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據量大，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、實用和優越性。

關鍵詞：地質雷達；鐵路路基；數據處理

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，具有實時數據處理和信號增強的功能，可進行連續或單點透視掃描，現場實時顯示二維剖面[1]。

當雷達系統利用天線向地下發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，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，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，沿測線連續滑動（或定點探測），采用手動打標進行定位，根據系統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，構成連續雷達剖面。當地下介質的波速已知時，根據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射天線系統、接收天線系統、控制單元、微型計算機系統四部分組成。地質雷達系統結構圖如圖2所示。

2數據采集

2.1數據采集原理和過程

地質雷達是一種無載波雷達，它向目標或地下發射的是具有一定周期且持續時間極短的脈沖。為了提高距離分辨力，目前發射脈沖的持續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信號，控制高頻屏蔽天線向地下發射電磁波，電磁波遇到不同分界面時發生反射，產生的發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，同時將該數據進行存儲。

3數據處理及解釋

地質雷達數據處理包括預處理（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。

雷達數據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；數學運算等。地質雷達數據處理流程見圖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，水的相對介電常數最大，空氣的最小，其它物質的介電常數介于二者之間。因此，當土體內出現病害時，其結構層構成組分的“固、液、氣”三相比也會發生相應變化，其相對介電常數的變化成為地質雷達方法探測地基缺陷的理論依據之一[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大學（北京）MTGR-3Y型地質雷達系統。裝備包括MTGR-3Y型雷達主機，200MHz屏蔽天線。通過對現場地形的觀測，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、數據量較大、檢測速度較快等特點，通過上述實例和分析，中國礦業大學（北京）MTGR-3Y型地質雷達系統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，為路基病害的發現和處理提供了有效的數據支持。相信隨著地質雷達硬件不斷改進，軟件系統不斷完善，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）.

[4] 謝昭暉.地下不同目標體的探地雷達圖像特征研究[J].工程地球物理學報. 2005（01）.

[5] 袁明德.探地雷達探測地下管線的能力[J].物探與化探.2002（02）.

[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。