MSR地基邊坡雷達在邊坡監測中的應用

于 淼 胡福根 任凱珍

（北京市地質研究所）

雷達是無線電探測和測距的縮寫，其主要用途是利用電磁波探測和定位目標體的距離、方位、速度等信息。1904年，德國人克里斯蒂安·胡爾梅耶（Christian Hulsmeyer）發明了船用防撞雷達，首次使用無線電波完成了遠距離金屬目標探測，此后雷達技術在軍事偵察與防御、海洋表面波測量、空中交通控制、氣象降水探測、交通超速探測等許多領域都得到了應用。21世紀以來，地基雷達技術迅速發展，地基雷達系統是布設在監測目標體較近距離地面上的雷達測量系統的統稱，因此，地基雷達系統能夠根據觀測目標形變場的演化特征靈活安置，并多采用波

長更短的Ku波段或X波段，能夠以毫米—亞毫米級監測精度對目標體進行實時監測，較好地彌補了星載雷達入射角單一、重訪周期長等不足。目前，該技術在國內外邊坡變形［1-4］、崩塌［5］和滑坡［6-8］等地質災害應急監測和救援中得到應用，取得了較好應用成果，驗證了地基雷達動態、高分辨率、高精度識別變形區的優勢。本研究利用南非陸泰克采礦公司（Reutech Mining）生產的MSR（Movement and Surveying Radar）真實孔徑邊坡雷達（本研究簡稱MSR邊坡雷達），對北京冬奧會延慶賽區3處邊坡進行了穩定性監測，分析監測時段內的成果數據，實現了地基真實孔徑雷達微小形變監測實用化，探討了該設備在地質災害監測中的優越性與可行性，進一步為地質災害監測預警提供重要技術支撐和手段。

1 MSR邊坡雷達工作原理

目前國內外應用于邊坡穩定性監測的雷達種類較多，技術成熟并用于商用的主要有意大利IBIS系列地基雷達、南非MSR系列雷達、澳大利亞SSR雷達、瑞士GPRI雷達、荷蘭FastGBSAR雷達以及中國安全生產科學研究院S-SAR雷達和內蒙古方向圖公司MPDMR-HSA，按照干涉成像方式的不同劃分為合成孔徑雷達與真實孔徑雷達2類［9］，其中GPRI、MSR、SSR屬于真實孔徑雷達范疇，2種類型雷達在技術原理、外觀設計、工作范圍、圖像解譯、參數校正、預測預警等方面有較大差別。MSR邊坡雷達測量的原理：通過碟型雷達天線向目標發射X波段電磁波，然后捕捉記錄了目標相關信息的回波，近而推導出運動目標的軌跡，并預測未來的位置［10］。在邊坡形變監測中MSR雷達具體原理為電磁波對邊坡同一點連續2次監測，獲得相位差（Δφ），計算出邊坡表面的位移量（Δd）（圖1）。

1.1 絕對位移

絕對位移（S）是雷達與目標體間的距離。電磁波從天線發射至目標物用時為t1，經目標體反射后被接收用時為t2，MSR邊坡雷達可精確測量電磁波從發射到接收的時間T，即T=t1+t2，以此計算出邊坡雷達與目標物的距離為式中，C為電磁波在空氣中的傳播速度，即光速，m/s。絕對距離測量主要應用于構建目標體的三維模型。

1.2 相對位移

相對位移（Δd）是已確定的目標體發生位移變化的量，可從第2次以后的反射電磁波信號相位變化量計算得到。雷達第1次接收目標體反射波的相位為φ1，若監測目標發生移動，再次接收到目標體反射波相位為φ2，2次相位的變化可推算出相對位移，即Δd=（φ2-φ1）λ/（4π）。相對位移反映出目標體的運動變化情況。

