Liderança de Idéia: Nova Correção Atmosférica para Slope Stability Radar

Chefe de Pesquisa e Desenvolvimento da GroundProbe, Pat Bellett

Cofundador da GroundProbe, Dr Glen Stickley

O Precision Atmospherics® traz um avanço considerável no controle da desordem atmosférica que normalmente está associada aos radares interferométricos de monitoramento da estabilidade de taludes.

As condições atmosféricas podem dificultar a interpretação do usuário e o ajuste dos alarmes geotécnicos, tornando-os não intuitivos, especialmente quando se tenta evitar alarmes indesejados. À medida que aumenta o tamanho das operações nas minas a céu aberto, torna-se cada vez mais difícil gerenciar a influência atmosférica.

No início dos anos 2000, o primeiro SSR da GroundProbe operava em pequenas cavas ou minas a céu aberto onde bastava um alcance máximo de cerca de 400 metros do radar. Agora, o novo SSR-Omni cobre uma faixa de imagem de até 5,6 km. As melhorias são consideráveis. Entretanto, as condições atmosféricas tornaram a captação, interpretação e gerenciamento de dados significativos cada vez mais complexos para as grandes minas a céu aberto.

Conforme nos tornamos capazes de realizar varreduras mais rápidas e amplas, e em faixas mais extensas, a verdadeira variabilidade atmosférica foi sendo cada vez mais exposta. Os avanços na capacidade de monitoramento aumentam consideravelmente a complexidade e austeridade das condições atmosféricas observadas por meio dos radares de monitoramento da estabilidade de taludes.

O Precision Atmospherics® exibe promissoras melhorias no controle da inevitável desordem atmosférica associada aos radares interferométricos de monitoramento da estabilidade de taludes.

Fenômenos Atmosféricos

Os elementos atmosféricos não se comportam de forma homogênea, especialmente em áreas muito grandes e faixas extensas. Existe um alto grau de incertezas e imprevisibilidade, mesmo em condições desérticas ou em climas úmidos e quentes, onde se esperaria condições típicas.

Eles são compostos por microclimas que sofrem rápidas mudanças, geradas devido à movimentação do vapor de água com o vento. A variação se dá em caráter espacial, desde bolhas de todos os tamanhos a faixas finíssimas e camadas horizontais — todas as quais podem sofrer mudanças rápidas ou persistir no tempo.

A imprevisibilidade torna problemática a interpretação e o ajuste dos alarmes geotécnicos na via de desenvolvimento dos radares de monitoramento da estabilidade de taludes na mineração a céu aberto. A falta de consistência atmosférica dificulta ainda mais a varredura numa atmosfera espacialmente diversa e interfere na técnica de Área de Referência Estável (SRA), que é normalmente usada para captar, monitorar e gerenciar movimentos.

O maior alcance e os ângulos de varredura mais amplos dos radares expuseram o quanto os microclimas atmosféricos podem mudar dentro e nos arredores das minas a céu aberto, comumente chamadas de cavas. Primeiramente, é a quantidade de vapor de água na atmosfera que determina a variabilidade da via de propagação do radar: as propriedades refratoras ou dielétricas do ar são modificadas pela quantidade de água e afetadas por mudanças na temperatura, pressão e umidade.

Tecnologia de Radar

Os radares com capacidade de varredura mais rápida e ampla, e em faixas mais extensas, revelam a verdadeira variabilidade da atmosfera na mina.

Radares de Monitoramento da Estabilidade de Taludes

Todos os radares de monitoramento da estabilidade de taludes se baseiam na mesma técnica de “interferometria de fase”, que é sensível às mudanças no comprimento da trajetória de propagação bidirecional inseridas pela atmosfera. A interferometria mede a combinação da deformação de parede e efeitos atmosféricos usando uma régua com somente meio comprimento de onda. Se o movimento sofre uma alteração de um quarto do comprimento de onda, para mais ou para menos, ele é considerado ambíguo. Portanto, os radares que operam numa frequência mais baixa e com comprimento de onda mais longo têm uma vantagem, pois toleram alterações maiores antes que ocorram ambiguidades. As ambiguidades induzidas pela atmosfera exigem cuidadosa consideração na interpretação dos dados do radar de monitoramento da estabilidade de taludes.

Parâmetros do Projeto

Para alcançar faixas operacionais mais extensas e ainda ser capaz de gerar imagens de movimentos da parede em determinado tamanho com grau semelhante de detalhamento, uma exigência básica é o aumento da resolução efetiva da imagem.

