一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统的制作方法

本发明属于矿区检测技术领域，具体的说是一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统。

背景技术：

随着时代的发展，人们的生活水平不断地提高，人们对于资源的需求越来越高，矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时，也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害，矿体被采出后，采空区周围岩体的自然应力状态受到破坏，岩层和地表产生移动、变形和破坏，这种现象称为矿山开采沉陷，矿山开采沉陷学是研究开采沉陷及相关工程问题的一门学科，是整个采矿学科中不可缺少的重要分支。

现有的矿区开采沉陷监测需要使用大量的仪器，使用非常的不便，且人工监测时经常存在安全隐患，安全性较差，使用局限性较大，同时在矿区发生沉陷时，监测的仪器会遭到损坏，例如，矿区沉陷时洒落的泥土会将监测仪器掩埋或者直接与监测仪器发生碰撞，或者沉陷区内的积水会使监测仪器内部的电路损坏，且矿区发生沉陷时，不可以能采用人工修理的方法去修理这些损坏的仪器，从而造成损坏后的监测仪器无法对沉陷后的矿区进行实时监测，特别是对于低潜水位的平原矿区，由于矿区开采沉陷使地势变低以及潜水位被抬高，使平原矿区沉陷区在雨季产生积水，积水导致监测仪器的精度受到影响，无法准确的监测积水下矿区实际的沉陷情况，这是目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，以解决现有技术中监测仪器使用不便、局限性大以及矿区沉陷后监测仪器破坏无法继续实时监测的问题，本发明提出了一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统，包括卫星、合成孔径雷达、卫星接收器、电脑终端和布置在地面的采集单元；所述合成孔径雷达安装在卫星上，卫星接收器与卫星无线连接，卫星接收器与电脑终端电连接，卫星接收器接收卫星传输的数据后由电脑终端进行分析，并合成矿区地面的沉陷状态折线图；所述采集单元用于对矿区沉陷区的沉陷状况进行实时采集，并将采集的信息反馈至合成孔径雷达；所述采集单元包括安装座、固定装置和升降装置；所述安装座位于升降装置的顶部，采集单元通过固定装置固定在沉陷区的上方，安装座的顶部安装有壳体，壳体内的底部安装有e810海拔高度传感器，且e810海拔高度传感器的顶部安装有隔板；所述隔板的顶部安装有gps定位装置；所述壳体的顶部安装有电池壳，且电池壳的内部安装有蓄电池；所述电池壳的顶部安装有电池盖，所述蓄电池的输出端通过导线与gps定位装置以及e810海拔高度传感器连接；所述采集单元与矿区地面之间布置有承接单元，固定装置从承接单元内穿过后插入矿区地面，承接单元用于保证极端情况下采集单元仍能正常工作；本发明通过设计采集单元和承接单元，采集单元可对矿区沉陷状况进行实时监测，并将实时监测的数据传输给合成孔径雷达，并最终由电脑终端合成矿区的沉陷状态折线图，有助于工作人员了解矿区地面的实时情况，提高了矿工工作时的安全性，而承接单元可以保证采集单元在极端状态下仍能正常工作，保证了采集单元工作的长久性。

优选的，所述承接单元包括承接网，承接网布满整个矿区地面，承接网包括一号弹性条和若干个承接组，一号弹性条和弹簧组成矩形框体，承接组位于一号弹性条和弹簧组成的矩形框体内，且位于边缘处的承接组与一号弹性条和弹簧组成的矩形框体固接，承接组包括倾斜对称设置的二号弹性条，相邻的承接组之间设有应急圈，应急圈通过弹簧与承接组连接，二号弹性条上设有通孔，固定装置从通孔内穿过后与插入矿区地面内，若干个承接组和应急圈组成的形状为针织状，承接组、应急圈和一号弹性条和弹簧组成的矩形框体用于承接矿区塌陷时洒落的泥土、砂石；本发明设计的承接网，在矿区出现沉陷后，承接网仍可以紧贴沉陷地面的表面，同时将矿区沉陷时洒落的泥土和砂石进行承接，使采集单元可以正常工作，对沉陷区进行实时监测，且承接单元有利于采集单元可以更好的发现沉陷区的深度，并及时反馈给合成孔径雷达，最终由电脑终端合成沉陷区的沉陷状态折线图。

