CN107748392B - 一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路工程检测技术领域，针对现有技术存在的问题，本发明供一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法及装置。本发明对地质雷达电磁波进行正演模拟，初步建立路基缺陷图谱，分析各种类型地质雷达图像中模拟缺陷图谱的特征规律，形成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；设置典型路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，分别对应生成压实区和路基典型缺陷试验区的剖面灰度图或波形图；根据模拟的地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别总结出铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库；通过上述地质雷达典型缺陷图谱特征库，对实际铁路路基进行快速无损检测和缺陷判别。

Description

一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路工程检测技术领域，尤其是一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法级装置。

背景技术

1、传统的铁路路基检测方法。当前，评定铁路路基压实质量的检测指标有很多，主要分为物理指标与力学指标。其中，物理指标包含压实系数k、孔隙率n、相对密度Dr等；力学指标包含地基系数K30、变形模量Ev2、动态变形模量Evd等。这些传统的检测方法存在以下三个方面的不足，一是无法对路基填筑质量进行整体评价，二是其抽检数量有限，存在检测死角，三是检测耗时，检测效率低，直接影响施工进度。

2、地质雷达在其他领域中的应用。地质雷达检测技术现已广泛应用于隧道工程检测、地质调查、岩土工程及其环境监测等方面，已经形成相关的缺陷图谱识别技术，但在铁路路基填筑质量探测方面处于探索阶段，还未形成成熟的检测方法标准和路基缺陷识别技术方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法及装置。采用铁路路基地质雷达缺陷图谱识别方法，解决地质雷达在铁路路基填筑质量检测中对路基缺陷无法判别和准确定性的问题，同时也为铁路路基无损探测提供了技术支持。

本发明采用的技术方案如下：

一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法包括：

对地质雷达电磁波进行正演模拟，初步建立路基缺陷图；根据路基缺陷图分析各种类型地质雷达图像中模拟缺陷图谱的特征规律，形成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

设置典型路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，分别对应生成压实区和路基典型缺陷试验区的剖面灰度图或波形图；

根据模拟的铁路路基地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别形成铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库；

通过上述地质雷达典型缺陷图谱特征库，对实际铁路路基进行快速无损检测和缺陷判别。

其中，路基缺陷试验区包括大块石试验区、细颗粒试验区、空洞试验区、粗颗粒试验区、软黏土试验区(软弱夹层)以及不密实试验区。

进一步的，所述正演模拟具体过程是：

采用GprMax2D软件对层状介质模型、矩形目标模型、圆形目标模型以及复杂模型进行正演模拟，形成了双层介质几何模型、三层介质几何模型、软弱层几何模型、矩形空洞几何模型、矩形溶洞几何模型、大块石几何模型、多大块石几何模型、多圆形空洞几何模型、双层多圆形空洞几何模型以及多形状空洞模型的10个模型；

通过matlab对上述10个模型，进行模拟图像的处理，分别对应得到双层介质模型模拟缺陷图、三层介质模型模拟缺陷图、软弱层模型模拟缺陷图、矩形空洞模型模拟缺陷图、矩形溶洞模型模拟缺陷图、大块石模型模拟缺陷图、多大块石模型模拟缺陷图、多圆形空洞模型模拟缺陷图、双层多圆形空洞模型模拟缺陷图、多形状空洞模型模拟缺陷图；

根据上述所有缺陷图，生成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库。

进一步的，层介质模型中，层与层之间由于电性参数的差异，在层介质模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时至少存在层分界面特征：根据电磁波在介质层中的传播速度v及走时t，算出路基缺陷深度s，进而确定层分界面的具体位置；其中s=v*t，

，不同层介质模型模拟缺陷图中ε不同；ε是经验值；

矩形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时存在层分界面特征，根据电磁波的传播速度v以及双程走时t，推算出算出路基缺陷深度s，进而确定目标体的位置与大小；其中s=v*t，

，不同矩形模型模拟缺陷图ε不同；ε是经验值；c表示光传播速度；

圆形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时目标体图像呈现出双曲线特征。

进一步的，各个层介质模型、矩形模型中不同经验值ε、t得到不同s；层介质模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征具体形成过程是：

1）双层介质模型中算出路基缺陷深度s，则双层介质模型的分界面在距离顶层垂直距离为s的面为双层介质模型分界面；

2）三层介质模型中算出路基缺陷深度s，则三层介质模型的第一个分界面为距离顶层距离为s的面为三层介质模型第一层分界面；顶层到第一层分界面为第一层介质，第一层分界面朝向地下方向为第二层介质；

然后计算电磁波在第二层介质中不同的ε计算电磁波在第二层介质中的传播速度v2，测得电磁波在第二层介质走时t1，计算第二层介质路基缺陷深度s1，则三层介质模型的第二个分界面为距离第一次分界面距离为s1的面为三层介质模型第二层分界面；

