摘要：随着我国经济的发展，矿产资源的需求日益增大，露天矿山边坡稳定问题日益突出。传统的边坡监测手段已经不能满足边坡监测要求，一种新型的边坡雷达监测系统在露天矿边坡监测中得到了广泛应用。边坡雷达监测系统通过对边坡的形变数据进行采集、分析、处理和显示，并在第一时间将其上传到地面监控中心。边坡雷达监测系统通过实时监测数据对边坡变形情况进行分析，及时预警，为露天矿边坡治理提供科学依据。

关键词：边坡雷达系统；露天矿；边坡监测；应用

目前，国内矿山边坡灾害治理与安全生产水平较低，边坡灾害治理存在着很多问题和困难，边坡灾害的防治已成为矿山安全生产中的一项重要工作。边坡雷达系统的出现为露天矿边坡监测提供了新的思路和方法，边坡雷达系统具有快速、实时、全天候等优点。随着露天矿边坡灾害治理与安全生产水平的不断提高，边坡雷达系统必将会在未来露天矿边坡治理中发挥越来越重要的作用。

1 边坡雷达监测系统在露天矿监测中的应用意义

随着我国国民经济的快速发展，国家对矿产资源的需求量逐年增加，但矿产资源分布不均匀，随着矿藏的不断开采，开采深度的不断加大，以及机械设备、运输车辆等重型设备的使用，使矿山边坡变形破坏日趋严重。在露天矿边坡监测中，边坡变形监测是一个重要的研究方向。目前，边坡变形监测技术主要有重力测量、水准测量、表面位移监测等方法。重力测量是一种以地球为参照物的测量方法，利用地球重力场变化进行高精度测量。但重力测量技术受自然条件影响大、成本高、效率低。水准测量是以水准仪为工具来实现边坡监测的一种方法。该方法具有成本低、效率高、精度高等优点，但该方法对外部环境要求较高。表面位移监测是以表面传感器为工具进行监测的一种方法，在露天矿边坡变形监测中应用较多。边坡雷达系统是近年来兴起的一种新型边坡监测技术。边坡雷达系统是利用空间电磁波反射原理，通过接收大地回波信号来探测地下岩土体表面和结构面的三维空间变化信息，通过对这些信息的采集、分析与处理，获取边坡表面及结构面三维空间分布及位移变化规律；利用相应的软件对边坡状态进行分析和处理，为露天矿边坡稳定性评价和安全管理提供科学依据。

2 边坡雷达监测系统工作原理和存在问题

2.1 工作原理

边坡雷达监测系统主要由边坡雷达监测主机、边坡雷达测站、边坡雷达测站仪、数据采集设备、数据存储设备和网络通讯设备等组成。边坡雷达监测主机是一种高频率的电磁波发射设备，通过发射电磁波信号对边坡进行扫描，将扫描的数据传输到数据采集站中。边坡雷达测站是边坡监测中的重要一环，通过对边坡进行实时扫描，采集边坡的位移和变形情况。数据采集站安装在边坡上，负责对边坡形变情况进行实时采集。边坡雷达测站是一个小型天线，可以安装在边坡上，将边坡雷达测站中采集到的信号传输到数据采集系统中。数据采集系统负责对边坡雷达测站采集到的信号进行处理，对其进行分析和处理。边坡形变情况通过监测主机、边坡雷达测站仪、数据采集设备和网络通讯设备等共同完成。边坡形变情况通过监测主机对边坡进行扫描，将扫描的结果实时传输到数据采集系统中。数据采集系统负责将测量的数据进行采集、存储和处理，将处理后的结果通过网络通讯设备传送到数据传输系统中。边坡雷达监测系统具有非常高的精度，能够在露天矿边坡中保持长期稳定运行。通过边坡形变情况可以对露天矿边坡进行预警，提前采取措施进行治理，避免出现严重的安全事故。

2.2 存在问题

边坡雷达系统作为一种新型的边坡监测设备已在全国多个露天矿得到广泛应用，但是边坡雷达系统也存在着一些问题需要解决：①雷达传感器在安装过程中会产生一定的误差；②当降雨或其它因素导致数据传输信号异常时会造成测量数据异常；③当传感器长期处于高强度工作状态下时会导致设备损坏；④当传感器与测点之间存在一定的距离时测量数据可能会受到影响；⑤仪器接收到干扰信号时可能会造成测量数据异常；⑥监测范围受地理条件限制较大；⑦需要定期对系统进行维护保养工作。未来边坡雷达系统的发展方向可分为两个方面：①为进一步提高边坡雷达系统的监测精度和稳定性，应将传感器安装于更加复杂的边坡表面；②应将传感器安装于更为复杂的边坡表面，从而提高其监测范围。

3 边坡雷达系统的功能组成

3.1 系统组成

边坡雷达监测系统由终端、终端软件和终端天线组成。边坡雷达监测系统采用非接触式测量，通过电磁波反射，可快速获取测量区域内的水平位移、垂直位移、倾斜位移、速度等信息。边坡雷达监测系统主要由设备组成，包括：①数据采集单元。利用差分GPS技术进行数据采集；②数据传输单元。无线通信模块，将雷达监测数据通过无线通信模块发送到地面监控中心；③数据处理单元。通过数据采集单元中的控制软件对雷达监测数据进行处理，包括测量值、累积频率、测量时间等；④数据显示单元。通过数据处理单元中的显示软件将边坡雷达监测数据进行实时显示。系统运行时，后台自动监控预警，当监测点位移超过设定的安全值时，系统自动报警；⑤终端天线。系统终端天线通过光缆连接至地面监控中心。终端天线主要用于监测设备之间的通讯距离和传输速率。当监测设备之间的距离超过设定的安全值时，终端天线向地面监控中心发送报警信息。边坡雷达监测系统使用时，应根据实际情况选择合适的测量方法和测量精度。

3.2 数据采集

①边坡雷达监测系统采用差分GPS技术，数据采集精度高、速度快、实时性好，可将测量结果实时传送至地面监控中心，为边坡工程安全管理提供可靠依据。②边坡雷达监测系统可利用差分GPS技术获得测量区域内的GPS卫星坐标，该坐标精度高，可满足边坡工程安全监测要求。③边坡雷达监测系统采用非接触测量，测量过程不会对测量对象造成破坏，不会造成监测点位的位移改变。④边坡雷达监测系统可随时进行数据采集，且采集的数据可以保存一年以上。边坡雷达监测系统在数据采集时，采用快速采集方式，即对监测点进行扫描采集数据，数据采集频率快。

3.3 数据传输

边坡雷达监测系统是一种无线传输方式，因此采用无线通信模块进行数据传输。边坡雷达监测系统采用GPRS通信方式，由无线通信模块将监测数据通过GPRS网络发送到地面监控中心，再通过GPRS网络将监测数据发送到手机，实现了实时、自动、无人值守的在线监测。通过GPRS网络，系统可实现远程数据传输、远程控制、远程告警，将用户需要掌握的信息发送给用户或相关人员。边坡雷达监测系统可以在不同地点设置多个监测点，通过GPRS网络将监测点的测量值、累计频率和时间等信息发送到监控中心。同时，边坡雷达监测系统还具有远程告警功能。当边坡雷达监测系统的传感器接收到相关报警信息后，终端天线会向地面监控中心发送预警信息，地面监控中心收到预警信息后会实时监控边坡的位移变化情况。边坡雷达监测系统具有良好的抗干扰能力，可以在复杂的环境中进行稳定的工作。另外，边坡雷达监测系统采用GPRS通信方式，通信费用低、传输速度快、稳定可靠。边坡雷达监测系统在边坡上安装了3个监测点，传输距离约为2千米。

3.4 数据处理

边坡雷达监测系统可实时传输雷达监测数据，但数据采集单元不能直接读取雷达监测数据，必须经过数据处理单元对雷达监测数据进行处理，最终由终端显示单元显示。①雷达监测数据处理软件包括数据采集、处理、计算、输出、报表等功能。在数据采集单元中，可对雷达监测数据进行快速测量和采集，也可以进行存储和计算，然后将结果输出到终端。在软件的运行过程中，根据需要对采集的雷达监测数据进行进一步处理，并生成各种报表。这些报表主要包括时间序列、平均速度、位移、位移变化速率、位移累计值等。②边坡雷达监测系统终端显示软件主要包括软件界面和动态图表两部分。在软件界面上，对雷达监测数据进行实时显示。并可以对每一时间段内的位移变化情况进行统计分析。③边坡雷达监测系统终端显示单元的输出参数主要包括雷达监测的时间序列、位移曲线、位移累计值、位移变化速率变化率、位移累计值等。④边坡雷达监测系统终端显示单元具有强大的数据查询和管理功能，可实现对所有设备的远程控制。同时，在终端上可以随时查看所有设备的状态和历史信息等。⑤边坡雷达监测系统终端软件支持无线远程控制，可实现远程控制终端的开关和切换、远程监控终端的参数设置等操作。此外，该软件还可以支持自动关机、自动休眠、自动唤醒等功能，方便用户对设备进行远程管理和维护。

4 边坡雷达系统在露天矿边坡监测中应用的注意事项

边坡雷达监测系统可实现边坡监测的自动化和智能化，其工作原理是以电磁波信号作为传感器的敏感载体，利用电磁波在介质中传播时与目标物体相互作用产生反射、折射等现象的原理，通过对物体内部的结构进行分析，确定出电磁波反射和折射的方向、速度和距离，从而对目标物体进行定位、探测和识别。边坡雷达系统通过天线发射电磁波，通过接收器接收反射信号，经数据采集卡处理后得到位移变化的信号。边坡监测系统通常采用有线方式进行数据传输。由于边坡表面岩石破碎或裂缝等原因，导致信号受到干扰而发生异常变化，因此在使用过程中应采取措施保证测量数据的准确性。在边坡监测系统中，由于传感器的安装和布置，往往是先根据设计要求在固定位置安装好，然后再将传感器插入边坡监测区域进行布置，因此传感器与测点的实际距离是固定的，一般在200m～500m之间。这样传感器与测点之间就存在一定的距离，当传感器感应到边坡发生位移时，就会将测量到的数据传输给后台软件系统，但是由于边坡地质条件复杂，当传感器感应到边坡发生位移时，传感器感应到的数据会受到干扰而发生异常。因此，为了保证传感器对边坡变形数据采集的准确性，在传感器与测点之间应预留一定的距离。在此建议边坡雷达系统采用多个雷达监测系统进行监测。