优选的，所述应急圈由四块大小相同的磁铁组成，磁铁之间相互吸引，四块大小相同的磁铁之间通过导电弹簧连接，导电弹簧与蓄电池连接，磁铁内设有gps定位装置、e810海拔高度传感器和应急开关，应急开关在采集单元中的gps定位装置和e810海拔高度传感器损坏时打开，使得磁铁中的gps定位装置和e810海拔高度传感器工作；本发明设计的应急圈，在矿区沉陷时由于承接网变形而被拉开，拉开时应急圈中的gps定位装置和e810海拔高度传感器可以通电工作，可防止在矿区沉陷后，采集单元内的gps定位装置和e810海拔高度传感器损坏或者被深埋后，无法为合成孔径雷达提供矿区沉陷区的实时信息。

优选的，所述固定装置位于升降装置的下方，固定装置包括固定盘，固定盘底部的中央位置处安装有固定桩，且固定桩的底部安装有固定锥，所述固定盘底部的边缘处安装有四组安装螺杆，且安装螺杆位置处固定盘的顶部贯穿安装有六角螺栓；本发明设计的固定装置，结构简单，拆装方便，且提高了采集单元工作时的稳定性。

优选的，所述升降装置包括气缸，气缸由缸体和t型活塞杆组成，缸体固接于固定盘的中部，t型活塞杆位于缸体外的部分与支撑座固接，缸体与t型活塞杆之间螺旋传动，t型活塞杆上升的同时壳体转动；本发明通过使用升降装置，使得gps定位装置和e810海拔高度传感器的位置可以随时进行调节，防止矿区沉陷区内积水底部的淤泥过多影响采集单元的正常工作，且提高了采集单元使用的灵活性。

优选的，所述缸体的顶部增设有滑槽，滑槽上设有滑块，滑块远离滑槽的一端固接有刮板，刮板远离滑块的一端与壳体靠近，刮板靠近壳体的一端设有刷毛，刮板与支撑座的下方直接设有柔性条，柔性条与支撑座转动连接，柔性条与刮板固接；所述t型活塞杆旋转上升时在柔性条绷紧，使得滑块向t型活塞杆处靠近，滑块向t型活塞杆处靠近时刷毛与壳体接触将壳体上的淤泥刮除；本发明通过利用升降装置工作时产生的动力，可带动刮板工作，刮板工作时可将壳体上的淤泥刮除，保证了gps定位装置和e810海拔高度传感器使用的精度。

优选的，所述合成孔径雷达工作的步骤包括insar影像的选取、格式转换、影像的配准、预滤波，从而得到监测地区的沉陷状态折线图；配准过程为，经过轨道粗配准，像元级、亚像元级精配准，解算副影像相对于主影像的偏移量，并进行多项式拟合，根据多项式拟合系数完成对副影像的重采样；干涉过程为，将主影像和重采样后的副影像对应像元共轭相乘，得到沉陷状态折线图，解算形变相位包括借助精密轨道数据、外部dem，消除干涉相位中的平地效、应、轨道误差、地形相位，对剩余相位进行滤波后，得到只包含有地表形变信息的相位值；干涉影像中包含以下相位信息：

φ＝φmpo+φdtf+φatmo+φflat+φmkn

式中，φmpo为地形相位；φdtf是卫星视线方向的地表形变相位；φatmo是由大气延迟等产生的相位；φflat是由参考平面引起的相位；φmkn是由噪声引起的相位；