由此，得到三层介质模型的两个分界面以及路基缺陷深度不同的三个介质层；

3）软弱层模型中算出路基缺陷深度s，则软弱层模型中第一个分界面为距离顶层距离为s的面为三层介质模型第一层分界面；顶层到第一层分界面为第一层介质，第一层分界面朝向地下方向为第二层介质；

然后计算电磁波在第二层介质中不同的ε计算电磁波在第二层介质中的传播速度v2，测得电磁波在第二层介质走时t1，计算第二层介质路基缺陷深度s1，则三层介质模型的第二个分界面为距离第一次分界面距离为s1的面为三层介质模型第二层分界面；

由此，得到三层介质模型的两个分界面以及第一介质层、第三介质层路基缺陷深度相同，并且与第二介质层缺陷深度不同的三个介质层。

进一步的，各个矩形模型不同经验值ε、t得到不同s；矩形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时存在层分界面特征具体过程是：

1）矩形空洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征过程：电磁波在距离地面走时t时，形成x道采集线宽度的第一次水平反射界面，该水平反射界面是矩形空洞的上边界反射直线，根据x道采集线宽度计算该反射直线宽度X；通过电磁波在该层介质传播速度v，计算得到矩形空洞上层边界到空气距离s=vt；

矩形空洞模型中电磁波从直线宽度X的反射面再次进行反射，形成第二次反射面；

根据电磁波在第一次反射面和第二次反射面之间的走时t2与空气的相对介电常数计算电磁波在空洞中的行走距离s2=介电常数*t2；即矩形空洞高度为s2，宽度为X；或，

2）矩形溶洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征过程：

在1）基础上，得到第一次水平反射界面，反射直线宽度X以及第二次反射面；

第二次反射面即高度为s2，宽度为X矩形空洞中水和空气的分界面；

第三次反射面即高度为s2，宽度为X矩形空洞底面。

进一步的，在圆形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时至少存在特征：目标体图像呈现出双曲线特征。

1）大块石模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征：因为大块石和土介质的介电性质的差异，两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线；形成大块石形状区域；

2）多大块石模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征：大块石和土介质两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线，图像中呈现出双曲线的特征；另外，在多大块石模型中的模拟图像中，双曲线相互交叉；

3）多圆形空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：多圆形空洞模型的图像特征同单个圆形空洞的一样，具有双曲线特征，双曲线沿着圆形空洞壁呈扩大的趋势；双曲线的个数即是空洞的个数；

4）双层多圆形空洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征是：双层圆形空洞模型模拟结果图像中有双曲线，然后下端出现多条双曲线状反射线；

5）多形状空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷图谱特征是：是包括矩形空洞和圆形空洞组装形成，其中圆形空洞的反射波线是双曲线，矩形空洞的则在矩形顶面反射成一段水平线段，在水平段两端由于矩形顶点的绕射表现出双曲线特点。

进一步的，铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱库特征具体包括：不密实试验区路基缺陷特征、软弱层试验区路基缺陷特征、空洞试验区路基缺陷特征、细颗粒试验区特征、大块石试验区路基缺陷特征；各个路基缺陷特征分别对应与铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征相同。

进一步的，利用地质雷达无损检测设备进行路基缺陷试验区现场测试时，沿线路走向和垂直方向并经过各异常区中心进行检测，对路基雷达数据进行多次采集，在后期雷达图像处理中选取效果最好的数据进行编辑处理。

进一步的，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，生成路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图时，对地质雷达无损检测设备采集的雷达图像通过radan7软件进行预处理。

基于所述铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法的分析装置包括：

路基缺陷特征库模块，用于对地质雷达电磁波进行正演模拟，建立路基缺陷图库，根据路基缺陷图分析各种类型地质雷达图像中模拟缺陷图谱的特征规律，形成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

灰度图或波形图生成模块，用于设置典型路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，分别对应生成压实区和路基典型缺陷试验区的剖面灰度图或波形图；

特征规律库生成模块，用于根据模拟的铁路路基地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别形成铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库；

缺陷评测模块，用于通过上述地质雷达典型缺陷图谱特征库，对实际铁路路基进行快速无损检测和缺陷判别。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用铁路路基地质雷达缺陷图谱识别方法，解决地质雷达在铁路路基填筑质量检测中对路基缺陷无法判别和准确定性的问题，同时也为铁路路基无损探测提供了技术支持。

