摘 要：針對(duì)鐵路路基沉降、變形等病害帶來(lái)的安全隱患問(wèn)題，突出了地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基病害檢測(cè)中準(zhǔn)確、無(wú)損、便捷的性質(zhì)，能準(zhǔn)確的識(shí)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(cè)數(shù)據(jù)量大，檢測(cè)速度按快的需求。通過(guò)工程探測(cè)實(shí)例，說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)在對(duì)鐵路路基檢測(cè)中的高速、實(shí)用和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；鐵路路基；數(shù)據(jù)處理

1地質(zhì)雷達(dá)

1.1地質(zhì)雷達(dá)簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡(jiǎn)稱GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～2.5GHz）電磁波技術(shù)，是近年來(lái)一種新興的地下探測(cè)與混凝土建筑物無(wú)損探測(cè)的新技術(shù)，天線屏蔽干擾小，探測(cè)范圍廣，分辨率高，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)增強(qiáng)的功能，可進(jìn)行連續(xù)或單點(diǎn)透視掃描，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示二維剖面[1]。

當(dāng)雷達(dá)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(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)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(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成雷達(dá)掃描圖像，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。

實(shí)測(cè)時(shí)將雷達(dá)天線貼于被探測(cè)面，沿測(cè)線連續(xù)滑動(dòng)（或定點(diǎn)探測(cè)），采用手動(dòng)打標(biāo)進(jìn)行定位，根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設(shè)定空間采樣率，雷達(dá)主機(jī)實(shí)時(shí)記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)反射波的時(shí)間和振幅值，構(gòu)成連續(xù)雷達(dá)剖面。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時(shí)，根據(jù)所探測(cè)到的雙程旅行時(shí)，就可以求得目標(biāo)體的位置和埋深。應(yīng)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(cè)面以下介質(zhì)信息。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見(jiàn)圖1[2-7]。

1.2地質(zhì)雷達(dá)組成

實(shí)際應(yīng)用的地質(zhì)雷達(dá)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)四部分組成。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guò)程

地質(zhì)雷達(dá)是一種無(wú)載波雷達(dá)，它向目標(biāo)或地下發(fā)射的是具有一定周期且持續(xù)時(shí)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(shí)間一般是在零點(diǎn)幾至幾個(gè)納秒（ns）之間，因此這種雷達(dá)信號(hào)所占的帶寬一般為幾百至幾千兆赫。雷達(dá)主機(jī)端的采集軟件產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，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(shí)發(fā)生反射，產(chǎn)生的發(fā)射波被接收天線接收，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行程控增益放大和A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字化雷達(dá)反射波信號(hào)通過(guò)處理在采集軟件上顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3數(shù)據(jù)處理及解釋

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理（標(biāo)記和樁號(hào)校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規(guī)則和隨機(jī)干擾，以盡可能高的分辨率在地質(zhì)雷達(dá)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(lái)幫助解釋。

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是地質(zhì)雷達(dá)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(shè)定；一維濾波；背景去噪；自動(dòng)增益或手動(dòng)增益控制；滑動(dòng)平均等。其他濾波處理方法可結(jié)合具體探測(cè)情況進(jìn)行選用，主要包括：小波變換；二維濾波；反褶積；數(shù)學(xué)運(yùn)算等。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖3。

就雷達(dá)時(shí)間剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一時(shí)間深度的雷達(dá)波橫向變化。對(duì)于常用材料，水的相對(duì)介電常數(shù)最大，空氣的最小，其它物質(zhì)的介電常數(shù)介于二者之間。因此，當(dāng)土體內(nèi)出現(xiàn)病害時(shí)，其結(jié)構(gòu)層構(gòu)成組分的“固、液、氣”三相比也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，其相對(duì)介電常數(shù)的變化成為地質(zhì)雷達(dá)方法探測(cè)地基缺陷的理論依據(jù)之一[8]。

4探測(cè)工程實(shí)例

下面就某地鐵路既有線探測(cè)工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。測(cè)線布置情況如圖4所示。

此次探測(cè)工程使用的是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）MTGR-3Y型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。裝備包括MTGR-3Y型雷達(dá)主機(jī)，200MHz屏蔽天線。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形的觀測(cè)，布置了共2條測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，其中測(cè)線1沿著砟肩，測(cè)線2沿著軌中，檢測(cè)時(shí)機(jī)車最高時(shí)速可達(dá)100Km/h。探測(cè)結(jié)果部分雷達(dá)剖面如下圖所示。

5結(jié)語(yǔ)

鐵路路基檢測(cè)具有測(cè)線較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量較大、檢測(cè)速度較快等特點(diǎn)，通過(guò)上述實(shí)例和分析，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）MTGR-3Y型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)能夠很好的滿足鐵路路基檢測(cè)的需求，能夠準(zhǔn)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(zhì)雷達(dá)硬件不斷改進(jìn)，軟件系統(tǒng)不斷完善，地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基檢測(cè)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和高效。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)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(zhì)雷達(dá)和淺層地震應(yīng)用技術(shù)及方法研究。