與形變位移d的關系，將干涉相位圖少)轉化為形 變位移圖dn (X，y);其中J= 乂/4兀.(X, >，）。
[0018] 進一步的，所述對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(x，y，z)， 并根據(jù)之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù)T1 (x，y，z)，...，Tlri (x，y，z)更新被監(jiān)測邊坡區(qū)域的 形變速度與加速度估計值，再通過預先設定的判決準則和預測模型，對可能出現(xiàn)的邊坡隱 患的位置、時間和變化趨勢進行聲、光、電信號預警包括：
[0019] 將三維形變數(shù)據(jù)Tn (x，y，z)與之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù) I\(x，y,z), . . .，Ux,y,z)結合，估計并更新邊坡區(qū)域的形變速度v(x,y,z)、加速度值 a(x,y,z)；
[0020] 對三維形變數(shù)據(jù)、形變速度、加速度值以預先設定的風險評估準則f進行綜合 評價，得到風險評估因子f(Tn，V，a)，與預先設定的閾值C進行比較，當風險評估因子 f(Tn，v，a) > (：時，判為存在隱患，對可能出現(xiàn)邊坡隱患的位置、時間和變化趨勢進行聲、光、 電信號預警。
[0021] 進一步的，所述二維成像處理包括：
[0022] 利用距離多普勒算法、Chirp-Scaling算法或距離徙動算法對原始雷達數(shù)據(jù)進行 二維成像處理。
[0023] 進一步的，所述圖像配準包括：利用相關系數(shù)法或相干系數(shù)法進行圖像配準。
[0024] 進一步的，所述對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(x，y，z) 包括：
[0025] 將形變圖dn(x，y)重采樣到輔助地形測量設備獲取到的三維地形數(shù)據(jù)上，或 者被監(jiān)測邊坡區(qū)域的歷史三維地形數(shù)據(jù)上，從而得到被監(jiān)測邊坡區(qū)域的三維形變數(shù)據(jù) Tn(x，y，z) 〇
[0026] 由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，地基合成孔徑雷達進行一次數(shù)據(jù)采集僅 需幾秒到幾分鐘，因此基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警觀測周期相對于傳統(tǒng)監(jiān) 測技術很短，可以實現(xiàn)對形變區(qū)域的定點連續(xù)監(jiān)測；同時，地基合成孔徑雷達可以獲得很高 的空間分辨率和測量精度，實現(xiàn)對目標區(qū)域的高分辨率成像，基于地基合成孔徑雷達的邊 坡安全監(jiān)測預警的測量精度也優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測技術，可達亞毫米級；另外，基于地基合成孔徑 雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法采用非接觸的測量方式，可以在特定距離內(nèi)獲取被監(jiān)測危險 區(qū)域的大面積形變數(shù)據(jù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0028] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方 法的流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方 法的示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒?發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0031] 實施例
[0032] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方 法的流程圖，如圖1所示，該方法主要包括：