1、地质雷达法探测路基能快速测试路基压实质量，提高检测效率。

2、该方法能提供地质雷达法探测铁路路基的图谱识别技术，对路基缺陷进行定性判别。

3、地质雷达法探测路基能对路基填筑质量进行整体评价。

4、地质雷达法探测路基能对路基填筑质量实施有效连续探测，避免了传统检测方法带来的抽检数量有限和存在检测死角等局限性。

5、通过建立铁路路基缺陷地质雷达图谱库识别技术，能快速测试路基压实质量，准确定性路基缺陷类别，提高检测效率。

6、地质雷达图谱识别方法直观，操作性强，对路基填筑质量起到有效监控作用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是地质雷达测线布置图。

图2是不密实区电磁波波形图；

图3是空洞电磁波波形图；

图4是大块石区电磁波波形图

图5是软弱层区电磁波波形图

图6是细颗粒区电磁波波形图

图7是双层介质几何模型图

图8是三层介质几何模型

图9是软弱层几何模型图

图10是矩形空洞几何模型图

图11是矩形溶洞几何模型图

图12是大块石几何模型图

图13是多大块石几何模型图

图14是多圆形空洞几何模型图

图15是双层多圆形空洞几何模型图

图16是多形状空洞模型图

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明工作过程：

步骤1：GprMax2D对地质雷达电磁波进行正演模拟研究，建立路基缺陷图库；分析各种类型地质雷达图像中缺陷的特征形成路基缺陷特征库

步骤2、设置不同路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试；开展路堤填筑缺陷地质雷达检测试验，设置不同路基缺陷试验区（包括：压实区域、不密实区域、空洞、大块石区域、软弱夹层区域以及细颗粒区域），利用地质雷达无损检测设备进行现场测试；

步骤3、利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图。

步骤4、根据路基缺陷特征库的参考，对上述生成路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比，生成路基缺陷规律库；根据路基缺陷特征库的参考，对压实区的剖面灰度图或波形图进行对比，生成压实路基规律库；

步骤5：通过上述路基缺陷特征规律库以及压实路基特征规律库，对实际地质路基进行缺陷评测。

具体实施例一：

在涪秀二线二标段路堤段(k192+898~k192+948)进行路基异常区地质雷达无损检测试验研究。按照从大里程到小里程分别设置大块石试验区，细颗粒试验区，空洞试验区，粗颗粒试验区，软黏土试验区(软弱夹层)以及不密实试验区。在路基缺陷试验区布置前先对路基进行地质雷达无损检测，对路基进行雷达扫描，采集路基地下的信息。各个试验区填埋完毕，用压路机对整个实验路堤段进行了振动碾压，之后对路基填筑质量再次进行地质雷达法的检测，采集路基地下信息图像。

整个实验中，运用美国GSSI单位制造的SIR-3000型号的地质雷达（地质雷达方法是近年来迅速发展的高新探测技术，主要利用主频为数十兆赫兹值千兆赫兹波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或底层的界面反射后返回地面，为雷达天线接收器所接收。通过对所接受的雷达信号进行处理和图像解释，达到探测地下目的体的目的。地址雷达的探测原理是根据土质、岩层及其他物质导电率（电阻率的倒数）及介电常数的不同、以及相邻两种物质的电性、物性差异作为测试条件，形成反射界面而探测地下目的体）进行检测，基于试验异常区的深度在2m左右，根据地质雷达实测工作参数要求，配备200MHz的地面耦合一体化天线，采样时间间隔为0.25ms。整个实验检测过程中，采用连续测量方式进行检测，移动过程控制一定的速度，在不同的路基试验区便于人工标定。

试验中因为各个异常区中心线大概在一条直线上，所以将各异常区中心连线作为测线。分别沿测线进行地质雷达检测，沿线路走向和垂直方向并经过各异常区中心进行检测，对路基雷达数据进行多次采集，在后期雷达图像处理中选取效果最好的数据进行编辑以期达到最好的解译。雷达测线布置如图1所示。

利用GprMax2D进行地质雷达电磁波正演模拟，分别模拟不良地质体(空洞、溶洞)，分层介质填料等多种复杂模型；通过matlab对上述10个模型，进行模拟图像的处理，分别对应得到双层介质模型模拟缺陷图、三层介质模型模拟缺陷图、软弱层模型模拟缺陷图、矩形空洞模型模拟缺陷图、矩形溶洞模型模拟缺陷图、大块石模型模拟缺陷图、多大块石模型模拟缺陷图、多圆形空洞模型模拟缺陷图、双层多圆形空洞模型模拟缺陷图、多形状空洞模型模拟缺陷图；根据上述所有缺陷图，生成路基模拟缺陷特征图谱库；

根据模拟的铁路路基地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别总结出铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库。

实施例二：在实施例一基础上，所述正演模拟具体过程是：

步骤11：采用GprMax2D软件对层状介质模型、矩形目标模型、圆形目标模型以及复杂模型进行正演模拟，形成了双层介质几何模型、三层介质几何模型、软弱层几何模型、矩形空洞几何模型、矩形溶洞几何模型、大块石几何模型、多大块石几何模型、多圆形空洞几何模型、双层多圆形空洞几何模型以及多形状空洞模型的10个模型；

