Инновации Благодаря Сотрудничеству: Новая Атмосферная Поправка для Радара Устойчивости на Склоне

Пэт Беллетт, (Pat Bellett), руководитель отдела исследований и разработок компании GroundProbe

Доктор Глен Стикли, (Dr Glen Stickley), Доктор Глен Стикли (Glen Stickley), соучредитель компании GroundProbe

Благодаря алгоритму Precision Atmospherics® удалось добиться значительного прогресса в управлении атмосферными помехами, которые, как правило, возникают во время использования интерферометрического радара для слежения за устойчивостью откосов.

Атмосферные помехи могут сделать интерпретацию данных и настройку геотехнических оповещений не интуитивными и сложными для пользователя, особенно при попытке избежать нежелательных сигналов тревоги. По мере увеличения площади выработки устранить влияние атмосферных помех становится всё труднее.

В начале 2000-х первый радар GroundProbe работал в небольших карьерах или разрезах, где максимальная дальность радара, которая тогда составляла около 400 метров, была достаточной для мониторинга. Дальность сканирования новых радаров SSR-Omni может достигать впечатляющих 5,6 км. Улучшение существенное, однако вместе с тем, для более крупных карьеров атмосферные помехи постоянно усложняют сбор, интерпретацию и управление важными данными.

Поскольку наши радары могут сканировать быстрее, более обширные участки и на большем расстоянии, истинная изменчивость состояния атмосферы становится всё более очевидным. Совершенствование возможностей мониторинга значительно повышает многогранность и интенсивность атмосферных условий, наблюдаемых с помощью радаров для слежения за откосами.

Precision Atmospherics® демонстрирует многообещающие улучшения в контроле неизбежных атмосферных помех, связанных с использованием интерферометрического радара для мониторинга.

Атмосферные Явления

Метеорологические явления ведут себя по-разному, особенно на очень больших площадях и расстояниях. Существует высокая степень неизвестности и непредсказуемости даже в таких климатических условиях, как пустыня или в тропики, в которых погодные явления достаточно типичны.

Они обусловлены быстро меняющимся микроклиматом, образующимся в результате движения водяного пара под воздействием ветра. Изменения имеют пространственный характер: от пузырьков любого размера до очень тонких полос или горизонтальных слоёв — все они могут быстро изменяться или сохраняться в течение какого-то времени.

Упомянутая непредсказуемость делает проблематичной интерпретацию и настройку геотехнических тревожных оповещений при разработке радаров мониторинга устойчивости.

Отсутствие постоянства в состоянии атмосферы затрудняет сканирование в пределах пространственно варьирующихся атмосферных фронтов и нарушает показания условных зон устойчивости (УЗУУЗУ), которые обычно используется для фиксации, мониторинга и управления деформацией.

Большая дальность и широкие углы сканирования радаров позволяют определить степень изменения микроклимата атмосферы в открытых карьерах (разрезах) и вокруг них. В первую очередь, именно количество водяного пара в атмосфере определяет изменчивость траектории распространения сигнала радара: рефракционные или диэлектрические свойства воздуха изменяются в зависимости от содержания воды и подвержены воздействию температурных изменений, давления и влажности.

Радарная Технология

Радары с возможностью более быстрого сканирования, с расширенным охватом и большой дальностью действия выявляют истинную изменчивость атмосферы карьера.

Радар для Мониторинга Откосов

Все радары для мониторинга бортов используют одну и ту же базовую технику «фазовой интерферометрии», которая чувствительна к изменениям длины траектории двунаправленного распространения, возникающим вследствие воздействия атмосферы. Интерферометрия измеряет комбинацию деформации борта карьера и атмосферных эффектов с помощью поверочной линейки всего в половину длины волны. Если сдвижение изменяется более чем на плюс-минус четверть длины волны, оно считается неоднозначным. Следовательно, радары, работающие на более низкой частоте и с большей длиной волны, обладают преимуществом, поскольку допускают большие изменения до возникновения неопределённости. Эти неопределённости, вызванные атмосферными явлениями, требуют тщательного рассмотрения при интерпретации данных радиолокационного мониторинга бортов.

Проектные Параметры

Для достижения большей рабочей дальности и сохранения возможности изображения сдвижения бортов заданного размера с той же степенью детализации, основное требование заключается в том, что эффективная разрешающая способность изображения также должна быть повышена.

Существуют три основных конструктивных параметра, определяющих мощность пространственного разрешения радаров для мониторинга: для 2D-радаров — сочетание размера горизонтальной апертуры антенны и рабочей частоты определяет разрешение по азимуту или разрешение по дальности. А ширина полосы пропускания передаваемого сигнала определяет разрешение в пределах дальности.