2 系統組成及技術參數

地基雷達系統組成主要包括雷達傳感器、能量供應單元、數據采集和存儲單元以及數據處理模塊等。MSR邊坡雷達系統如圖2所示，分為硬件和軟件2個部分，硬件部分主要有①雷達機電裝置，包括雷達天線、接收器、天線定位裝置等；②供電裝置，包括發電機（選配）、蓄電池、充電控制器等；③其他附件，包括簡易氣象站、數據傳輸模塊、聲光警示裝置、工具箱、Leica TC450全站儀等。軟件系統為基于Linux（紅帽）操作系統的實時監測數據分析軟件MSR HMI。系統技術參數見表1。

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3 系統優點

目前MSR邊坡雷達技術已經在國內外獲得廣泛應用［11-12］，與傳統邊坡變形監測方法相比，使用MSR邊坡雷達進行邊坡監測有以下優點。

（1）MSR邊坡雷達系統為真實孔徑雷達，系統無需輔助人工DTM（數字地形圖）模型即可自動獲得或讀取已有的真三維DTM數據，兼容多種GIS數據，在三維環境下顯示監測結果。

（2）MSR雷達系統采用車載方式，能夠快速移動、架設，2次掃描（2 min內）即可獲得監測目標的位移變化量，能夠在靈活、快速地對存在隱患的邊坡進行監測。

（3）MSR雷達具有監測精度高、范圍廣、空間分辨率高、采樣間隔短的優勢，能以毫米級精度獲取目標邊坡形變數據，確定目標監測區內最大位移發生的位置，可避免常規監測中常發生的采樣周期間隔較長和數據不連續或丟失等問題。

（4）MSR雷達系統原理為電磁波的反射與干涉，無需在被測邊坡上布設固定監測設備（棱鏡、標靶等），即使監測邊坡發生失穩，也不會造成監測設備的損失。

（5）MSR雷達集成度大氣校準模塊，受雨、塵、霧、雪、氣壓、高寒等氣候條件影響較小，氣候適應性強，最大程度排除大氣影響，有效保證各種氣候條件下使用的穩定性。

（6）MSR雷達系統可對失穩邊坡進行全過程的連續監測，可劃分圈定多個重點關注區域，根據位移量、位移速度和位移加速度對目標區域劃分不同等級的閾值進行自動預警，能以聲音、短信、郵件等多種方式發出報警。

4 應用情況

4.1 應用基礎

MSR邊坡雷達系統能夠以較快的速度獲取雷達系統與目標體間的絕對距離與相對位移，經處理軟件結算生成監測區域的整體位移分布信息，即累計位移圖，2次以上掃描周期可計算繪制變形曲線，即形變速率。眾所周知，累計位移、形變速率、形變加速度是滑坡預測和邊坡變形監測中重要的3項判斷標準，累積位移曲線為判斷滑坡進入臨滑階段最直接、有效的依據，若滑坡進入臨滑階段，位移曲線的特點是隨著時間的增加，每次掃描得到的位移量持續增大；相較于累積位移曲線，速度曲線可更明確地表示潛在危險區域的運動狀態，據此可確定邊坡變形處于減速、等速或加速狀態，是劃分邊坡失穩臨滑階段的重要依據。MSR邊坡雷達具有多級報警功能，可由用戶自定義設置，根據不同的監測對象，利用累計位移、形變速率、形變加速度的單一指標或綜合指標觸發報警，以聲音、短信、郵件等多種方式發出報警。

4.2 應用案例

2020年8月12日，北京市普降暴雨，為應對強降雨天氣，掌握地質災害隱患點變形信息，保障北京冬奧會和冬殘奧會延慶賽區場館建設及相關配套設施施工安全，本研究利用MSR邊坡雷達對北京冬奧會延慶賽區3處邊坡開展了應急監測，詳情如下。