平地相位计算公式：

其中，λ为雷达波长，b为空间基线，θ0为雷达入射角，α为空间基线与水平方向的夹角；地形相位计算公式：

其中,b⊥为垂直基线；δθυ为地面点高程造成的雷达视线的视角差，由以上计算公式计算即可得到矿区沉陷时的沉陷状态折线图，而当雨季或者矿区发生塌陷时，合成孔径雷达因自然因素无法精确获取矿区沉陷状态时，由于本系统设计有承接单元，当雨季或者矿区发生沉陷时，承接单元中的应急圈打开，应急圈中的gps定位装置和e810海拔高度传感器可以通电工作，这样在雨季或者矿区沉陷时，合成孔径雷达仍能准确获取矿区沉陷区的实时信息。

该系统在使用时，首先在整个矿区地面铺设一层承接网，将固定锥和固定桩穿过二号弹性条上的通孔后，插入矿区表面内，在矿区未发生沉陷时，采集单元可对矿区沉陷状况进行实时监测，通过蓄电池为gps定位装置和e810海拔高度传感器进行供电，gps定位装置对采集单元的位置进行准确的定位，并通过e810海拔高度传感器对监测区域的高度进行精确的检测，gps定位装置和e810海拔高度传感器将监测的信息反馈至合成孔径雷达，最终由电脑终端合成矿区每一时段的矿区沉陷状态折线图，通过矿区沉陷状态折线图可分析出矿区地面的承受能力，使得工作人员可对矿区地面的承受能力进行实时掌握。

当矿区地面发生沉陷时，承接组、应急圈和一号弹性条和弹簧组成的矩形框体可以承接矿区沉陷时洒落的泥土、砂石，且因为若干个承接组和应急圈组成的形状为针织状，可以对沉陷时洒落的绝大部分泥土和砂石进行承接，同时因为承接网整体具有韧性，使得承接网在矿区地面沉陷时仍可以紧贴沉陷的地面，保证采集单元可以正常工作；在矿区沉陷时，承接网因与沉陷地面紧贴的原因使应急圈打开，应急圈打开后，紧急开关打开使得磁铁内的gps定位装置和e810海拔高度传感器工作，对沉陷区进行实时监测，这样在矿区地面沉陷时，采集单元中的gps定位装置和e810海拔高度传感器因受到砂石、泥土的碰撞损坏无法工作时，磁铁内的gps定位装置和e810海拔高度传感器可以代替采集单元内的gps定位装置和e810海拔高度传感器，使得对矿区沉陷区的实时监测可以正常进行；若采集单元位于积水内，积水底部的淤泥会将gps定位装置和e810海拔高度传感器掩埋，影响gps定位装置和e810海拔高度传感器在积水中工作的精度，从而影响gps定位装置和e810海拔高度传感器和合成孔径雷达之间的信号传输，可以启动气缸，气缸工作时t型活塞杆上升，使得采集单元内的gps定位装置和e810海拔高度传感器可以从淤泥内伸出，伸出的gps定位装置和e810海拔高度传感器位于积水中，这样即使矿区沉陷区内存在积水，但采集单元仍然能够测定积水下矿区的沉陷情况，然后通过电脑终端合成沉陷状态折线图，通过观察沉陷状态折线图就能得出积水下矿区实际的沉陷情况；因气缸的缸体与t型活塞杆之间螺旋传动，t型活塞杆上升的同时旋转，t型活塞杆旋转时柔性条绷紧，使得滑块向t型活塞杆处靠近，滑块向t型活塞杆处靠近时刷毛与壳体接触将壳体上的淤泥刮除，防止壳体上附着的过多的淤泥影响壳体内gps定位装置和e810海拔高度传感器使用的精度。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统，结构简单，通过设计采集单元，采集单元可对矿区沉陷状况进行实时监测，并将实时监测的数据传输给合成孔径雷达，并最终由电脑终端合成矿区的沉陷状态折线图，有助于工作人员了解矿区地面的实时情况，提高了矿工工作时的安全性。

