地質雷達屬性分析技術在路基檢測中的應用

李耀南，王可剛，劉軍，劉恒柏，瞿起明，鄭金濤

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路成都局集團有限公司 工務部，四川成都 610081）

0 引言

鐵路路基是軌道基礎組成部分之一，路基的狀態直接影響列車運營安全［1-2］。截至2020年末，全國鐵路營業里程14.63萬km，隨著我國鐵路運營里程和運營時間的增長，路基各種隱伏病害逐漸顯現，包括含水異常、翻漿冒泥、陷槽等，直接影響運輸安全。如何及時準確掌握路基的健康狀態，保障行車安全是當前亟需解決的關鍵問題。

20世紀80年代，芬蘭首先利用地質雷達進行鐵路檢測；1994年，德國應用地質雷達進行道砟厚度檢測，但是受數據采集方式及處理手段制約，檢測效果不是十分理想；1998年，瑞士第一次成功地將地質雷達技術應用于鐵路路基檢測［3］。此后，許多國家都進行了相關試驗，地質雷達技術開始在鐵路路基檢測中廣泛使用。隨著地質雷達硬件不斷更新發展，其采樣速度、實時顯示技術、探測深度和精度方面都有不同程度地提高，但在采用地質雷達進行路基檢測時，由于現場檢測環境多變，檢測對象類型多樣，地質雷達反射波的直觀特征較為復雜，檢測結果存在多解性。各應用領域為解決多解性問題，將地震勘探領域的屬性分析概念引入地質雷達資料解釋中，如Young等［4］把地震屬性分析方法應用到三維探地雷達數據分析中，利用相關分析對地層進行了精細刻畫，得到了下伏地層的三維展布圖；Bradford等［5］應用時頻屬性進行污染檢測；張先武等［6］應用廣義S變換進行層位識別；趙文軻［7］應用多屬性擬合進行考古；劉杰［8］將雷達屬性應用于路基含水狀態識別等。

地質雷達屬性在檢測領域已得到廣泛應用，但在路基病害解釋中的應用較少。為進一步推進這方面研究工作，選取某有砟鐵路中一段路基病害多發區段，首先對地質雷達數據進行常規處理，進而提取不同種類的雷達屬性，分析不同病害類型的敏感屬性，從而達到精細解釋路基病害的目的。

1 地質雷達屬性分類

地質雷達在數據采集方式和解釋方式方面與經典地震勘探技術具有一定相似性，其屬性是指反射電磁波經過數學變換，得到的構造學、波動學及統計學特征。

根據地質雷達屬性與檢測對象特征關聯分析，參照地震屬性分類方法［9］，從電磁波本身不同的表征特點出發，從應用的角度將地質雷達屬性分成3類：構造屬性、波動屬性、多道屬性，并在每一類中劃分出基本屬性和其他相關屬性（見表1）。

表1 地質雷達常用屬性分類

2 典型路基病害的地質雷達屬性分析

2.1 實例概況

選取的實例位于我國西南地區，長度約5 km，屬于典型的西南山區鐵路，翻漿冒泥及含水異常等基床病害發育較多，為了準確得到該段線路基床病害分布情況，開展了路基地質雷達檢測。檢測發現多處翻漿冒泥及含水異常病害，并根據檢測結果對該區段存在的路基病害進行了現場挖驗（見圖1）。

圖1 路基病害現場挖驗

2.2 地質雷達數據處理

地質雷達數據處理是雷達數據分析的重要環節。地質雷達檢測過程中，受到很多環境因素的干擾。干擾信號降低了雷達信號的信噪比，要從原始數據中提取有用信號，必須對干擾信號進行處理，減少干擾信號產生的假異常，提高檢測結果的準確性。常規數據處理流程主要包含以下幾個步驟：

（1）數據預處理：預處理的主要目的是實現最終數據與實際里程的準確定位，是后續所有工作的基礎。預處理工作主要包括數據文件處理、文件距離統一、里程校正等。通過人工標記與檢測數據道進行校正，實現數據的空間同步。

（2）能量均衡：能量均衡的主要目的是消除道間能量差異及電磁波吸收擴散引起的能量差異，能量均衡工作主要包括振幅增益、道間均衡及道內均衡，通過能量均衡，可以對反射振幅進行恢復，得到地下介質真實反射能量。

（3）噪聲壓制：噪聲壓制主要目的是壓制干擾信號，提高數據信噪比。噪聲壓制主要分為時間域濾波和頻率域濾波。通過設置不同的濾波參數對不同屬性噪聲進行壓制，提高數據信噪比。

（4）提高分辨率：提高分辨率的主要目的是提升對目標的分辨能力，主要有2種手段，反褶積是一種濾波方法，通過對子波進行壓縮提高垂直分辨率；偏移處理也是一項針對分辨率的技術，主要目的是使繞射波收斂并使反射波歸位，提高橫向分辨率，最終獲得較真實的地下構造圖像。

