地質雷達高速探測方法在鐵路路基檢測中的應用

摘 要：針對鐵路路基沉降、變形等病害帶來的安全隱患問題，突出了地質雷達在鐵路路基病害檢測中準確、無損、便捷的性質，能準確的識別出病害的位置、深度以及類型的特性以及滿足鐵路路基檢測數(shù)據(jù)量大，檢測速度按快的需求。通過工程探測實例，說明地質雷達在對鐵路路基檢測中的高速、實用和優(yōu)越性。

關鍵詞：地質雷達；鐵路路基；數(shù)據(jù)處理

1地質雷達

1.1地質雷達簡介

地質雷達（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1MHz～2.5GHz）電磁波技術，是近年來一種新興的地下探測與混凝土建筑物無損探測的新技術，天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實時數(shù)據(jù)處理和信號增強的功能，可進行連續(xù)或單點透視掃描，現(xiàn)場實時顯示二維剖面[1]。

當雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成雷達掃描圖像，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況。

實測時將雷達天線貼于被探測面，沿測線連續(xù)滑動（或定點探測），采用手動打標進行定位，根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設定空間采樣率，雷達主機實時記錄每個測點反射波的時間和振幅值，構成連續(xù)雷達剖面。當?shù)叵陆橘|的波速已知時，根據(jù)所探測到的雙程旅行時，就可以求得目標體的位置和埋深。應用專業(yè)軟件，分析反射波同相軸的波形和波阻特征，就可以獲得探測面以下介質信息。地質雷達工作原理見圖1[2-7]。

1.2地質雷達組成

實際應用的地質雷達主要由發(fā)射天線系統(tǒng)、接收天線系統(tǒng)、控制單元、微型計算機系統(tǒng)四部分組成。地質雷達系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

2數(shù)據(jù)采集

2.1數(shù)據(jù)采集原理和過程

地質雷達是一種無載波雷達，它向目標或地下發(fā)射的是具有一定周期且持續(xù)時間極短的脈沖。為了提高距離分辨力，目前發(fā)射脈沖的持續(xù)時間一般是在零點幾至幾個納秒（ns）之間，因此這種雷達信號所占的帶寬一般為幾百至幾千兆赫。雷達主機端的采集軟件產生觸發(fā)信號，控制高頻屏蔽天線向地下發(fā)射電磁波，電磁波遇到不同分界面時發(fā)生反射，產生的發(fā)射波被接收天線接收，對該信號進行程控增益放大和A/D轉換，并將得到的數(shù)字化雷達反射波信號通過處理在采集軟件上顯示，同時將該數(shù)據(jù)進行存儲。

3數(shù)據(jù)處理及解釋

地質雷達數(shù)據(jù)處理包括預處理（標記和樁號校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規(guī)則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在地質雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。

雷達數(shù)據(jù)處理是地質雷達最終成果解譯的重要步驟。常用的分析方法有常規(guī)濾波和其他濾波處理，主要工作有：零線設定；一維濾波；背景去噪；自動增益或手動增益控制；滑動平均等。其他濾波處理方法可結合具體探測情況進行選用，主要包括：小波變換；二維濾波；反褶積；數(shù)學運算等。地質雷達數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

就雷達時間剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一時間深度的雷達波橫向變化。對于常用材料，水的相對介電常數(shù)最大，空氣的最小，其它物質的介電常數(shù)介于二者之間。因此，當土體內出現(xiàn)病害時，其結構層構成組分的“固、液、氣”三相比也會發(fā)生相應變化，其相對介電常數(shù)的變化成為地質雷達方法探測地基缺陷的理論依據(jù)之一[8]。

4探測工程實例

下面就某地鐵路既有線探測工程實例進行說明。測線布置情況如圖4所示。

此次探測工程使用的是中國礦業(yè)大學（北京）MTGR-3Y型地質雷達系統(tǒng)。裝備包括MTGR-3Y型雷達主機，200MHz屏蔽天線。通過對現(xiàn)場地形的觀測，布置了共2條測線進行探測，其中測線1沿著砟肩，測線2沿著軌中，檢測時機車最高時速可達100Km/h。探測結果部分雷達剖面如下圖所示。

5結語

鐵路路基檢測具有測線較長、數(shù)據(jù)量較大、檢測速度較快等特點，通過上述實例和分析，中國礦業(yè)大學（北京）MTGR-3Y型地質雷達系統(tǒng)能夠很好的滿足鐵路路基檢測的需求，能夠準確判讀出是否存在病害，并精確定位病害位置，為路基病害的發(fā)現(xiàn)和處理提供了有效的數(shù)據(jù)支持。相信隨著地質雷達硬件不斷改進，軟件系統(tǒng)不斷完善，地質雷達在鐵路路基檢測的應用將會更加廣泛和高效。

參考文獻

[1] 楊峰， 彭蘇萍. 地質雷達探測原理與方法研究[M]. 科學出版社， 2010.

[2] 付國強.鐵路路基病害探地雷達新技術探測研究[J].路基工程.？2006（02）.

[3] 李大心.公路工程質量的探地雷達檢測技術[J]. 地球科學. 1996（06）.

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[6] 楊峰，著.地質雷達探測原理與方法研究[M]. 科學出版社， 2009.

[7] 曾提，徐興新，李富才，吳晉，吳相安. 地質雷達在探測南方巖溶地區(qū)堤壩隱患中的應用[J]. 地質與勘探. 1998（03）.

[8] 關建武，吳繼鋒. 探地雷達的應用條件[J]. 地下水. 2007（05）.

[9] 楊峰，彭蘇萍，劉杰，翟波，郝麗生. 襯砌脫空雷達波數(shù)值模擬與定量解釋[J]. 鐵道學報. 2008（05）.

作者簡介：王偉（1988-），男，陜西漢中南鄭人，中礦華安能源科技（北京）有限公司，主要從事地質雷達和淺層地震應用技術及方法研究。