在层状介质模型中，层与层之间由于电性参数的差异，在仿真图像中有明显的层分界面，并能根据电磁波在介质层中的传播速度及走时，算出层分界面的具体位置；在矩形模型模拟图像中，矩形目标体的上顶面都有一段水平段，两端呈现出双曲线的特征，曲线半径较大，并能根据电磁波的传播速度以及双程走时，推算出目标体的位置与大小。分别把天线频率、目标体埋深、目标体大小作为单一标量对矩形空洞进行模拟，得出在矩形空洞模型条件下，200MHz为最佳探测频率，最大探测埋深为2.5m，最小探测目标体大小为0.1m×0.1m；在圆形模型中，目标体图像呈现出双曲线特征，曲线半径较小。在复杂模型中，圆形和矩形目标体仿真图像表现的特征都与单一目标体仿真图像所体现的特征一致，但因为多个缺陷的分界面的反射与多次反射，无法明确判断缺陷目标体所在的大小；

步骤12：通过matlab对上述10个模型，进行模拟图像的处理，分别对应得到双层介质模型模拟缺陷图、三层介质模型模拟结果缺陷图、软弱层模型模拟结果缺陷图、矩形空洞模型模拟结果缺陷图、矩形溶洞模型模拟结果缺陷图、大块石模型模拟结果缺陷图、多大块石模型模拟结果缺陷图、多圆形空洞模型模拟结果缺陷图、双层多圆形空洞模型模拟结果缺陷图、多形状空洞模型模拟结果缺陷图；

步骤13：根据上述所有缺陷图，生成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

实施例三：路基缺陷图谱生成路基缺陷图谱具体包括是：

双层介质模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：因为介质的均匀性，雷达波反射形成的介质界面水平、连续。最顶端深色直线为空气直达波，直达波下面黄色直线为空气与第一层介质的分界面，由于雷达波能量大，反射强烈，分界面比较明显。例如：在42ns附近出现的贯穿全图的直线为第一层介质与第二层介质的分界线，电磁波在第一层介质中双程走时为35ns左右。根据式

(ε=12)，知电磁波在第一层介质中的行走速度为0.87×10⁸m/s，电磁波共走了约1.52m，所以第一层介质的深度约为1.52m，与双层介质几何模型所描述的位置相符合。

三层介质模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：例如：在42ns附近出现的贯穿全图的直线为第一层介质与第二层介质的分界线，与图5二层介质模型模拟结果相同。电磁波在新添加第二介质层中的双程走时约为20ns，根据式

(ε=9)，知电磁波在第二层介质中的行走速度为1×10⁸m/s，所以电磁波共走了约1m，即第二层介质的厚度约为1m，与三层介质几何模型所描述的位置相吻合。

第二层与第三层介质的反射界面也比第一层与第二层介质的反射界面更加明显。由此得知：介质层之间的相对介电常数差异越大，它们的反射波振幅也会变大，相应的在模拟图像中反射界面会更加明显。

软弱层模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：软弱层因和周围介质电性参数不同，在模拟图像中有明显的水平分界线。例如：在71ns附近出现的贯穿全图的直线为软弱层上界面，在76ns附近出现的贯穿全图的直线为软弱层下界面，在软弱层中电磁波的双行走时为5ns，根据式

(ε=10)，知电磁波在第一层介质中的行走速度为0.95×10⁷m/s，电磁波共走了约0.237m，与软弱层厚度0.2m比较相近。电磁波到达软弱层上界面所用走时为66ns左右，同理，可计算出其距路基土表面的距离为2.858m，与几何模型中的2.8m比较符合。

矩形空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：例如：在40ns处有宽约34道采集线宽度的水平反射界面，是矩形空洞的上边界反射直线，宽度约为2.04m，与图11矩形空洞几何模型中的长度尺寸2m相符合；从空气到矩形空洞上边界反射界面出现的时间大约为34ns，电磁波在该土层介质中的传播速度为0.87×10⁸m/s，所以电磁波行走的双程为2.96m，即矩形空洞上层边界到空气的距离大约为1.48。与空洞实际1.5m相符合；从上边界反射面到下边界反射面出现的时间大约为11ns，空气的相对介电常数为1，所以电磁波在空洞中行走的距离大约为1.65m，与矩形空洞几何模型中宽度尺寸1.5m相符合。异常区域的面积为2.04m×1.65m，与实际缺陷模拟区域大小相差无几。

矩形溶洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：半充水矩形溶洞图像反射线顶端有一段水平线，水平线两端呈现双曲线特征，溶洞顶端反射较强，两端较弱。空气的介电常数为1，水的介电常数为81，两者电性相差较大，两者界面反射较强较易分辨出来。