[0033] 步驟11、獲取地基合成孔徑雷達周期性發(fā)送的被監(jiān)測邊坡區(qū)域的原始雷達數(shù)據(jù)， 其中，初次發(fā)送的原始雷達數(shù)據(jù)記為S(l，第n個觀測周期發(fā)送的原始雷達數(shù)據(jù)記為Sn，其中， n表示觀測周期，且n多1。
[0034] 本發(fā)明實施例中，地基合成孔徑雷達靜止放置，其發(fā)射/接收天線波束照射被監(jiān) 測邊坡區(qū)域，在某時刻接收遠程監(jiān)控中心的控制參數(shù)和啟動指令，進行一次雷達數(shù)據(jù)采集， 初次采集的原始數(shù)據(jù)記為Stl，并上傳至遠程監(jiān)控中心。
[0035] 地基合成孔徑雷達以觀測周期AT重復上述采集過程，即每經(jīng)過時間AT的間 隔，地基合成孔徑雷達就在遠程監(jiān)控中心的控制下進行一次雷達數(shù)據(jù)采集，并將采集得到 的數(shù)據(jù)Sn上傳至遠程控制中心，直到遠程監(jiān)控中心發(fā)出終止數(shù)據(jù)采集指令，其中Sn表示第 n個觀測周期后采集的數(shù)據(jù)。
[0036] 步驟12、對原始雷達數(shù)據(jù)Stl與s "分別進行二維成像處理，獲得復數(shù)雷達圖像，分 別記為gci (X，y)與gn(x, y)，其中，X和y分別表示觀測目標相對地基合成孔徑雷達的橫向和 縱向距離，以gj^y)為主圖像，gn(x，y)為副圖像，依次進行圖像配準、干涉圖生成、相位解 纏、大氣相位校正和形變圖轉換，得到反映被監(jiān)測邊坡區(qū)域在第n個觀測周期相對于初次 觀測時刻的形變圖d n(x，y)。
[0037] 本發(fā)明實施例中，可以利用距離多普勒算法、Chirp-Scaling算法或距離徙動算法 對原始雷達數(shù)據(jù)進行二維成像處理，獲得復數(shù)雷達圖像，具體數(shù)據(jù)處理方法可以參考文獻 洪文，胡東輝等譯，《合成孔徑雷達成像一一算法與實現(xiàn)》，電子工業(yè)出版社，2007年10月， 北京。
[0038] 具體來說，其處理流程如下：
[0039] 1)以gQ(x，y)為主圖像，gn(x，y)為副圖像，進行圖像配準，獲得配準后的圖像對； 其中，可以利用相關系數(shù)法或相干系數(shù)法進行圖像配準。
[0040] 2)將該圖像對中的主副圖像共軛相乘后取相位值，得到包含差分相位的干涉圖 In(x，y) 〇
[0041] 3)對該干涉圖In(x，y)依次進行干涉相位解纏和大氣相位校正，以去除干涉圖中 的相位模糊和電磁波傳輸介質(zhì)引入的相位擾動，得到干涉相位圖.
[0042] 4)根據(jù)干涉相位圖之(X，與形變位移d的關系，將干涉相位圖(A% 轉化為 形變位移圖dn(x, y)其中，￠/,, (X,_V) = (X,_V) , A表示地基合成孔徑雷達的工作 波長。
[0043] 步驟13、對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(x，y，z)，其 中，z表示觀測目標相對地基合成孔徑雷達的高程，并根據(jù)之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù) T 1 (X，y, z)，...，Tlri (X，y, z)更新被監(jiān)測邊坡區(qū)域的形變速度與加速度估計值，再通過預先 設定的判決準則和預測模型，對可能出現(xiàn)的邊坡隱患的位置、時間和變化趨勢進行聲、光、 電信號預警。
[0044] 具體來說，將三維形變數(shù)據(jù)Tn(x，y，z)與之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù) I\(x，y, z), . . .，Ux, y, z)結合，估計并更新邊坡區(qū)域的形變速度v(x, y, z)、加速度值 a(x, y, z)；
[0045] 對三維形變數(shù)據(jù)、形變速度、加速度值以預先設定的風險評估準則f?進行綜合評 價，得到風險評估因子f (Tn，V，a)，
【權利要求】
