Инновации благодаря Сотрудничеству: Новейший Алгоритм Коррекции Изменений Атмосферных Условий для Наземных Радаров

GroundProbe’s Group Geotechnical Sales Specialist, Albert Cabrejo

GroundProbe’s Head of Research and Development, Pat Bellett

GroundProbe’s Co-Founder, Dr Glen Stickley

В течение прошедших 5 лет компания GroundProbe разрабатывала новый алгоритм коррекции изменений атмосферных условий, который затем проходил тестирование на множестве объектов по всему миру. Хотя мониторинг карьеров при помощи наземных радаров, созданных на основе интерферометрической технологии осуществляется уже более десяти лет, в переносе этой методики с небольших рудников на более крупные объекты существуют определённые проблемы, связанные со сложными атмосферными условиями.

Задачей нового алгоритма под названием Precision Atmospherics® (PA) стало преодоление некоторых ограничений, налагаемых существующими методами коррекции атмосферных помех, одновременно гарантируя такой же уровень надёжности, что и существующие на сегодня технологии. Новая техника позволяет оператору устанавливать более чёткие параметры для тревожных оповещений во время мониторинга в режиме реального времени, обеспечивая улучшенное управление рисками в условиях открытых горных работ, а также повышая общее качество получаемых данных.

Для инженеров-геотехников алгоритм является реальной возможностью настраивать оповещения, срабатывающие именно при сдвижении горных пород, а не калибровать их для соответствия местным атмосферным условиям с целью минимизировать количество ложных сигналов. Алгоритм улучшает способность радара отслеживать мелкие сдвижения в рамках небольших и крупных рудников, повышая эффективность долгосрочного анализа данных.

Техническая база

Метод Прикладной Интерферометрии

Радарная интерферометрия представляет собой метод дистанционного зондирования, применяемый в космической и наземной технике для мониторинга открытых горных разработок. Цель технологии — оценивать сдвижения на отслеживаемых объектах с субмиллиметровой точностью, например, сдвижения на бортах карьера и естественных склонах. Высокая точность требуется для обнаружения даже минимальных смещений, давая возможность обеспечить своевременное предупреждение перед обрушением откоса, а также произвести безопасную эвакуацию персонала и оборудования.

Метод интерферометрии основан на извлечении данных интерферометрической пары радарных сканов, при этом подразумевается, что одна и та же область сканируется с разнымуглом сдвига фаз. Если сдвижение целевого участка в промежутке между сканированиями не зафиксировано, угол не изменяется. Если между сканами произошло движение, возникнет разность фазового угла, которая будет выражена в виде смещения.

Рисунок 1: Упрощённое Представление Техники Интерферометрии

Получение Данных

Упрощённый вид всего процесса работы радара начиная с излучения радиолокационного сигнала и до конечного отображения смещения, показан на диаграмме ниже. Формирование правильных сигналов радара, формирование луча, фокусировка луча, хранение данных, их математическая обработка и интерферометрия — это процессы, как правило, находящиеся под полным контролем, и только управление атмосферными помехами остаётся критическим шагом, который необходимо учитывать в процессе сбора данных. Основное применение алгоритма PA происходит именно на этой последней стадии — получения характеристик и коррекции атмосферных условий, — который происходит прямо перед созданием финального изображения.

Рисунок 2: Упрощённое Изображение Получения Данных Радаром

Атмосферные Процессы и Техники Коррекции

Атмосфера не является статичной, и чем больше объём воздуха, задействованный в радарных измерениях, тем больше влияние изменчивости атмосферы на результат. Указанная изменчивость вызвана перепадами температуры, давления и влажности, которые могут повлиять на общую плотность водяного пара в воздухе. Эти показатели влияют на скорость прохождения сигнала и фазовый угол, описывающий смещение, который и измеряется радаром.

Было разработано несколько методов атмосферной коррекции, включая погодные станции (ПС), условные зоны устойчивостиусловные зоны устойчивости (SRA), динамические условные зоны устойчивостиусловные зоны устойчивости (DSRA) и непрерывная дисперсия (PS). Несмотря на то что у каждого метода есть свои достоинства, существенные ограничения этих методик привели к необходимости разработки нового алгоритма.

Новый Алгоритм Precision Atmospherics®

В течение почти пяти лет учёные компании GroundProbe изучали новые методы для решения проблем, возникавших при применении существующих методов атмосферной коррекции в сложных условиях. Результатом их работы стал новый алгоритм Precision Atmospherics®, который позволяет сохранить надёжность метода с применением SRA, и добиться решения проблем пространственных атмосферных помех. Кроме того, ключевым направлением разрабатываемого метода было не подавление смещений, особенно в областях, быстро движущихся в направлении обрушения, как это наблюдается в реальных примерах с применением технологией PS.

