Журнал "Глобус: геология и бизнес"

Решение проблемы учета атмосферной коррекции при применении интерферометрического радара CHCNAV для определения устойчивости бортов карьеров

Yangyang Li, руководитель разработки продукции для мониторинга CHCNAV 

Fengnian Song, менеджер по продукции для мониторинга CHCNAV

Алексей Медведев, управляющий директор ООО «ГЕОСУППОРТ»

Александр Брагин, директор по развитию АО «ПРИН»

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).

Рис. 1. Панорама карьера и место установки радара
Рис. 2. Тепловая карта деформации
Рис. 3. Карта амплитуды отраженного сигнала

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.

Рис. 4. Сдвижной стол с уголковым отражателем и микрометром
Рис. 5. Анализ результатов измерений
Рис. 6. График результатов измерений — отклонения фактически измеренного смещения от моделируемого

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).

Рис. 7. Пример зимней эксплуатации в Китае
Рис. 8. Пример зимней эксплуатации в России

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).

Рис. 9. MAS3.0 — последняя версия ПО георадара CHCNAV

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).

Рис. 10. Пример, где на участках, на которых не ведутся работы, деформация происходит в направлении, противоположном направлению деформации. Синяя линия: истинная деформация. Красная линия: ложная деформация

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).

Рис. 11. Пример алгоритма обработки данных с применением адаптивного итерационного алгоритма

Во-первых, точки PS (persistent scattarer — постоянные рас-сеятели) 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).

Рис. 12. Алгоритм коррекции атмосферных возмущений

С помощью вышеуказанного 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.

АО «ПРИН»

8 800 222-34-91

www.prin.ru

e-mail: info@prin.ru

Реклама: АО “Прин”, ИНН: 7712032661, ERID: 2SDnjd12f9s

Exit mobile version