2.本发明所述的一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统，使用寿命长，通过设计承接单元，在矿区出现沉陷后，承接单元内的承接网仍可以紧贴沉陷地面的表面，同时将矿区沉陷时洒落的泥土和砂石进行承接，使采集单元可以正常工作，且能辅助采集单元工作，对沉陷区进行实时监测，并及时反馈给合成孔径雷达，最终由电脑终端合成沉陷区的沉陷状态折线图。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的主视图；

图2是矿区沉陷时采集单元和承接单元的位置示意图；

图3是本发明中采集单元的结构示意图；

图4是本发明中承接单元的结构示意图；

图5是图4中a处的局部放大图；

图6为合成孔径雷达合成的矿区沉陷状态折线图；

图中：采集单元1、安装座11、固定装置12、固定盘121、固定桩122、固定锥123、安装螺杆124、六角螺栓125、升降装置13、气缸131、缸体132、t型活塞杆133、壳体14、e810海拔高度传感器15、隔板16、gps定位装置17、电池壳18、蓄电池19、承接单元2、承接网21、一号弹性条22、承接组23、二号弹性条231、应急圈24、磁铁241、导电弹簧242、滑槽3、滑块31、刮板32、柔性条33。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，本发明所述的一种利用合成孔径雷达分时测定矿区开采沉陷区的系统，包括卫星、合成孔径雷达、卫星接收器、电脑终端和布置在地面的采集单元1；所述合成孔径雷达安装在卫星上，卫星接收器与卫星无线连接，卫星接收器与电脑终端电连接，卫星接收器接收卫星传输的数据后由电脑终端进行分析，并合成矿区地面的沉陷状态折线图；所述采集单元1用于对矿区沉陷区的沉陷状况进行实时监测，并将监测的信息反馈至合成孔径雷达；所述采集单元1包括安装座11、固定装置12和升降装置13；所述安装座11位于升降装置13的顶部，采集单元1通过固定装置12固定在沉陷区的上方，安装座11的顶部安装有壳体14，壳体14内的底部安装有e810海拔高度传感器15，且e810海拔高度传感器15的顶部安装有隔板16；所述隔板16的顶部安装有gps定位装置17；所述壳体14的顶部安装有电池壳18，且电池壳18的内部安装有蓄电池19；所述电池壳18的顶部安装有电池盖，所述蓄电池19的输出端通过导线与gps定位装置17以及e810海拔高度传感器15连接；所述采集单元1与矿区地面之间布置有承接单元2，固定装置12从承接单元2内穿过后插入矿区地面，承接单元2用于保证极端情况下采集单元1仍能正常工作；本发明通过设计采集单元1和承接单元2，采集单元1可对矿区沉陷状况进行实时监测，并将实时监测的数据传输给合成孔径雷达，并最终由电脑终端合成矿区的沉陷状态折线图，有助于工作人员了解矿区地面的实时情况，提高了矿工工作时的安全性，而承接单元2可以保证采集单元1在极端状态下仍能正常工作，保证了采集单元1工作的长久性。

作为本发明的一种具体实施方式，所述承接单元2包括承接网21，承接网21布满整个矿区地面，承接网21包括一号弹性条22和若干个承接组23，一号弹性条22和弹簧组成矩形框体，承接组23位于一号弹性条22和弹簧组成的矩形框体内，且位于边缘处的承接组23与一号弹性条22和弹簧组成的矩形框体固接，承接组23包括倾斜对称设置的二号弹性条231，相邻的承接组23之间设有应急圈24，应急圈24通过弹簧与承接组23连接，二号弹性条231上设有通孔，固定装置12从通孔内穿过后与插入矿区地面内，若干个承接组23和应急圈24组成的形状为针织状，承接组23、应急圈24和一号弹性条22和弹簧组成的矩形框体用于承接矿区塌陷时洒落的泥土、砂石；本发明设计的承接网21，在矿区出现沉陷后，承接网21仍可以紧贴沉陷地面的表面，同时将矿区沉陷时洒落的泥土和砂石进行承接，使采集单元1可以正常工作，对沉陷区进行实时监测，且承接单元2有利于采集单元1可以更好的发现沉陷区的深度，并及时反馈给合成孔径雷达，最终由电脑终端合成沉陷区的沉陷状态折线图。

