地质雷达高速探测方法在铁路路基检测中的应用

摘 要：针对铁路路基沉降、变形等病害带来的安全隐患问题，突出了地质雷达在铁路路基病害检测中准确、无损、便捷的性质，能准确的识别出病害的位置、深度以及类型的特性以及满足铁路路基检测数据量大，检测速度按快的需求。通过工程探测实例，说明地质雷达在对铁路路基检测中的高速、实用和优越性。

关键词：地质雷达；铁路路基；数据处理

1地质雷达

1.1地质雷达简介

地质雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～2.5GHz）电磁波技术，是近年来一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损探测的新技术，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强的功能，可进行连续或单点透视扫描，现场实时显示二维剖面[1]。

当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成雷达扫描图像，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。

实测时将雷达天线贴于被探测面，沿测线连续滑动（或定点探测），采用手动打标进行定位，根据系统配置和天线滑行速度设定空间采样率，雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。当地下介质的波速已知时，根据所探测到的双程旅行时，就可以求得目标体的位置和埋深。应用专业软件，分析反射波同相轴的波形和波阻特征，就可以获得探测面以下介质信息。地质雷达工作原理见图1[2-7]。

1.2地质雷达组成

实际应用的地质雷达主要由发射天线系统、接收天线系统、控制单元、微型计算机系统四部分组成。地质雷达系统结构图如图2所示。

2数据采集

2.1数据采集原理和过程

地质雷达是一种无载波雷达，它向目标或地下发射的是具有一定周期且持续时间极短的脉冲。为了提高距离分辨力，目前发射脉冲的持续时间一般是在零点几至几个纳秒（ns）之间，因此这种雷达信号所占的带宽一般为几百至几千兆赫。雷达主机端的采集软件产生触发信号，控制高频屏蔽天线向地下发射电磁波，电磁波遇到不同分界面时发生反射，产生的发射波被接收天线接收，对该信号进行程控增益放大和A/D转换，并将得到的数字化雷达反射波信号通过处理在采集软件上显示，同时将该数据进行存储。

3数据处理及解释

地质雷达数据处理包括预处理（标记和桩号校正等）和后处理分析，其目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。

雷达数据处理是地质雷达最终成果解译的重要步骤。常用的分析方法有常规滤波和其他滤波处理，主要工作有：零线设定；一维滤波；背景去噪；自动增益或手动增益控制；滑动平均等。其他滤波处理方法可结合具体探测情况进行选用，主要包括：小波变换；二维滤波；反褶积；数学运算等。地质雷达数据处理流程见图3。

就雷达时间剖面分析而言，主要分析沿水平方向同一时间深度的雷达波横向变化。对于常用材料，水的相对介电常数最大，空气的最小，其它物质的介电常数介于二者之间。因此，当土体内出现病害时，其结构层构成组分的“固、液、气”三相比也会发生相应变化，其相对介电常数的变化成为地质雷达方法探测地基缺陷的理论依据之一[8]。

4探测工程实例

下面就某地铁路既有线探测工程实例进行说明。测线布置情况如图4所示。

此次探测工程使用的是中国矿业大学（北京）MTGR-3Y型地质雷达系统。装备包括MTGR-3Y型雷达主机，200MHz屏蔽天线。通过对现场地形的观测，布置了共2条测线进行探测，其中测线1沿着砟肩，测线2沿着轨中，检测时机车最高时速可达100Km/h。探测结果部分雷达剖面如下图所示。

5结语

铁路路基检测具有测线较长、数据量较大、检测速度较快等特点，通过上述实例和分析，中国矿业大学（北京）MTGR-3Y型地质雷达系统能够很好的满足铁路路基检测的需求，能够准确判读出是否存在病害，并精确定位病害位置，为路基病害的发现和处理提供了有效的数据支持。相信随着地质雷达硬件不断改进，软件系统不断完善，地质雷达在铁路路基检测的应用将会更加广泛和高效。

参考文献

[1] 杨峰， 彭苏萍. 地质雷达探测原理与方法研究[M]. 科学出版社， 2010.

[2] 付国强.铁路路基病害探地雷达新技术探测研究[J].路基工程.？2006（02）.

[3] 李大心.公路工程质量的探地雷达检测技术[J]. 地球科学. 1996（06）.

[4] 谢昭晖.地下不同目标体的探地雷达图像特征研究[J].工程地球物理学报. 2005（01）.

[5] 袁明德.探地雷达探测地下管线的能力[J].物探与化探.2002（02）.

[6] 杨峰，著.地质雷达探测原理与方法研究[M]. 科学出版社， 2009.

[7] 曾提，徐兴新，李富才，吴晋，吴相安. 地质雷达在探测南方岩溶地区堤坝隐患中的应用[J]. 地质与勘探. 1998（03）.

[8] 关建武，吴继锋. 探地雷达的应用条件[J]. 地下水. 2007（05）.

[9] 杨峰，彭苏萍，刘杰，翟波，郝丽生. 衬砌脱空雷达波数值模拟与定量解释[J]. 铁道学报. 2008（05）.

作者简介：王伟（1988-），男，陕西汉中南郑人，中矿华安能源科技（北京）有限公司，主要从事地质雷达和浅层地震应用技术及方法研究。