MSR地基边坡雷达在边坡监测中的应用

于 淼 胡福根 任凯珍

（北京市地质研究所）

雷达是无线电探测和测距的缩写，其主要用途是利用电磁波探测和定位目标体的距离、方位、速度等信息。1904年，德国人克里斯蒂安·胡尔梅耶（Christian Hulsmeyer）发明了船用防撞雷达，首次使用无线电波完成了远距离金属目标探测，此后雷达技术在军事侦察与防御、海洋表面波测量、空中交通控制、气象降水探测、交通超速探测等许多领域都得到了应用。21世纪以来，地基雷达技术迅速发展，地基雷达系统是布设在监测目标体较近距离地面上的雷达测量系统的统称，因此，地基雷达系统能够根据观测目标形变场的演化特征灵活安置，并多采用波

长更短的Ku波段或X波段，能够以毫米—亚毫米级监测精度对目标体进行实时监测，较好地弥补了星载雷达入射角单一、重访周期长等不足。目前，该技术在国内外边坡变形［1-4］、崩塌［5］和滑坡［6-8］等地质灾害应急监测和救援中得到应用，取得了较好应用成果，验证了地基雷达动态、高分辨率、高精度识别变形区的优势。本研究利用南非陆泰克采矿公司（Reutech Mining）生产的MSR（Movement and Surveying Radar）真实孔径边坡雷达（本研究简称MSR边坡雷达），对北京冬奥会延庆赛区3处边坡进行了稳定性监测，分析监测时段内的成果数据，实现了地基真实孔径雷达微小形变监测实用化，探讨了该设备在地质灾害监测中的优越性与可行性，进一步为地质灾害监测预警提供重要技术支撑和手段。

1 MSR边坡雷达工作原理

目前国内外应用于边坡稳定性监测的雷达种类较多，技术成熟并用于商用的主要有意大利IBIS系列地基雷达、南非MSR系列雷达、澳大利亚SSR雷达、瑞士GPRI雷达、荷兰FastGBSAR雷达以及中国安全生产科学研究院S-SAR雷达和内蒙古方向图公司MPDMR-HSA，按照干涉成像方式的不同划分为合成孔径雷达与真实孔径雷达2类［9］，其中GPRI、MSR、SSR属于真实孔径雷达范畴，2种类型雷达在技术原理、外观设计、工作范围、图像解译、参数校正、预测预警等方面有较大差别。MSR边坡雷达测量的原理：通过碟型雷达天线向目标发射X波段电磁波，然后捕捉记录了目标相关信息的回波，近而推导出运动目标的轨迹，并预测未来的位置［10］。在边坡形变监测中MSR雷达具体原理为电磁波对边坡同一点连续2次监测，获得相位差（Δφ），计算出边坡表面的位移量（Δd）（图1）。

1.1 绝对位移

绝对位移（S）是雷达与目标体间的距离。电磁波从天线发射至目标物用时为t1，经目标体反射后被接收用时为t2，MSR边坡雷达可精确测量电磁波从发射到接收的时间T，即T=t1+t2，以此计算出边坡雷达与目标物的距离为式中，C为电磁波在空气中的传播速度，即光速，m/s。绝对距离测量主要应用于构建目标体的三维模型。

1.2 相对位移

相对位移（Δd）是已确定的目标体发生位移变化的量，可从第2次以后的反射电磁波信号相位变化量计算得到。雷达第1次接收目标体反射波的相位为φ1，若监测目标发生移动，再次接收到目标体反射波相位为φ2，2次相位的变化可推算出相对位移，即Δd=（φ2-φ1）λ/（4π）。相对位移反映出目标体的运动变化情况。

2 系统组成及技术参数

地基雷达系统组成主要包括雷达传感器、能量供应单元、数据采集和存储单元以及数据处理模块等。MSR边坡雷达系统如图2所示，分为硬件和软件2个部分，硬件部分主要有①雷达机电装置，包括雷达天线、接收器、天线定位装置等；②供电装置，包括发电机（选配）、蓄电池、充电控制器等；③其他附件，包括简易气象站、数据传输模块、声光警示装置、工具箱、Leica TC450全站仪等。软件系统为基于Linux（红帽）操作系统的实时监测数据分析软件MSR HMI。系统技术参数见表1。

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3 系统优点

目前MSR边坡雷达技术已经在国内外获得广泛应用［11-12］，与传统边坡变形监测方法相比，使用MSR边坡雷达进行边坡监测有以下优点。

（1）MSR边坡雷达系统为真实孔径雷达，系统无需辅助人工DTM（数字地形图）模型即可自动获得或读取已有的真三维DTM数据，兼容多种GIS数据，在三维环境下显示监测结果。

（2）MSR雷达系统采用车载方式，能够快速移动、架设，2次扫描（2 min内）即可获得监测目标的位移变化量，能够在灵活、快速地对存在隐患的边坡进行监测。

（3）MSR雷达具有监测精度高、范围广、空间分辨率高、采样间隔短的优势，能以毫米级精度获取目标边坡形变数据，确定目标监测区内最大位移发生的位置，可避免常规监测中常发生的采样周期间隔较长和数据不连续或丢失等问题。

（4）MSR雷达系统原理为电磁波的反射与干涉，无需在被测边坡上布设固定监测设备（棱镜、标靶等），即使监测边坡发生失稳，也不会造成监测设备的损失。

（5）MSR雷达集成度大气校准模块，受雨、尘、雾、雪、气压、高寒等气候条件影响较小，气候适应性强，最大程度排除大气影响，有效保证各种气候条件下使用的稳定性。

（6）MSR雷达系统可对失稳边坡进行全过程的连续监测，可划分圈定多个重点关注区域，根据位移量、位移速度和位移加速度对目标区域划分不同等级的阈值进行自动预警，能以声音、短信、邮件等多种方式发出报警。