作为本发明的一种具体实施方式，所述应急圈24由四块大小相同的磁铁241组成，磁铁241之间相互吸引，四块大小相同的磁铁241之间通过导电弹簧242连接，导电弹簧242与蓄电池19连接，磁铁241内设有gps定位装置17、e810海拔高度传感器15和应急开关，应急开关在采集单元1中的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15损坏时打开，使得磁铁241中的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15工作；本发明设计的应急圈24，在矿区沉陷时由于承接网21变形而被拉开，拉开时应急圈24中的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15可以通电工作，可防止在矿区沉陷后，采集单元1内的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15损坏或者被深埋后，无法为合成孔径雷达提供矿区沉陷区的实时信息。

作为本发明的一种具体实施方式，所述固定装置12位于升降装置13的下方，固定装置12包括固定盘121，固定盘121底部的中央位置处安装有固定桩122，且固定桩122的底部安装有固定锥123，所述固定盘121底部的边缘处安装有四组安装螺杆124，且安装螺杆124位置处固定盘121的顶部贯穿安装有六角螺栓125；本发明设计的固定装置12，结构简单，拆装方便，且提高了采集单元1工作时的稳定性。

作为本发明的一种具体实施方式，所述升降装置13包括气缸131，气缸131由缸体132和t型活塞杆133组成，缸体132固接于固定盘121的中部，t型活塞杆133位于缸体132外的部分与支撑座固接，缸体132与t型活塞杆133之间螺旋传动，t型活塞杆133上升的同时壳体14转动；本发明通过使用升降装置13，使得gps定位装置17和e810海拔高度传感器15的位置可以随时进行调节，防止矿区沉陷区内积水底部的淤泥过多影响采集单元1的正常工作，且提高了采集单元1使用的灵活性。

作为本发明的一种具体实施方式，所述缸体132的顶部增设有滑槽3，滑槽3上设有滑块31，滑块31远离滑槽3的一端固接有刮板32，刮板32远离滑块31的一端与壳体14靠近，刮板32靠近壳体14的一端设有刷毛，刮板32与支撑座的下方直接设有柔性条33，柔性条33与支撑座转动连接，柔性条33与刮板32固接；所述t型活塞杆133旋转上升时在柔性条33绷紧，使得滑块31向t型活塞杆133处靠近，滑块31向t型活塞杆133处靠近时刷毛与壳体14接触将壳体14上的淤泥刮除；本发明通过利用升降装置13工作时产生的动力，可带动刮板32工作，刮板32工作时可将壳体14上的淤泥刮除，保证了gps定位装置17和e810海拔高度传感器15使用的精度。

作为本发明的一种具体实施方式，所述合成孔径雷达工作的步骤包括insar影像的选取、格式转换、影像的配准、预滤波，从而得到监测地区的沉陷状态折线图；配准过程为，经过轨道粗配准，像元级、亚像元级精配准，解算副影像相对于主影像的偏移量，并进行多项式拟合，根据多项式拟合系数完成对副影像的重采样；干涉过程为，将主影像和重采样后的副影像对应像元共轭相乘，得到沉陷状态折线图，解算形变相位包括借助精密轨道数据、外部dem，消除干涉相位中的平地效、应、轨道误差、地形相位，对剩余相位进行滤波后，得到只包含有地表形变信息的相位值；干涉影像中包含以下相位信息：