例如：在40ns处有宽约34道采集线宽度的水平反射界面，是矩形溶洞的上边界反射直线，宽度约为2.04m，与矩形溶洞几何模型中的长度尺寸2m相符合；从空气到矩形溶洞上边界反射界面出现的时间大约为34ns，电磁波在该土层介质中的传播速度为0.87×10⁸m/s，所以电磁波行走的双程为2.96m，即矩形溶洞上层边界到空气的距离大约为1.48，与溶洞实际1.5m相符合；从上边界反射面到水界反射面出现的时间大约为5ns，空气的相对介电常数为1，所以电磁波在空洞中行走的距离大约为0.75m，与矩形溶洞几何模型中尺寸0.75m相一致。但是由于雷达波在水中的消耗以及溶洞地面的反射波干扰，已经无法从图像中分辨出溶洞底面所在位置。相比矩形空洞，含水溶洞反射线更加多，且由于水的干扰反射线变得紊乱，而且在水对电磁波的吸收下，多次反射线变得短小不明显。

大块石模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：因为大块石和土介质的介电性质的差异，两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线，图像中呈现出双曲线的特征，这与圆形空洞在正演模拟结果图像中的特征具有相似性。

多大块石模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：大块石和土介质两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线，图像中呈现出双曲线的特征，这点与大块石模型结果图像特征相同。另外，在多大块石模型中的模拟图像中，双曲线相互交叉，双曲线排列规律和几何模型中的大块石的排列息息相关。经过简单计算，同圆形空洞一样，无法通过模拟结果图像中确定目标体的具体位置，具体尺寸。在多个大石块之间出现多次反射，出现了些许干扰反射波，这些干扰信号断断续续，没有规律。

多圆形空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：多圆形空洞模型的图像特征同单个圆形空洞的一样，具有明显的双曲线特征，双曲线沿着圆形空洞壁呈扩大的趋势，曲线半径较大。在其较远下部有很多水平状的反射线；双曲线的个数即是空洞的个数，在相互重叠后也清晰可见。

双层多圆形空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：双层圆形空洞模型的图像特征与多圆形空洞模型的图像特征很为相似，但是，双层圆形空洞模型模拟结果图像中双曲线下面紧接着多了很多较多反射线，这些反射线也成双曲线状，是第二层圆形空洞反射的结果，但在多次反射波反射干涉下，变得模糊。

多形状空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：矩形空洞和圆形空洞组装在一起还是会呈现出各自的特征，圆形空洞的反射波线是双曲线，矩形空洞的则在矩形顶面反射成一段水平线段，在水平段两端由于矩形顶点的绕射表现出双曲线特点。图像下面还有很多水平短线，是因为目标体多次反射的结果。

实施例四：铁路路基实测路基缺陷图谱库特征具体包括：不密实试验区路基缺陷特征、软弱层试验区路基缺陷特征、空洞试验区路基缺陷特征、细颗粒试验区特征、大块石试验区路基缺陷特征；

1、压实路基地质雷达图谱规律：

参考图2，从地质雷达探测到的图像分析，雷达波的同相轴连续，相对平整，波宽振幅变化较小，反射波能量比较均匀，反射波层分布较为分明清晰，反映了压实土层较为密实，成层填筑效果较好。

2、不密实区路基缺陷特征：

参考图2，不密实区可能因为地下土层比较疏松造成，也可能是在路基填筑或开挖过程中的强扰动导致的土层松缓、密度低。路基填筑不密实，压实指标不满足规范要求，会造成路基承载力不足，路基沉降严重。在试验区用地质雷达检测到的图谱利用Radan7做了距离归一化、堆叠处理；雷达反射波同相轴错乱，出现间断，而且有很多分支且无规则，该区域的波宽变窄，出现了错乱的团块状或条带状雷达波反射，反射也较为强烈。这些特征反映了该区域的填筑不紧实。该不密实区出现的埋深位置接近土层表面，这与不密实试验区布置的情况也相一致。从该区域电磁波波形图中也可看到电磁波反射在遇到不密实区反射突然变得强烈，振幅变大。

3、空洞试验区路基缺陷特征：

参考图3，空洞是指路基开挖或填筑过程中强扰动导致而成，又或者地下本身存在。空洞的存在会造成路基失去稳定性，给铁路运行安全性造成极大的威胁。空洞中空气相对介电常数较低，电阻率较高。从空洞地质雷达扫描灰度图分析，在深度约为1m的地方出现空洞异常情况，这与实际空洞试验管道埋深位置0.95m较为接近；空洞异常区的雷达扫描图像呈现双曲线波形特征，且双曲线顶部能量比较多，反射比较强烈，这与利用GprMax2D软件对地质雷达电磁波正演结果图像中缺陷所具有的特征相一致。从该区域的电磁波波形图中也可以看到电磁波反射遇到空洞后出现强反射，波形变得杂乱，并出现相位相反的情况。