4.2.1 邊坡1

該隱患點為自然形成的巖質邊坡，位于競速結束區下方，坡體底部正在進行雪道基礎施工，MSR邊坡雷達架設在邊坡對面半山腰，掃描面積共計457 540.9 m2，根據現場情況設置2處重點監測區域、3處重點監測點，并建立邊坡三維立體模型。通過累計位移圖可清晰地觀察到掃描區域呈斑雜狀的色譜變化，2處重點監測區域沒有明顯區域性位移，斑雜的色譜為植被對雷達波影響所致，不能完全代表巖土體本身的形變特征。3處重點監測點處基巖裸露，位移曲線顯示P#1最大累計形變位移12 mm，P#2最大累計形變位移13.5 mm，山脊處裸露巖體P#3無位移形變，2處發生位移區域形變時間為17日22時30分—23時30分，形變速率由小變大再變小后歸于零，主要為坡面松散碎石土體受強降雨影響，在高陡的坡體上發生微小形變。

4.2.2 邊坡2

該巖質邊坡位于競速結束區，監測時段內云霧較大，MSR邊坡雷達受雨、塵、霧、雪天氣影響小，可有效保證各種氣候條件下使用的穩定性，彌補了常規目視形變監測方法不足。本次工作對監測邊坡建立三維模型的同時，繪制了監測區域的地形圖件，根據累計位移和形變速率曲線成果，對監測時段內邊坡整體和選定5個監測點進行穩定性評價。結果顯示：該邊坡監測時段內整體穩定；P#15崩塌隱患點和主賽道P#4點未監測到位移數據，狀態穩定；賽道P#3、P#6這2處發生無規律位移，其中P#3最大形變位移3 mm，P#6最大形變位移3.5 mm，其產生變形原因為施工作業擾動；P#0形變速率具有振蕩反復性，累計位移最終趨于0 mm，其產生變形原因為植被晃動干擾。

4.2.3 邊坡3

該點處巖體陡峻，節理發育，雷達監測時段內處于穩定狀態。累計位移圖小部分區域呈斑雜狀的色譜變化，與坡體表層植被分布基本吻合，為植被對雷達波影響導致點云紛雜，不代表巖土體本身的形變特征。5處裸露基巖未測得位移變化數據，基巖體處于穩定狀態。

5 結 論

本研究簡要介紹了MSR地基邊坡雷達測量技術原理、系統組成及技術參數，分析總結了MSR地基邊坡雷達在邊坡形變測量上的優勢，結合北京冬奧會延慶賽區3處邊坡應急監測應用成果，主要結果如下。

（1）MSR邊坡雷達具有非接觸、范圍廣、速度快、受天氣影響小的優勢，可以“掃面式”進行數據采集，成果可以進行三維建模和地形圖繪制，形象直觀；其亞毫米級的形變監測能力，可為安全生產提供強大的技術保障，已在國內外得到廣泛應用，并成為邊坡變形新技術手段之一。

（2）北京冬奧會延慶賽區3處邊坡應急監測結果顯示，MSR邊坡雷達能夠較好地對地質災害隱患邊坡進行應急監測，通過累計位移圖和形變速率曲線，可有效評價目標區域或目標體的穩定性。但3處隱患邊坡累計位移圖均可清晰地觀察到掃描區域呈斑雜狀的色譜變化，綜合累計位移曲線周期性變化和形變速率曲線不規律性，確定是由于植被引起的擾動和失相干現象，不能夠準確的代表巖土體的微小變化趨勢。

（3）MSR邊坡雷可以實現邊坡的實時監測、自動預警，但其僅僅是監測邊坡表面的位移變化，屬于事后監測預警。崩塌或滑坡往往是邊坡體長期受到多個因素累積作用影響，并在某一時段在特殊誘因下發生，只有通過對邊坡穩定性內部機理的評價研究，再結合邊坡雷達監測系統對邊坡表面位移的實時動態監測預警，才可以有效預防邊坡發生滑坡和坍塌。

綜上所述，MSR邊坡雷在地質災害應用領域發揮著越來越重要的作用，研究成果可為當地政府和管理部門制定防災減災措施提供技術依據。