太赫兹成像技术在铁路滑坡监测预警中的应用浅析

滑坡是一种山区地质病害，我国铁路受滑坡危害较为严重，因为滑坡导致的铁路安全事故，屡有发生。2020年3月30日11时40分，由济南开往广州的T179次旅客列车运行至京广线下行1855公里642米处，因突发山体滑坡，造成列车脱轨事故，机车及机后第1至8位车辆脱轨，1名乘警殉职、122名旅客和5名列车工作人员受伤，中断京广下行线行车21小时28分、上行线行车22小时08分。事故造成直接经济损失为2235.3172万元。

T179次列车脱轨现场

对滑坡发生进行监测和早期预报，是减少和防止滑坡灾害的重要手段。传统上对滑坡的监测和预警主要是采用倾斜仪、位移计、应力计、水位计等现场仪器观测，以及利用GPS、TDR 技术等电子远程监测。但这些方法很难应用到人员难以进入的区域及大面积区域监测上，且造价较高。

三维激光扫描技术是一种新兴的滑坡监测手段，近年来在国内外得到了一些研究与应用。三维激光扫描仪数据的采集不需要布设监测点，较之传统的监测手段更能快速、准确地反映滑坡的表面形态，进而获取地表变形值。对于处于加速变形至剧变破坏阶段的滑坡，这种实时、“面”式、高精度的监测对于滑坡灾害的预测预报显得尤为重要，其不受干扰、全天候地的特点，可及时准确提供连续可靠的数据，进而为滑坡灾害的预报发挥关键作用。相比于传统的测量技术，三维激光扫描仪在地形采集方面更加方便、有效，可以获得高精度三维图像信息，分辨率可达毫米级。其缺点是只能应用于特定小区域的监测，难以实现大范围、大面积、大区域监测。

三维激光扫描仪

目前，合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR)是所有的空间遥感技术中获取地表三维信息精度最高的一种技术。该技术目前在国内已较多的应用于地表形变的监测当中。例如由于人类活动所引起的城市地表形变，因石油、煤等地下矿藏开采所引起的地面沉降和由于各种自然灾害所导致的地表形变等。InSAR利用其所记录的相对相位进行干涉处理，经过相位解缠可获取地形高程数据，它的基本原理是通过雷达卫星在相邻重复轨道上对同一地区进行两次成像。

InSAR成像效果图

InSAR技术无需建立监测网，覆盖范围大、省时，可以全天候、不受云和天气影响以及高精度等优点，该技术已日益成为人们研究的热点。随着该技术的日益成熟，该技术已成功地应用于地表形变监测、冰川活动、滑坡等方面。随着该技术的不断发展，该技术已由早期的主要用于地震和火山活动的形变监测发展到现在的监测由于人类活动所引起的地表沉降和山体滑坡等微小的地形变化。由于该技术的优势的不可替代性，该技术具有广阔的发展前景。

InSAR技术适合于大区域的滑坡监测，缺点是生成的影像比较昂贵，星载SAR重仿时间较长，数据更新慢；机载SAR飞行成本较高，而且在恶劣天气下，考虑到飞机自身安全，可能无法飞行获取数据。现有合成孔径雷达基本上工作在微波频段，最高分辨率一般在分米级，与三维激光扫描技术相比，分辨率差一到两个数量级。

三维全息成像是一种比较新颖的3D雷达体制。目前已经在人体安检领域得到使用，可以看做一种三维SAR，由二维方位向与一维距离向构成。目前的主动式近程毫米波三维全息成像技术，已经比较成熟，在人体安检领域已得到应用。国内外已有多个厂商推出产品或样机。一般工作在Ka频段，可以实现约5-6mm的分辨率，可以实现对人体高分辨率三维成像。

博微太赫兹公司推出的毫米波柱面安检仪

目前国内外厂商推出的大部分毫米波人体安检仪，硬件架构采用一维开关电扫阵列加一维机械扫描，扫描时间与成像判图处理时间一般在数秒级。

结合现有毫米波人体安检仪的硬件架构思路，如果将毫米波/太赫兹一维电扫阵列安装在火车上，竖直维通过电扫，水平维通过火车运动，距离维发射宽带信号，就可以实现对铁路两侧山体的三维扫描成像。

这种太赫兹三维成像方案，相比现有各种滑坡检测技术，具有很大的优势。可以全天时、全天候的获取铁路两侧大范围山体三维数据，相比现有机载InSAR方案，分布率更高且不受恶劣天气影响，数据获取成本也低。

接下来，希望相关太赫兹研究机构，能够与铁路系统相配合，尽快开展太赫兹三维成像技术的研究工作，为铁路滑坡预警，开辟一条新的技术途径。