4、大块石试验区路基缺陷特征：

参考图4，大块石试验区的雷达深度剖面图中呈现出双曲线反射弧特征，因为大块石和周围填料介质电性差异较大，该区域的反射比较强烈，反射波振幅较大。因为多个大石块不规则堆放在一起，因为多次反射波的影响，雷达扫描出的图像特征没有正演模拟中大块石试验区电磁波反射特征明显。图像中大块石埋深约为1m，与其实际位置0.96m较为接近。从电磁波波形图可以看出，大块石缺陷与空洞缺陷在波形图中有着显著的区别：当地电磁波途径空洞缺陷，波形振相成为反向，而大块石缺陷的波形振相没有反向，仅是波幅变大。。

大块石地质雷达图谱识别：路基填埋中，若填料含有大量的碎石块、大石块，级配不满足规范要求，可能会造成路基的不均匀沉降等危害，势必为路基质量埋下隐患。综合雷达深度剖面灰度图分析可得：大块石试验区的雷达深度剖面图中呈现出双曲线反射弧特征，因为大块石和周围填料介质电性差异较大，该区域的反射比较强烈，反射波振幅较大。因为多个大石块不规则堆放在一起，因为多次反射波的影响，雷达扫描出的图像特征没有正演模拟中大块石试验区电磁波反射特征明显。图像中大块石埋深约为1m，与其实际位置0.96m较为接近。从电磁波波形图4可以看出，大块石缺陷与空洞缺陷在波形图中有着显著的区别：当地电磁波途径空洞缺陷，波形振相成为反向，而大块石缺陷的波形振相没有反向，仅是波幅变大。

5、软弱层试验区路基缺陷特征：

参考图5，软弱夹层作为路基常见病害，如果软弱夹层路基含水饱和度增大，基床土渐渐软化，土的强度会极大降低；路基在火车动荷载长期作用下，软弱夹层路基填料会发生较大塑性变形，严重危害火车的正常运行。软弱层电磁波反射强烈，与正常填筑层界面清晰，与软弱层的正演模拟结果中的波形特征也是相一致的；反射波并没严重的错乱，间断现象，因反射强烈，反射波显得较为突出；电磁波在软弱层中被吸收严重，电磁波衰减程度较大，下部反射能量被严重削减，所以雷达图像中软弱层下部分辨率下降，比较模糊。试验坑壁与周边填料有着清楚的界线，雷达波同相轴有着些许的错动。灰度图以及波形图中软弱层埋深约为1m，与其实际位置1.04m接近。

6、细颗粒试验区特征：

该区域的电磁波波形图参考图6，路基填料中细颗粒含量超标，填料级配不良，很容易诱发路基灾害，影响路基质量。从细颗粒区的雷达灰度图中可以看到该异常区有着明显的反射界面，反射波呈现团块状。异常区出现的埋深为0.9m左右，与其实际埋深位置0.92比较相符。由于细颗粒异常区的填埋厚度较浅，在试验区设置完毕耐压过程中中部位置可能被填料填充，在雷达剖面图中中部位置因此没有明显的反射现象；另外，探地雷达在该区域人工扫面时可能因为缺陷区地面下沉，造成地面不平整，雷达天线与地面耦合不好，在图像中部没有出现明显的反射波。这与其波形图中沉呈现的中部位置两边有明显的波形异常相一致。

利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，生成路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图时，对地质雷达无损检测设备采集的雷达图像通过radan7软件进行预处理：通过对实测连续地质雷达图像的分析，可以得出路基土体分布性质，进而得到路基在碾压填筑后的质量情况，实现连续无损检测。地质雷达法也可和传统路基压实质量检测方法相结合，对路基压实的效果做综合判定，提高检测效率，节省检测成本。

用地质雷达采集的原始文件中包含了很多外界环境干扰数据，包括：地形的干扰、天线上方物体的干扰以及天线耦合差的干扰等。所以在实际记录雷达数据时，既要考虑地下介质层的信号，还要处理原始数据来减少干扰信号。铁路路基进行雷达检测时的干扰有很多，包括接触网杆造成的扰动，临近既有线火车的运行造成的干扰，铁路高压线的电磁扰动等等。这些干扰因素都会减少雷达采集信号的信噪比，对从采集到的雷达信号的解释工作造成一定麻烦，甚至无法正确解读采集的信号数据，为此，采取一些减少或者消除干扰因素的方法，对于正确解读雷达数据有着十分重要的意义。