Existem três parâmetros principais de projeto que determinam o poder de resolução espacial dos radares de monitoramento da estabilidade de taludes: para radares 2D, a combinação do tamanho da abertura horizontal da antena e a frequência operacional determina a resolução de alcance cruzado ou em azimute; e, por fim, a largura de banda da forma de onda transmitida determina a resolução na faixa.

Para os radares 3D, a segunda dimensão é a elevação e a terceira é o alcance. A resolução da elevação é determinada pelo tamanho da abertura vertical da antena e pela frequência operacional. Simplificando, isso significa que, quanto maior a antena ou frequência, ou ambas, somada a uma maior largura de banda, se traduz em melhor resolução ou menores células de resolução.

O tamanho de rastro do feixe de uma antena é dimensionado com o alcance, razão pela qual existe a necessidade de maior resolução para faixas mais extensas. A quantidade de resolução necessária é outra questão interessante, mas que se encontra fora do escopo deste artigo.

Área de Referência Estável (SRA)

O método SRA tem sido usado com sucesso para o monitoramento de segurança crítica em tempo real, sem deixar falhas passarem. É detectado quando as áreas em movimento atingem uma taxa superior ao ruído, isso em questão de dias, semanas ou meses.

O desafio da correção atmosférica persiste devido ao aumento atmosférico em áreas mais amplas e distâncias mais extensas. O elevado nível de desordem ou ruído pode se sobrepor aos dados cronológicos de deformação para um ponto de pixel selecionado, dificultando a interpretação das informações.

O ruído atmosférico pode sufocar os movimentos iniciais de baixa velocidade dos materiais dúcteis. Os limiares de alarme costumam ser altos para evitar falsos disparos frequentes, e se faz necessário um elevado nível de compreensão para a detecção.

O novo algoritmo de correção Precision Atmospherics® é uma significativa melhoria geotécnica com relação ao método clássico da Área de Referência Estável (SRA).

Precision Atmospherics®

O novo processo Precision Atmospherics® soluciona as limitações do método SRA utilizando processos de espaço e tempo para classificar e corrigir devidamente as áreas que são pequenas falhas frágeis e rápidas, grandes falhas dúcteis de movimento lento e áreas imóveis.

As condições atmosféricas rigorosas podem gerar ambiguidades de fase interferométrica que contaminam as áreas da imagem de deformação bruta, introduzindo também etapas indesejadas nos dados cronológicos da deformação quanto às áreas afetadas da parede.

O Precision Atmospherics® visa solucionar tais eventos rigorosos para manter uma melhor continuidade dos dados e tornar o monitoramento mais eficaz por períodos muito mais longos.

Para reduzir o risco associado ao aumento da complexidade no processamento de dados do radar, os tradicionais dados de SRA são processados e exibidos para cada pixel de cada varredura e podem ser visualizados com a deformação do Precision Atmospherics®. Isso torna os dois métodos de processamento de dados complementares.

As tendências na cronologia de deformação do pixel, especialmente aquelas que mostram comportamentos exponenciais progressivos, são mais passíveis de se revelarem precocemente com o uso do Precision Atmospherics®. Esse método simples de comparação simultânea comprova que o novo processamento também suprime a desordem atmosférica a um nível consistente em toda a imagem.

Com o Precision Atmospherics®, a desordem é normalmente suprimida para cerca de ±1mm, dependendo da rigorosidade das condições atmosféricas. Há uma melhoria de aproximadamente cinco vezes no ruído atmosférico, conforme visto nos gráficos cronológicos de deformação do pixel.

A definição dos limiares de alarme se torna mais simples e intimamente relacionada à geomecânica, não à atmosfera.

A Figura 1 mostra exemplos de melhoria na correção atmosférica de um RAR 2D (SSR-FX), para três áreas diferentes que se movem em velocidades distintas.

Figura 1 – Gráficos cronológicos de deformação nas áreas de três paredes diferentes sob varredura de um RAR 2D (SSR-FX) com comparação da correção de SRA (azul) com o Precision Atmospherics® (vermelho). Os exemplos revelam uma concordância de tendências e supressão da desordem atmosférica com o Precision Atmospherics®. A comparação cronológica da deformação (a) exibe os pixels selecionados na área de uma parede sem movimento, (b) área de uma parede com movimento lento, (c) área de uma parede com movimento rápido.

O Precision Atmospherics® atenuou consideravelmente a necessidade de uma varredura ainda mais rápida. O SSR-FX e o SSR-Omni atualmente coletam dados entre 20 e 40 segundos e repetem as varreduras em intervalos de um ou dois minutos.