φ＝φmpo+φdtf+φatmo+φflat+φmkn

式中，φmpo为地形相位；φdtf是卫星视线方向的地表形变相位；φatmo是由大气延迟等产生的相位；φflat是由参考平面引起的相位；φmkn是由噪声引起的相位；

平地相位计算公式：

其中，λ为雷达波长，b为空间基线，θ0为雷达入射角，α为空间基线与水平方向的夹角；地形相位计算公式：

其中,b⊥为垂直基线；δθυ为地面点高程造成的雷达视线的视角差，由以上计算公式计算即可得到矿区沉陷时的沉陷状态折线图，而当雨季或者矿区发生塌陷时，合成孔径雷达因自然因素无法精确获取矿区沉陷状态时，由于本系统设计有承接单元，当雨季或者矿区发生沉陷时，承接单元中的应急圈打开，应急圈中的gps定位装置和e810海拔高度传感器可以通电工作，这样在雨季或者矿区沉陷时，合成孔径雷达仍能准确获取矿区沉陷区的实时信息。

工作时，该系统在使用时，首先在整个矿区地面铺设一层承接网21，将固定锥123和固定桩122穿过二号弹性条231上的通孔后，插入矿区表面内，在矿区未发生沉陷时，采集单元1可对矿区沉陷状况进行实时监测，通过蓄电池19为gps定位装置17和e810海拔高度传感器15进行供电，gps定位装置17对采集单元1的位置进行准确的定位，并通过e810海拔高度传感器15对监测区域的高度进行精确的检测，gps定位装置17和e810海拔高度传感器15将监测的信息反馈至合成孔径雷达，最终由电脑终端合成矿区每一时段的矿区沉陷状态折线图，通过矿区沉陷状态折线图可分析出矿区地面的承受能力，使得工作人员可对矿区地面的承受能力进行实时掌握。

当矿区地面发生沉陷时，承接组23、应急圈24和一号弹性条22和弹簧组成的矩形框体可以承接矿区沉陷时洒落的泥土、砂石，且因为若干个承接组23和应急圈24组成的形状为针织状，可以对沉陷时洒落的绝大部分泥土和砂石进行承接，同时因为承接网21整体具有韧性，使得承接网21在矿区地面沉陷时仍可以紧贴沉陷的地面，保证采集单元1可以正常工作；在矿区沉陷时，承接网21因与沉陷地面紧贴的原因使应急圈24打开，应急圈24打开后，紧急开关打开使得磁铁241内的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15工作，对沉陷区进行实时监测，这样在矿区地面沉陷时，采集单元1中的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15因受到砂石、泥土的碰撞损坏无法工作时，磁铁241内的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15可以代替采集单元1内的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15，使得对矿区沉陷区的实时监测可以正常进行；若采集单元1位于积水内，积水底部的淤泥会将gps定位装置17和e810海拔高度传感器15掩埋，影响gps定位装置17和e810海拔高度传感器15在积水中工作的精度，从而影响gps定位装置17和e810海拔高度传感器15和合成孔径雷达之间的信号传输，可以启动气缸13，气缸13工作时t型活塞杆133上升，使得采集单元1内的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15可以从淤泥内伸出，伸出的gps定位装置17和e810海拔高度传感器15位于积水中，这样即使矿区沉陷区内存在积水，但采集单元1仍然能够测定积水下矿区的沉陷情况，然后通过电脑终端合成沉陷状态折线图，通过观察沉陷状态折线图就能得出积水下矿区实际的沉陷情况；因气缸131的缸体132与t型活塞杆133之间螺旋传动，t型活塞杆133上升的同时旋转，t型活塞杆133旋转时柔性条33绷紧，使得滑块31向t型活塞杆133处靠近，滑块31向t型活塞杆133处靠近时刷毛与壳体14接触将壳体14上的淤泥刮除，防止壳体14上附着的过多的淤泥影响壳体14内gps定位装置17和e810海拔高度传感器15使用的精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。