为了更好地从地质雷达扫描到的图像中分析解读数据，利用radan7软件对雷达图像进行编辑，编辑的项目内容主要包括：编辑数据块、距离归一化、颜色表的选择、背景消除、区标记与里程的确定以及区域增益等等。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法，其特征在于包括：

对地质雷达电磁波进行正演模拟，初步建立路基缺陷图；根据路基缺陷图分析各种类型地质雷达图像中模拟缺陷图谱的特征规律，形成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

设置典型路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，分别对应生成压实区和路基典型缺陷试验区的剖面灰度图或波形图；

根据模拟的铁路路基地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别形成铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库；

通过上述地质雷达典型缺陷图谱特征库，对实际铁路路基进行快速无损检测和缺陷判别；

其中，路基缺陷试验区包括大块石试验区、细颗粒试验区、空洞试验区、粗颗粒试验区、软弱层以及不密实试验区；

所述铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱库特征具体包括：不密实试验区路基缺陷特征、软弱层试验区路基缺陷特征、空洞试验区路基缺陷特征、细颗粒试验区特征、大块石试验区路基缺陷特征；各个路基缺陷特征分别对应与铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征相同；

所述正演模拟具体过程是：

采用 GprMax2D 软件对层状介质模型、矩形目标模型、圆形目标模型以及复杂模型进行正演模拟，形成了双层介质几何模型、三层介质几何模型、软弱层几何模型、矩形空洞几何模型、矩形溶洞几何模型、大块石几何模型、多大块石几何模型、多圆形空洞几何模型、双层多圆形空洞几何模型以及多形状空洞模型的 10 个模型；

通过 matlab 对上述 10 个模型，进行模拟图像的处理，分别对应得到双层介质模型模拟缺陷图、三层介质模型模拟缺陷图、软弱层模型模拟缺陷图、矩形空洞模型模拟缺陷图、矩形溶洞模型模拟缺陷图、大块石模型模拟缺陷图、多大块石模型模拟缺陷图、多圆形空洞模型模拟缺陷图、双层多圆形空洞模型模拟缺陷图、多形状空洞模型模拟缺陷图；

根据上述所有缺陷图，生成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

层介质模型中，层与层之间由于电性参数的差异，在层介质模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时至少存在层分界面特征：根据电磁波在介质层中的传播速度 v 及走时 t，算出路基缺陷深度 s，进而确定层分界面的具体位置；其中 s=v*t，

，不同层介质模型模拟缺陷图中ε不同；ε是经验值；

矩形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时存在层分界面特征，根据电磁波的传播速度v以及双程走时t，推算出算出路基缺陷深度s，进而确定目标体的位置与大小；其中 s=v*t，

，不同矩形模型模拟缺陷图ε不同；ε是经验值；c表示光传播速度；

圆形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时目标体图像呈现出双曲线特征；

各个层介质模型、矩形模型中不同经验值ε、t得到不同s；层介质模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征具体形成过程是：

1）双层介质模型中算出路基缺陷深度s，则双层介质模型的分界面在距离顶层垂直距离为 s 的面为双层介质模型分界面；

2）三层介质模型中算出路基缺陷深度s，则三层介质模型的第一个分面为距离顶层距离为 s 的面为三层介质模型第一层分界面；顶层到第一层分界面为第一层介质，第一层分界面朝向地下方向为第二层介质；

然后计算电磁波在第二层介质中不同的ε计算电磁波在第二层介质中的传播速度 v2，测得电磁波在第二层介质走时t1，计算第二层介质路基缺陷深度s1，则三层介质模型的第二个分界面为距离第一次分界面距离为 s1 的面为三层介质模型第二层分界面；

由此，得到三层介质模型的两个分界面以及路基缺陷深度不同的三个介质层；

3）软弱层模型中算出路基缺陷深度s，则软弱层模型中第一个分界面为距离顶层距离为 s 的面为三层介质模型第一层分界面；顶层到第一层分界面为第一层介质，第一层分界面朝向地下方向为第二层介质；

然后计算电磁波在第二层介质中不同的ε计算电磁波在第二层介质中的传播速度 v2，测得电磁波在第二层介质走时 t1，计算第二层介质路基缺陷深度 s1，则三层介质模型的第二个分界面为距离第一次分界面距离为 s1 的面为三层介质模型第二层分界面；

由此，得到三层介质模型的两个分界面以及第一介质层、第三介质层路基缺陷深度相同，并且与第二介质层缺陷深度不同的三个介质层；

各个矩形模型不同经验值ε、t 得到不同 s；矩形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时存在层分界面特征具体过程是：

1）矩形空洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征过程：电磁波在距离地面走时t时，形成x道采集线宽度的第一次水平反射界面，该水平反射界面是矩形空洞的上边界反射直线，根据x道采集线宽度计算该反射直线宽度X；通过电磁波在该层介质传播速度 v，计算得到矩形空洞上层边界到空气距离s=vt；