Анализ Примеров из Практики

Пример 1 – Слоистый Туман «Каманчака» в Чили

В данном случае описывается рудник в Чили, где наблюдается природное явление «каманчака» — быстро возникающий плотный туман, который закрывает, например, верхнюю половину карьера в течение нескольких часов подряд. На рисунке 3 показаны два графика смещения, один с использованием DSRA, а другой — c алгоритмом PA, при этом разница в уровне помех весьма значительна. На рисунке 4 показана разница между алгоритмами и идеальной линейной тенденцией. Предполагается, что идеальная линейная тенденция представляет собой реальное поведение борта карьера. В то время как смещение DSRA приводит к ошибкам до 10 мм, ошибка с применением алгоритма PA не превышает 2 мм.

Рисунок 3: Динамические Условные Зоны Устойчивости Против Алгоритма Precision Atmospherics®

Рисунок 4: Ошибки Динамических Условных зон Устойчивости и Алгоритма Precision Atmospherics® в Сравнении с Идеальной Линейной Тенденцией

Рассмотрев гистограмму на рис. 5 можно сделать вывод, что распределение шума с алгоритмом PA лучше и меньше — с центральным значением, равным нулю и узким размахом, по сравнению с DSRA, которая колеблется от −5 мм до 1,6 мм.

Рисунок 5: Гистограмма Ошибок

Пример 2 — Карьер Колауаси Значительная Высота, Экстремальные Атмосферные Условия и Метель («Вьенто Бланко»)

В течение последних трех лет Коллауаси и компания GroundProbe тесно сотрудничали в тестировании и совершенствовании алгоритма PA. Карьер Коллауаси находится на севере Чили на высоте более 4300 метров над уровнем моря и характеризуется очень сложными атмосферными условиями, в частности, метель или «вьенто бланко» (ветер со снежинками в воздухе). Рудник очень большой — его радиус свыше 2,8 км, а глубина 1 км. Отвалы находятся за пределами карьера и тянутся на большие расстояния. Здесь наблюдается значительное загрязнение атмосферы.

На рисунке 6 показана разница в показаниях по смещению на участке карьера, протекающему с очень незначительной скоростью. В то время как тенденцию с DSRA-скорректированным смещением (синий график) интерпретировать довольно сложно, на графике PA (оранжевый) отчётливо видно 2 мм смещений, накопленные за период мониторинга. На рисунке 7 показаны гистограммы помех по общему накопленному смещению, при этом DSRA показывает существенные ошибки по всей гистограмме, по сравнению со смещением алгоритма PA, ошибки которого имеют субмиллиметровую точность. Пространственные рамки этой области с медленным движением также отчётливо просматривались на снимках со смещением PA, в то время как на снимках со смещением DSRA разглядеть их было весьма проблематично.

Рисунок 6: Динамические Условные Зоны Устойчивости Против Алгоритма Precision Atmospherics® на Участках с Медленным Смещением

Рисунок 7: Гистограмма Медленного Смещения

Пример 3 — Суперкарьер

Алгоритм PA был также протестирован на территории очень большого карьера, где несколько производителей радаров не смогли обеспечить хорошее качество данных в «режиме фонового мониторинга обширного участка» в течение длительного периода времени. На рисунках 8 и 9 показан участок карьера в 1400 метрах от радара. На рисунке 9 с помощью алгоритма PA была обнаружена небольшая область деформации. На рисунке 8 эта же область показана с использованием коррекции DSRA, но насыщенность красного цвета, вызванная атмосферными помехами, не позволяет пользователю определить истинные показатели деформации, возникающей на откосе. В этом случае алгоритм PA позволил пользователю выявить проблемные области, которые не были бы обнаружены классическим методом DSRA.

Рисунок 8: Изображение Смещения с Динамическими Условными Зонами Устойчивости

Рисунок 9: Изображение Смещения с Алгоритмом Precision Atmospherics®

Значительный Прорыв для Радиолокационной Технологии при Мониторинге Разработок Открытым Способом

Алгоритм PA — это существенный прогресс для радарной технологии мониторинга открытых разработок, который демонстрирует улучшение показателей во многих условиях испытаний — на малых, средних и крупных карьерах, в засушливых условиях и дождливой среде, в периоды снегопадов и высокой концентрации пыли, а также на различной высоте над уровнем моря. Позволяя избавиться от ограничений существующих радиолокационных технологий, алгоритм PA улучшает качество данных, получаемых наземными радарами, давая пользователям возможность устанавливать более точные тревожные оповещения во время мониторинга в реальном времени, а также обеспечивает повышение уровня безопасности, производительности, улучшает коммуникацию и упрощает пользования оборудованием.

Читать далее

Эта статья представляет собой краткое изложение доклада «Управление рисками и тревожными оповещениями с использованием нового алгоритма компенсации изменений атмосферных условий для наземных радаров». Авторы — А. Кабрехо (A Cabrejo), П. Беллет (P. Bellett), Дж. Стикли (G. Stickley), Р. Сильва (R. Silva), Й. Гунарис (Y. Gunaris) и Х. Перез (J. Perez). Доклад был представлен 12 мая 2020 года на Международном симпозиуме 2020 International Symposium on Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering.