地质雷达属性分析技术在路基检测中的应用

李耀南，王可刚，刘军，刘恒柏，瞿起明，郑金涛

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁路成都局集团有限公司 工务部，四川成都 610081）

0 引言

铁路路基是轨道基础组成部分之一，路基的状态直接影响列车运营安全［1-2］。截至2020年末，全国铁路营业里程14.63万km，随着我国铁路运营里程和运营时间的增长，路基各种隐伏病害逐渐显现，包括含水异常、翻浆冒泥、陷槽等，直接影响运输安全。如何及时准确掌握路基的健康状态，保障行车安全是当前亟需解决的关键问题。

20世纪80年代，芬兰首先利用地质雷达进行铁路检测；1994年，德国应用地质雷达进行道砟厚度检测，但是受数据采集方式及处理手段制约，检测效果不是十分理想；1998年，瑞士第一次成功地将地质雷达技术应用于铁路路基检测［3］。此后，许多国家都进行了相关试验，地质雷达技术开始在铁路路基检测中广泛使用。随着地质雷达硬件不断更新发展，其采样速度、实时显示技术、探测深度和精度方面都有不同程度地提高，但在采用地质雷达进行路基检测时，由于现场检测环境多变，检测对象类型多样，地质雷达反射波的直观特征较为复杂，检测结果存在多解性。各应用领域为解决多解性问题，将地震勘探领域的属性分析概念引入地质雷达资料解释中，如Young等［4］把地震属性分析方法应用到三维探地雷达数据分析中，利用相关分析对地层进行了精细刻画，得到了下伏地层的三维展布图；Bradford等［5］应用时频属性进行污染检测；张先武等［6］应用广义S变换进行层位识别；赵文轲［7］应用多属性拟合进行考古；刘杰［8］将雷达属性应用于路基含水状态识别等。

地质雷达属性在检测领域已得到广泛应用，但在路基病害解释中的应用较少。为进一步推进这方面研究工作，选取某有砟铁路中一段路基病害多发区段，首先对地质雷达数据进行常规处理，进而提取不同种类的雷达属性，分析不同病害类型的敏感属性，从而达到精细解释路基病害的目的。

1 地质雷达属性分类

地质雷达在数据采集方式和解释方式方面与经典地震勘探技术具有一定相似性，其属性是指反射电磁波经过数学变换，得到的构造学、波动学及统计学特征。

根据地质雷达属性与检测对象特征关联分析，参照地震属性分类方法［9］，从电磁波本身不同的表征特点出发，从应用的角度将地质雷达属性分成3类：构造属性、波动属性、多道属性，并在每一类中划分出基本属性和其他相关属性（见表1）。

表1 地质雷达常用属性分类

2 典型路基病害的地质雷达属性分析

2.1 实例概况

选取的实例位于我国西南地区，长度约5 km，属于典型的西南山区铁路，翻浆冒泥及含水异常等基床病害发育较多，为了准确得到该段线路基床病害分布情况，开展了路基地质雷达检测。检测发现多处翻浆冒泥及含水异常病害，并根据检测结果对该区段存在的路基病害进行了现场挖验（见图1）。

图1 路基病害现场挖验

2.2 地质雷达数据处理

地质雷达数据处理是雷达数据分析的重要环节。地质雷达检测过程中，受到很多环境因素的干扰。干扰信号降低了雷达信号的信噪比，要从原始数据中提取有用信号，必须对干扰信号进行处理，减少干扰信号产生的假异常，提高检测结果的准确性。常规数据处理流程主要包含以下几个步骤：

（1）数据预处理：预处理的主要目的是实现最终数据与实际里程的准确定位，是后续所有工作的基础。预处理工作主要包括数据文件处理、文件距离统一、里程校正等。通过人工标记与检测数据道进行校正，实现数据的空间同步。

（2）能量均衡：能量均衡的主要目的是消除道间能量差异及电磁波吸收扩散引起的能量差异，能量均衡工作主要包括振幅增益、道间均衡及道内均衡，通过能量均衡，可以对反射振幅进行恢复，得到地下介质真实反射能量。

（3）噪声压制：噪声压制主要目的是压制干扰信号，提高数据信噪比。噪声压制主要分为时间域滤波和频率域滤波。通过设置不同的滤波参数对不同属性噪声进行压制，提高数据信噪比。

（4）提高分辨率：提高分辨率的主要目的是提升对目标的分辨能力，主要有2种手段，反褶积是一种滤波方法，通过对子波进行压缩提高垂直分辨率；偏移处理也是一项针对分辨率的技术，主要目的是使绕射波收敛并使反射波归位，提高横向分辨率，最终获得较真实的地下构造图像。

针对实例采集的地质雷达数据，具体数据处理流程见图2。

图2 数据处理流程

2.3 地质雷达波形属性

地质雷达属性分类众多，研究主要针对路基病害本身的电磁波响应特征，因此主要对波形属性进行计算。

波形属性计算理论［10］主要是求取雷达信息与探测对象信息随时间变化的关系，理论上雷达子波可以分解为频率、相位和振幅项，其褶积模型雷达单道信号可以用下式表达：

式中：x(t)为雷达道；s(t)为激发子波；ξ(t)为反射系数；t为雷达波双程传播时间。

当非稀疏、非白化的反射系数序列与雷达子波褶积后，其运算结果不能采用最初的子波特性来进行描述，因此，常用单道反射波进行希尔伯特运算得到三瞬属性，即：

式中：f(t)为瞬时频率；θ(t)为瞬时相位；A(t)为瞬时振幅；xr(t)为实数雷达道；xi(t)为虚部雷达道。

三瞬属性常被用来描述雷达信息和检测对象间的变化，瞬时频率属性与提取信息部位地下介质的电磁波吸收衰减特性存在关系，含水后高频电磁信号吸收衰减，雷达剖面呈低频强反射特征；瞬时相位属性与提取部位地下介质的电性变化有关，当电磁波穿越不同电性特征的介质时，电磁波相位会发生变化，因此相位属性可以用来检测电性异常体的分布情况；瞬时振幅属性与提取信息部位的地下介质的反射系数有关，即与电磁波传播速度或介电常数有直接关系。除上述3种属性外，其他基于单道计算的雷达属性也是基于同一个单道反射信息计算出来的，与三瞬属性具有直接或间接相关性。因此，首先提取三瞬属性进行敏感性分析，再进行多属性分析，既可以节省计算时间，且避免多属性混淆造成识别困难。

2.4 典型病害属性分析

采用时频分析方法及三瞬属性对检测对象进行分析。图3为本次检测区段内一含水异常区段，图3（a）为雷达图谱，红框内为路基含水区段（经挖验验证），蓝框内为不含水路基；图3（b）为振幅谱，图内红线与蓝线分别对应图3（a）中红框、蓝框的路基振幅频率。从图3（a）可以看出，路基含水后，雷达剖面呈现界面低频强反射、振幅较大，界面平缓；从图3（b）可以明显看出路基含水后雷达波形高频端明显衰减，因此频率类属性可以作为判别路基含水异常的一个依据。

图3 检测区段内一含水异常区段

图4为路基含水区段的雷达图谱及三瞬属性图。黑框范围内为含水区段，雷达剖面呈现界面强反射、振幅较大，界面平缓；瞬变振幅剖面呈现明显强振幅，且与两侧正常区段振幅边界清晰，瞬时频率剖面呈现低频反射特征；瞬时相位剖面呈现明显相位变化，且边界刻画清晰。

图4 路基含水区段雷达图谱及三瞬属性

图5为本次检测区段内一翻浆冒泥异常区段的雷达图谱及三瞬属性图。黑框范围内为翻浆冒泥病害发育区段，雷达剖面呈现界面强反射、振幅较大，界面有一定起伏；瞬变振幅剖面呈现明显强振幅，且与两侧正常区段振幅边界清晰，瞬时频率剖面呈现低频反射特征，且频率杂乱；瞬时相位剖面呈现明显相位变化，且病害边界刻画清晰。

图5 翻浆冒泥异常区段雷达图谱及三瞬属性

通过上述分析可以看出，地质雷达三瞬属性及时频特征与路基含水、翻浆冒泥等病害具有很好的相关性，能够分别从不同角度反映路基病害的雷达反射波特征，可为精细刻画路基病害提供依据。

3 结论

铁路路基检测实例表明，路基含水、翻浆冒泥等典型病害与地质雷达反射波信号在时频特征及三瞬属性上存在明显相关性。研究结果显示：（1）路基含水后，雷达波形高频端较干燥路基有明显衰减；（2）路基翻浆冒泥时，雷达波反射振幅变强，高频衰减且频率杂乱，相位谱呈现明显变化。因此根据地质雷达数据进行路基病害解释时，不仅要从传统波形图像、反射同相轴等进行判别，同时也要结合地质雷达三瞬属性、时频特征等进行综合解释，才能挖掘更多有用信息，进一步提高解释精度。