矩形空洞模型中电磁波从直线宽度X的反射面再次进行反射，形成第二次反射面；

根据电磁波在第一次反射面和第二次反射面之间的走时t2与空气的相对介电常数计算电磁波在空洞中的行走距离 s2=介电常数*t2；即矩形空洞高度为 s2，宽度为X；

2）矩形溶洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征过程：

在1）基础上，得到第一次水平反射界面，反射直线宽度 X 以及第二次反射面；

第二次反射面即高度为 s2，宽度为 X 矩形空洞中水和空气的分界面；

第三次反射面即高度为 s2，宽度为 X 矩形空洞底面；

在圆形模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征时至少存在特征：目标体图像呈现出双曲线特征；

1）大块石模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征：因为大块石和土介质的介电性质的差异，两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线；形成大块石形状区域；

2）多大块石模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征：大块石和土介质两者交界处还是会呈现出明显的反射弧线，图像中呈现出双曲线的特征；另外，在多大块石模型中的模拟图像中，双曲线相互交叉；

3）多圆形空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷特征是：多圆形空洞模型的图像特征同单个圆形空洞的一样，具有双曲线特征，双曲线沿着圆形空洞壁呈扩大的趋势；双曲线的个数即是空洞的个数；

4）双层多圆形空洞模型模拟缺陷图生成路基缺陷图谱特征是：双层圆形空洞模型模拟结果图像中有双曲线，然后下端出现多条双曲线状反射线；或，

5）多形状空洞模型模拟缺陷图生成对应路基缺陷图谱特征是：是包括矩形空洞和圆形空洞组装形成，其中圆形空洞的反射波线是双曲线，矩形空洞的则在矩形顶面反射成一段水平线段，在水平段两端由于矩形顶点的绕射表现出双曲线特点；

不密实路基缺陷特征：雷达反射波同相轴错乱，出现间断，且有很多分支且无规则，该区域的波宽变窄，出现了错乱的团块状或条带状雷达波反射，反射也较为强烈；该缺陷电磁波波形图特点是电磁波反射在遇到不密实缺陷时，反射突然变得强烈，振幅变大；

空洞试验区路基缺陷特征：空洞路基缺陷的雷达图谱呈现双曲线波形特征，且双曲线顶部能量比较多，反射比较强烈；该缺陷电磁波波形图特点是电磁波反射遇到空洞后出现强反射，波形变得杂乱，并出现相位相反；

大块石试验区路基缺陷特征：大块石路基缺陷雷达剖面图中呈现出双曲线反射弧特征，该区域的反射比较强烈，反射波振幅较大；大块石缺陷的电磁波波形图特点是波形振相没有反向，仅是波幅变大；

软弱层试验区路基缺陷特征：软弱层路基缺陷雷达电磁波反射强烈，与正常填筑层界面清晰，反射波并没严重的错乱，间断现象，反射波显得较为突出；雷达图像中软弱层下部分辨率下降，较模糊；

细颗粒试验区特征：细颗粒路基缺陷地质雷达图谱有着明显的反射界面，反射波呈现团块状，该缺陷电磁波波形图特点是中部没有出现明显的反射波，中部位置两边有明显的波形异常。

2.根据权利要求1所述的一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法，其特征在于利用地质雷达无损检测设备进行路基缺陷试验区现场测试时，沿线路走向和垂直方向并经过各异常区中心进行检测，对路基雷达数据进行多次采集，在后期雷达图像处理中选取效果最好的数据进行编辑处理。

3.根据权利要求1所述的一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法，其特征在于利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，生成路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图时，对地质雷达无损检测设备采集的雷达图像通过 radan7 软件进行预处理。

4.基于权利要求2或3所述铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法的分析装置，其特征在于包括：

路基缺陷特征库模块，用于对地质雷达电磁波进行正演模拟，建立路基缺陷图库，根据路基缺陷图分析各种类型地质雷达图像中模拟缺陷图谱的特征规律，形成铁路路基模拟地质雷达典型缺陷图谱特征库；

灰度图或波形图生成模块，用于设置典型路基缺陷试验区，利用地质雷达无损检测设备进行现场测试，分别对应生成压实区和路基典型缺陷试验区的剖面灰度图或波形图；

特征规律库生成模块，用于根据模拟的铁路路基地质雷达典型缺陷图谱特征库，对上述生成压实区和路基缺陷试验区的剖面灰度图或波形图进行对比分析，分别形成铁路路基实测地质雷达典型缺陷图谱特征库；

缺陷评测模块，用于通过上述地质雷达典型缺陷图谱特征库，对实际铁路路基进行快速无损检测和缺陷判别。

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