針對實例采集的地質雷達數據，具體數據處理流程見圖2。

圖2 數據處理流程

2.3 地質雷達波形屬性

地質雷達屬性分類眾多，研究主要針對路基病害本身的電磁波響應特征，因此主要對波形屬性進行計算。

波形屬性計算理論［10］主要是求取雷達信息與探測對象信息隨時間變化的關系，理論上雷達子波可以分解為頻率、相位和振幅項，其褶積模型雷達單道信號可以用下式表達：

式中：x(t)為雷達道；s(t)為激發子波；ξ(t)為反射系數；t為雷達波雙程傳播時間。

當非稀疏、非白化的反射系數序列與雷達子波褶積后，其運算結果不能采用最初的子波特性來進行描述，因此，常用單道反射波進行希爾伯特運算得到三瞬屬性，即：

式中：f(t)為瞬時頻率；θ(t)為瞬時相位；A(t)為瞬時振幅；xr(t)為實數雷達道；xi(t)為虛部雷達道。

三瞬屬性常被用來描述雷達信息和檢測對象間的變化，瞬時頻率屬性與提取信息部位地下介質的電磁波吸收衰減特性存在關系，含水后高頻電磁信號吸收衰減，雷達剖面呈低頻強反射特征；瞬時相位屬性與提取部位地下介質的電性變化有關，當電磁波穿越不同電性特征的介質時，電磁波相位會發生變化，因此相位屬性可以用來檢測電性異常體的分布情況；瞬時振幅屬性與提取信息部位的地下介質的反射系數有關，即與電磁波傳播速度或介電常數有直接關系。除上述3種屬性外，其他基于單道計算的雷達屬性也是基于同一個單道反射信息計算出來的，與三瞬屬性具有直接或間接相關性。因此，首先提取三瞬屬性進行敏感性分析，再進行多屬性分析，既可以節省計算時間，且避免多屬性混淆造成識別困難。

2.4 典型病害屬性分析

采用時頻分析方法及三瞬屬性對檢測對象進行分析。圖3為本次檢測區段內一含水異常區段，圖3（a）為雷達圖譜，紅框內為路基含水區段（經挖驗驗證），藍框內為不含水路基；圖3（b）為振幅譜，圖內紅線與藍線分別對應圖3（a）中紅框、藍框的路基振幅頻率。從圖3（a）可以看出，路基含水后，雷達剖面呈現界面低頻強反射、振幅較大，界面平緩；從圖3（b）可以明顯看出路基含水后雷達波形高頻端明顯衰減，因此頻率類屬性可以作為判別路基含水異常的一個依據。

圖3 檢測區段內一含水異常區段

圖4為路基含水區段的雷達圖譜及三瞬屬性圖。黑框范圍內為含水區段，雷達剖面呈現界面強反射、振幅較大，界面平緩；瞬變振幅剖面呈現明顯強振幅，且與兩側正常區段振幅邊界清晰，瞬時頻率剖面呈現低頻反射特征；瞬時相位剖面呈現明顯相位變化，且邊界刻畫清晰。

圖4 路基含水區段雷達圖譜及三瞬屬性

圖5為本次檢測區段內一翻漿冒泥異常區段的雷達圖譜及三瞬屬性圖。黑框范圍內為翻漿冒泥病害發育區段，雷達剖面呈現界面強反射、振幅較大，界面有一定起伏；瞬變振幅剖面呈現明顯強振幅，且與兩側正常區段振幅邊界清晰，瞬時頻率剖面呈現低頻反射特征，且頻率雜亂；瞬時相位剖面呈現明顯相位變化，且病害邊界刻畫清晰。

圖5 翻漿冒泥異常區段雷達圖譜及三瞬屬性

通過上述分析可以看出，地質雷達三瞬屬性及時頻特征與路基含水、翻漿冒泥等病害具有很好的相關性，能夠分別從不同角度反映路基病害的雷達反射波特征，可為精細刻畫路基病害提供依據。

3 結論

鐵路路基檢測實例表明，路基含水、翻漿冒泥等典型病害與地質雷達反射波信號在時頻特征及三瞬屬性上存在明顯相關性。研究結果顯示：（1）路基含水后，雷達波形高頻端較干燥路基有明顯衰減；（2）路基翻漿冒泥時，雷達波反射振幅變強，高頻衰減且頻率雜亂，相位譜呈現明顯變化。因此根據地質雷達數據進行路基病害解釋時，不僅要從傳統波形圖像、反射同相軸等進行判別，同時也要結合地質雷達三瞬屬性、時頻特征等進行綜合解釋，才能挖掘更多有用信息，進一步提高解釋精度。