太赫茲成像技術在鐵路滑坡監測預警中的應用淺析_風聞

滑坡是一種山區地質病害，我國鐵路受滑坡危害較為嚴重，因為滑坡導致的鐵路安全事故，屢有發生。2020年3月30日11時40分，由濟南開往廣州的T179次旅客列車運行至京廣線下行1855公里642米處，因突發山體滑坡，造成列車脱軌事故，機車及機後第1至8位車輛脱軌，1名乘警殉職、122名旅客和5名列車工作人員受傷，中斷京廣下行線行車21小時28分、上行線行車22小時08分。事故造成直接經濟損失為2235.3172萬元。

T179次列車脱軌現場

對滑坡發生進行監測和早期預報，是減少和防止滑坡災害的重要手段。傳統上對滑坡的監測和預警主要是採用傾斜儀、位移計、應力計、水位計等現場儀器觀測，以及利用GPS、TDR 技術等電子遠程監測。但這些方法很難應用到人員難以進入的區域及大面積區域監測上，且造價較高。

三維激光掃描技術是一種新興的滑坡監測手段，近年來在國內外得到了一些研究與應用。三維激光掃描儀數據的採集不需要佈設監測點，較之傳統的監測手段更能快速、準確地反映滑坡的表面形態，進而獲取地表變形值。對於處於加速變形至劇變破壞階段的滑坡，這種實時、“面”式、高精度的監測對於滑坡災害的預測預報顯得尤為重要，其不受干擾、全天候地的特點，可及時準確提供連續可靠的數據，進而為滑坡災害的預報發揮關鍵作用。相比於傳統的測量技術，三維激光掃描儀在地形採集方面更加方便、有效，可以獲得高精度三維圖像信息，分辨率可達毫米級。其缺點是隻能應用於特定小區域的監測，難以實現大範圍、大面積、大區域監測。

三維激光掃描儀

目前，合成孔徑雷達干涉測量技術(Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR)是所有的空間遙感技術中獲取地表三維信息精度最高的一種技術。該技術目前在國內已較多的應用於地表形變的監測當中。例如由於人類活動所引起的城市地表形變，因石油、煤等地下礦藏開採所引起的地面沉降和由於各種自然災害所導致的地表形變等。InSAR利用其所記錄的相對相位進行干涉處理，經過相位解纏可獲取地形高程數據，它的基本原理是通過雷達衞星在相鄰重複軌道上對同一地區進行兩次成像。

InSAR成像效果圖

InSAR技術無需建立監測網，覆蓋範圍大、省時，可以全天候、不受雲和天氣影響以及高精度等優點，該技術已日益成為人們研究的熱點。隨着該技術的日益成熟，該技術已成功地應用於地表形變監測、冰川活動、滑坡等方面。隨着該技術的不斷發展，該技術已由早期的主要用於地震和火山活動的形變監測發展到現在的監測由於人類活動所引起的地表沉降和山體滑坡等微小的地形變化。由於該技術的優勢的不可替代性，該技術具有廣闊的發展前景。

InSAR技術適合於大區域的滑坡監測，缺點是生成的影像比較昂貴，星載SAR重仿時間較長，數據更新慢；機載SAR飛行成本較高，而且在惡劣天氣下，考慮到飛機自身安全，可能無法飛行獲取數據。現有合成孔徑雷達基本上工作在微波頻段，最高分辨率一般在分米級，與三維激光掃描技術相比，分辨率差一到兩個數量級。

三維全息成像是一種比較新穎的3D雷達體制。目前已經在人體安檢領域得到使用，可以看做一種三維SAR，由二維方位向與一維距離向構成。目前的主動式近程毫米波三維全息成像技術，已經比較成熟，在人體安檢領域已得到應用。國內外已有多個廠商推出產品或樣機。一般工作在Ka頻段，可以實現約5-6mm的分辨率，可以實現對人體高分辨率三維成像。

博微太赫茲公司推出的毫米波柱面安檢儀

目前國內外廠商推出的大部分毫米波人體安檢儀，硬件架構採用一維開關電掃陣列加一維機械掃描，掃描時間與成像判圖處理時間一般在數秒級。

結合現有毫米波人體安檢儀的硬件架構思路，如果將毫米波/太赫茲一維電掃陣列安裝在火車上，豎直維通過電掃，水平維通過火車運動，距離維發射寬帶信號，就可以實現對鐵路兩側山體的三維掃描成像。

這種太赫茲三維成像方案，相比現有各種滑坡檢測技術，具有很大的優勢。可以全天時、全天候的獲取鐵路兩側大範圍山體三維數據，相比現有機載InSAR方案，分佈率更高且不受惡劣天氣影響，數據獲取成本也低。

接下來，希望相關太赫茲研究機構，能夠與鐵路系統相配合，儘快開展太赫茲三維成像技術的研究工作，為鐵路滑坡預警，開闢一條新的技術途徑。