1. 一種基于地基合成孔徑雷達的邊坡安全監(jiān)測預警方法，其特征在于，該方法包括： 獲取地基合成孔徑雷達周期性發(fā)送的被監(jiān)測邊坡區(qū)域的原始雷達數(shù)據(jù)，其中，初次發(fā) 送的原始雷達數(shù)據(jù)記為Stl，第η個觀測周期發(fā)送的原始雷達數(shù)據(jù)記為Sn; 對原始雷達數(shù)據(jù)％與s "分別進行二維成像處理，獲得復數(shù)雷達圖像，分別記為g C1 (X，y) 與gn(x，y)，以gci(x，y)為主圖像，gn(x，y)為副圖像，依次進行圖像配準、干涉圖生成、相位 解纏、大氣相位校正和形變圖轉換，得到反映被監(jiān)測邊坡區(qū)域在第η個觀測周期相對于初 次觀測時刻的形變圖d n(x，y); 對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(X，y，z)，并根據(jù)之前觀測周 期的三維形變數(shù)據(jù)T1 (X，y, z)，…，Tlri (X，y, z)更新被監(jiān)測邊坡區(qū)域的形變速度與加速度估 計值，再通過預先設定的判決準則和預測模型，對可能出現(xiàn)的邊坡隱患的位置、時間和變化 趨勢進行聲、光、電信號預警。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述以g C1U, y)為主圖像，gn(x，y)為副圖 像，依次進行配準、干涉圖生成、相位解纏、大氣相位校正和形變圖轉換，得到反映被監(jiān)測邊 坡區(qū)域在第η個觀測周期相對于初次觀測時刻的形變圖d n(x，y)包括： 以g〇(x，y)為主圖像，gn(x，y)為副圖像，進行圖像配準，獲得配準后的圖像對； 將該圖像對中的主副圖像共軛相乘后取相位值，得到包含差分相位的干涉圖In(X，y); 對該干涉圖In(X，y)依次進行干涉相位解纏和大氣相位校正，以去除干涉圖中的相位 模糊和電磁波傳輸介質(zhì)引入的相位擾動，得到干涉相位圖(X, ; 根據(jù)干涉相位圖I與形變位移d的關系，將干涉相位圖I轉化為形變位 移圖 dn (X，y);其中，?/ = (Λ% c
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對該形變圖d n(x，y)進行地理編 碼，得到三維形變數(shù)據(jù)Tn(X，y，z)，并根據(jù)之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù)T 1Oc, y，z)，… ，Tlri (X，y, z)更新被監(jiān)測邊坡區(qū)域的形變速度與加速度估計值，再通過預先設定的判決準 則和預測模型，對可能出現(xiàn)的邊坡隱患的位置、時間和變化趨勢進行聲、光、電信號預警包 括： 將三維形變數(shù)據(jù)Tn (X，y，z)與之前觀測周期的三維形變數(shù)據(jù)T1 (X，y，z)，… ，Tlri (X，y, z)結合，估計并更新邊坡區(qū)域的形變速度V (X，y, z)、加速度值a (X，y, z); 對三維形變數(shù)據(jù)、形變速度、加速度值以預先設定的風險評估準則f進行綜合評價，得 到風險評估因子f (Tn，v，a)，與預先設定的閾值C進行比較，當風險評估因子f (Tn，v，a) > C 時，判為存在隱患，對可能出現(xiàn)邊坡隱患的位置、時間和變化趨勢進行聲、光、電信號預警。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述二維成像處理包括： 利用距離多普勒算法、Chirp-Scaling算法或距離徙動算法對原始雷達數(shù)據(jù)進行二維 成像處理。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述圖像配準包括： 利用相關系數(shù)法或相干系數(shù)法進行圖像配準。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述對該形變圖dn(x，y)進行地理編碼， 得到三維形變數(shù)據(jù)T n (X，y，z)包括： 將形變圖dn(x，y)重采樣到輔助地形測量設備獲取到的三維地形數(shù)據(jù)上，或者被監(jiān)測 邊坡區(qū)域的歷史三維地形數(shù)據(jù)上，從而得到被監(jiān)測邊坡區(qū)域的三維形變數(shù)據(jù)Tn(X，y，z)。
【文檔編號】G01S13/90GK104515988SQ201410784028
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】王彥平, 王云海, 馬海濤, 譚維賢, 張興凱, 洪文, 于正興, 楊曉琳, 岳康, 謝旭陽, 梅國棟 申請人:中國安全生產(chǎn)科學研究院