4.1 工作流程

边坡雷达监测系统采用超高频电磁波，在介质中传播时与目标物体相互作用产生反射、折射等现象的原理。边坡雷达监测系统根据传感器类型和测量范围可分为水平位移测量系统、变形监测系统、位移监控预警系统和位移监控预警中心。边坡雷达监测系统由多个传感器组成，通过多传感器构成的监测网络进行实时数据采集。通过网络传输数据至地面监控中心，根据收到的数据进行分析和处理，同时，也要根据实际情况提供预警信息。边坡雷达监测系统可实现对边坡表面位移、水平位移、垂直位移、倾斜角度、水平加速度和垂直加速度等指标，进行实时监测与分析。边坡雷达监测系统通过对边坡表面的雷达波进行采集，并将数据实时上传到地面监控中心。边坡雷达监测系统的工作流程如下：①采集边坡表面的雷达波。对边坡表面进行雷达扫描，获得表面反射回来的回波信号。②数据预处理。在数据采集过程中，边坡表面的雷达波信号通过电磁耦合传递给处理器，处理器对雷达回波信号进行数据预处理，去除干扰，提高信噪比。③数据存储。在数据预处理完成后，将采集到的数据通过以太网或其他通信方式上传至服务器。④数据分析。对边坡表面的雷达信号进行数据分析，得到边坡形变参数。

边坡雷达监测系统应用于露天矿边坡稳定性监测中，能够有效地监测边坡表面的形变情况。

4.2 主要功能

①实时监测。可对监测区域内的监测点进行24h不间断监测，实现区域内数据实时采集与传输；②预警功能。可以通过GPS实时监控监测点的位移情况，当监测点出现位移过大情况时，系统将自动向用户发送预警信息；③数据分析。根据用户设定的预警标准，当监测点出现异常时，系统将自动向用户发送预警信息；④数据分析。通过对监测点的位移进行分析，得知监测点的稳定性；⑤报表打印。将采集到的数据进行分析处理后，生成报表并打印出来。报表以通过网络平台或WEB端访问获取。⑥自动报警。如果监测点出现位移异常情况，系统将自动向用户发出报警信息；⑦数据管理。将监测数据进行存储并自动备份至云端。

4.3 精度要求

系统必须在满足国家相关规范要求的前提下，严格按照要求的测量精度和测量频率进行设计、制造和测试。对于边坡雷达系统，由于其工作原理与传统测斜仪不同，要求雷达天线的旋转扫描范围应在测斜仪的视场之外，且扫描频率与传统测斜仪相同，才能保证其在使用过程中达到较高的测量精度。另外，由于边坡雷达系统在露天矿边坡监测中主要用于监测边坡表面的位移情况，因此需要对其进行高频率、高精度的测量，因此要求所采用的雷达天线应具备极高的频率分辨率和极低的相位噪声。为满足此要求，系统天线应采用高质量、高功率、低噪声、低损耗材料加工而成。天线必须具备较高的功率输出能力，以保证雷达天线能够在恶劣环境下正常工作。

4.4 使用环境

①环境温度，-20℃～+50℃；②环境湿度，下80%RH；③电源要求：交流220V，50Hz，5A，建议配置交流供电的电源；④安装环境要求，无强电磁场干扰源（如手机、无线基站等）；⑤其他要求，安装环境要求：无强电磁场干扰源，无腐蚀性气体，无强烈振动，不受雨雪天气的影响；供电电源要求：交流220V，50Hz；⑥现场安装位置，在露天矿山边坡监测中一般要求离地表5m以上，因此需要选择空旷的地方进行安装，一般选择地势平坦、无遮挡的位置。当然也可以根据现场情况进行调整，但是要确保监测设备能够正常工作。天线，垂直极化天线。

5 结语

边坡雷达系统是一种新型的矿山边坡监测手段，系统由数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块三部分组成。边坡雷达监测系统采用全球导航卫星系统（GNSS）技术，具有高精度、高可靠性、全天候、可实时监测等优点，广泛应用于露天矿边坡的变形监测，通过对边坡表面的位移、沉降等变形量进行实时监测，实现对边坡表面的动态监测和长期预警，为露天矿边坡治理提供了科学依据。

（作者单位：青海黄河矿业有限责任公司）