Для 3D-радаров вторым измерением является угол места, а третьим — дальность. Разрешающая способность по углу места определяется размером вертикальной апертуры антенны и рабочей частотой. Проще говоря, это означает, что большая антенна, более высокая частота, или и то и другое, в сочетании с большей пропускной способностью, позволят получить более высокое разрешение или меньшие пиксели.

Площадь охвата луча антенны пропорционально изменяется с дальностью, поэтому на больших расстояниях требуется большее разрешение. Какое же разрешение требуется — это ещё один интересный вопрос, но он выходит за рамки данной работы.

Условная Зона Устойчивости (УЗУУЗУ)

Метод УЗУ был успешно использован для мониторинга критически важных для обеспечения безопасности ситуаций в реальном времени, ни одно обрушение не было упущено. Он определяется в течение дней, недель или месяцев, когда движущиеся участки достигают скорости, превышающей уровень помех.

Проблема коррекции атмосферных помех сохраняется — с учётом увеличения объёма атмосферы на более обширных участках и больших расстояний. На временные данные деформации для выбранной области пикселей могут накладываться высокоуровневые помехи или шумы, что может затруднить интерпретацию информации.

Атмосферные помехи могут сглаживать ранние низкоскоростные движения пластичных материалов. Для предотвращения ложных и частых срабатываний тревожных оповещений обычно устанавливаются высокие пороговые значения, а для обнаружения требуется высокий уровень понимания.

Новый алгоритм коррекции Precision Atmospherics® является значительным геотехническим усовершенствованием по сравнению с классическим методом опорного стабильного участка (УЗУ).

Precision Atmospherics®

Новый процесс Precision Atmospherics® позволяет устранить ограничения метода УЗУ за счет использования пространственно-временных процессов для классификации и соответствующей коррекции областей, а именно: небольшие быстрые обрушения хрупких пород, обширные медленно движущиеся обрушения пластичных пород, а также неподвижные области.

Сильные атмосферные помехи могут создавать интерферометрические фазовые неопределённости, портящие элементы необработанного изображения деформации, что также вводит нежелательные шаги во временные данные по деформации затронутых областей борта карьера.

Алгоритм Precision Atmospherics® пытается разрешить эти интенсивные события, чтобы сохранить непрерывность данных и сделать мониторинг более эффективным в течение длительных периодов времени.

Для минимизации риска, связанного с повышенной сложностью обработки данных радара, традиционные данные УЗУ также обрабатываются и отображаются для каждого пикселя при каждом сканировании и могут быть визуализированы вместе с деформацией Precision Atmospherics®. Таким образом, два метода обработки данных дополняют друг друга.

Тенденции во временных рядах пиксельной деформации, особенно те, которые демонстрируют прогрессирующее экспоненциальное поведение, с большей вероятностью будут выявлены раньше при использовании Precision Atmospherics®. Этот простой метод одновременного сравнения демонстрирует, что новый метод обработки также подавляет атмосферные помехи, позволяя добиться согласованного уровня по всему изображению.

С помощью алгоритма Precision Atmospherics® помехи, как правило, подавляются до ±1 мм в зависимости от сложности метеорологических условий. На графиках временных рядов пиксельных деформаций можно наблюдать примерно пятикратное улучшение коррекции атмосферных помех.

Устанавливать пороги срабатывания тревожных оповещений станет проще, а сама установка будет больше связана с геомеханикой, а не состоянием атмосферы.

На рисунке 1 показаны примеры улучшения атмосферной коррекции для 2D-радаров с реальной апертурой (SSR-FX) для трёх различных участков, движущихся с разной скоростью.

Рисунок 1 Графики временных рядов деформаций для трёх различных участков борта карьера, отсканированных 2D-радаром с реальной апертурой (SSR-FX), в которых сравнивается коррекция УЗУ (синий) с алгоритмом Precision Atmospherics® (красный). Примеры демонстрируют соответствие тенденции и подавление атмосферных помех с помощью Precision Atmospherics®. Сравнение временных рядов деформации (a) показаны пиксели, выделенные на неподвижной части борта карьера; (b) медленно движущаяся часть борта; (c) быстро движущаяся часть борта карьера.

Precision Atmospherics® значительно уменьшила необходимость в дополнительном повышении скорости сканирования. Системы SSR-FX и SSR-Omni в настоящее время собирают данные в интервале 20—40 секунд и повторяют сканирование каждые 1—2 минуты.