4 应用情况

4.1 应用基础

MSR边坡雷达系统能够以较快的速度获取雷达系统与目标体间的绝对距离与相对位移，经处理软件结算生成监测区域的整体位移分布信息，即累计位移图，2次以上扫描周期可计算绘制变形曲线，即形变速率。众所周知，累计位移、形变速率、形变加速度是滑坡预测和边坡变形监测中重要的3项判断标准，累积位移曲线为判断滑坡进入临滑阶段最直接、有效的依据，若滑坡进入临滑阶段，位移曲线的特点是随着时间的增加，每次扫描得到的位移量持续增大；相较于累积位移曲线，速度曲线可更明确地表示潜在危险区域的运动状态，据此可确定边坡变形处于减速、等速或加速状态，是划分边坡失稳临滑阶段的重要依据。MSR边坡雷达具有多级报警功能，可由用户自定义设置，根据不同的监测对象，利用累计位移、形变速率、形变加速度的单一指标或综合指标触发报警，以声音、短信、邮件等多种方式发出报警。

4.2 应用案例

2020年8月12日，北京市普降暴雨，为应对强降雨天气，掌握地质灾害隐患点变形信息，保障北京冬奥会和冬残奥会延庆赛区场馆建设及相关配套设施施工安全，本研究利用MSR边坡雷达对北京冬奥会延庆赛区3处边坡开展了应急监测，详情如下。

4.2.1 边坡1

该隐患点为自然形成的岩质边坡，位于竞速结束区下方，坡体底部正在进行雪道基础施工，MSR边坡雷达架设在边坡对面半山腰，扫描面积共计457 540.9 m2，根据现场情况设置2处重点监测区域、3处重点监测点，并建立边坡三维立体模型。通过累计位移图可清晰地观察到扫描区域呈斑杂状的色谱变化，2处重点监测区域没有明显区域性位移，斑杂的色谱为植被对雷达波影响所致，不能完全代表岩土体本身的形变特征。3处重点监测点处基岩裸露，位移曲线显示P#1最大累计形变位移12 mm，P#2最大累计形变位移13.5 mm，山脊处裸露岩体P#3无位移形变，2处发生位移区域形变时间为17日22时30分—23时30分，形变速率由小变大再变小后归于零，主要为坡面松散碎石土体受强降雨影响，在高陡的坡体上发生微小形变。

4.2.2 边坡2

该岩质边坡位于竞速结束区，监测时段内云雾较大，MSR边坡雷达受雨、尘、雾、雪天气影响小，可有效保证各种气候条件下使用的稳定性，弥补了常规目视形变监测方法不足。本次工作对监测边坡建立三维模型的同时，绘制了监测区域的地形图件，根据累计位移和形变速率曲线成果，对监测时段内边坡整体和选定5个监测点进行稳定性评价。结果显示：该边坡监测时段内整体稳定；P#15崩塌隐患点和主赛道P#4点未监测到位移数据，状态稳定；赛道P#3、P#6这2处发生无规律位移，其中P#3最大形变位移3 mm，P#6最大形变位移3.5 mm，其产生变形原因为施工作业扰动；P#0形变速率具有振荡反复性，累计位移最终趋于0 mm，其产生变形原因为植被晃动干扰。

4.2.3 边坡3

该点处岩体陡峻，节理发育，雷达监测时段内处于稳定状态。累计位移图小部分区域呈斑杂状的色谱变化，与坡体表层植被分布基本吻合，为植被对雷达波影响导致点云纷杂，不代表岩土体本身的形变特征。5处裸露基岩未测得位移变化数据，基岩体处于稳定状态。

5 结 论

本研究简要介绍了MSR地基边坡雷达测量技术原理、系统组成及技术参数，分析总结了MSR地基边坡雷达在边坡形变测量上的优势，结合北京冬奥会延庆赛区3处边坡应急监测应用成果，主要结果如下。

（1）MSR边坡雷达具有非接触、范围广、速度快、受天气影响小的优势，可以“扫面式”进行数据采集，成果可以进行三维建模和地形图绘制，形象直观；其亚毫米级的形变监测能力，可为安全生产提供强大的技术保障，已在国内外得到广泛应用，并成为边坡变形新技术手段之一。

（2）北京冬奥会延庆赛区3处边坡应急监测结果显示，MSR边坡雷达能够较好地对地质灾害隐患边坡进行应急监测，通过累计位移图和形变速率曲线，可有效评价目标区域或目标体的稳定性。但3处隐患边坡累计位移图均可清晰地观察到扫描区域呈斑杂状的色谱变化，综合累计位移曲线周期性变化和形变速率曲线不规律性，确定是由于植被引起的扰动和失相干现象，不能够准确的代表岩土体的微小变化趋势。

（3）MSR边坡雷可以实现边坡的实时监测、自动预警，但其仅仅是监测边坡表面的位移变化，属于事后监测预警。崩塌或滑坡往往是边坡体长期受到多个因素累积作用影响，并在某一时段在特殊诱因下发生，只有通过对边坡稳定性内部机理的评价研究，再结合边坡雷达监测系统对边坡表面位移的实时动态监测预警，才可以有效预防边坡发生滑坡和坍塌。

综上所述，MSR边坡雷在地质灾害应用领域发挥着越来越重要的作用，研究成果可为当地政府和管理部门制定防灾减灾措施提供技术依据。