地質(zhì)雷達(dá)屬性分析技術(shù)在路基檢測中的應(yīng)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(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，四川成都 610081）

0 引言

鐵路路基是軌道基礎(chǔ)組成部分之一，路基的狀態(tài)直接影響列車運營安全［1-2］。截至2020年末，全國鐵路營業(yè)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(xiàn)，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(zhǔn)確掌握路基的健康狀態(tài)，保障行車安全是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵問題。

20世紀(jì)80年代，芬蘭首先利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行鐵路檢測；1994年，德國應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行道砟厚度檢測，但是受數(shù)據(jù)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(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于鐵路路基檢測［3］。此后，許多國家都進(jìn)行了相關(guān)試驗，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)開始在鐵路路基檢測中廣泛使用。隨著地質(zhì)雷達(dá)硬件不斷更新發(fā)展，其采樣速度、實時顯示技術(shù)、探測深度和精度方面都有不同程度地提高，但在采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行路基檢測時，由于現(xiàn)場檢測環(huán)境多變，檢測對象類型多樣，地質(zhì)雷達(dá)反射波的直觀特征較為復(fù)雜，檢測結(jié)果存在多解性。各應(yīng)用領(lǐng)域為解決多解性問題，將地震勘探領(lǐng)域的屬性分析概念引入地質(zhì)雷達(dá)資料解釋中，如Young等［4］把地震屬性分析方法應(yīng)用到三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析中，利用相關(guān)分析對地層進(jìn)行了精細(xì)刻畫，得到了下伏地層的三維展布圖；Bradford等［5］應(yīng)用時頻屬性進(jìn)行污染檢測；張先武等［6］應(yīng)用廣義S變換進(jìn)行層位識別；趙文軻［7］應(yīng)用多屬性擬合進(jìn)行考古；劉杰［8］將雷達(dá)屬性應(yīng)用于路基含水狀態(tài)識別等。

地質(zhì)雷達(dá)屬性在檢測領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但在路基病害解釋中的應(yīng)用較少。為進(jìn)一步推進(jìn)這方面研究工作，選取某有砟鐵路中一段路基病害多發(fā)區(qū)段，首先對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理，進(jìn)而提取不同種類的雷達(dá)屬性，分析不同病害類型的敏感屬性，從而達(dá)到精細(xì)解釋路基病害的目的。

1 地質(zhì)雷達(dá)屬性分類

地質(zhì)雷達(dá)在數(shù)據(jù)采集方式和解釋方式方面與經(jīng)典地震勘探技術(shù)具有一定相似性，其屬性是指反射電磁波經(jīng)過數(shù)學(xué)變換，得到的構(gòu)造學(xué)、波動學(xué)及統(tǒng)計學(xué)特征。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)屬性與檢測對象特征關(guān)聯(lián)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(fā)，從應(yīng)用的角度將地質(zhì)雷達(dá)屬性分成3類：構(gòu)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(guān)屬性（見表1）。

表1 地質(zhì)雷達(dá)常用屬性分類

2 典型路基病害的地質(zhì)雷達(dá)屬性分析

2.1 實例概況

選取的實例位于我國西南地區(qū)，長度約5 km，屬于典型的西南山區(qū)鐵路，翻漿冒泥及含水異常等基床病害發(fā)育較多，為了準(zhǔn)確得到該段線路基床病害分布情況，開展了路基地質(zhì)雷達(dá)檢測。檢測發(fā)現(xiàn)多處翻漿冒泥及含水異常病害，并根據(jù)檢測結(jié)果對該區(qū)段存在的路基病害進(jìn)行了現(xiàn)場挖驗（見圖1）。

圖1 路基病害現(xiàn)場挖驗

2.2 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是雷達(dá)數(shù)據(jù)分析的重要環(huán)節(jié)。地質(zhì)雷達(dá)檢測過程中，受到很多環(huán)境因素的干擾。干擾信號降低了雷達(dá)信號的信噪比，要從原始數(shù)據(jù)中提取有用信號，必須對干擾信號進(jìn)行處理，減少干擾信號產(chǎn)生的假異常，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。常規(guī)數(shù)據(jù)處理流程主要包含以下幾個步驟：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：預(yù)處理的主要目的是實現(xiàn)最終數(shù)據(jù)與實際里程的準(zhǔn)確定位，是后續(xù)所有工作的基礎(chǔ)。預(yù)處理工作主要包括數(shù)據(jù)文件處理、文件距離統(tǒng)一、里程校正等。通過人工標(biāo)記與檢測數(shù)據(jù)道進(jìn)行校正，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(kuò)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(nèi)均衡，通過能量均衡，可以對反射振幅進(jìn)行恢復(fù)，得到地下介質(zhì)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(shù)據(jù)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(shè)置不同的濾波參數(shù)對不同屬性噪聲進(jìn)行壓制，提高數(shù)據(jù)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(biāo)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(jìn)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(shù)，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(gòu)造圖像。

針對實例采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

2.3 地質(zhì)雷達(dá)波形屬性

地質(zhì)雷達(dá)屬性分類眾多，研究主要針對路基病害本身的電磁波響應(yīng)特征，因此主要對波形屬性進(jìn)行計算。

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

式中：x(t)為雷達(dá)道；s(t)為激發(fā)子波；ξ(t)為反射系數(shù)；t為雷達(dá)波雙程傳播時間。

當(dāng)非稀疏、非白化的反射系數(shù)序列與雷達(dá)子波褶積后，其運算結(jié)果不能采用最初的子波特性來進(jìn)行描述，因此，常用單道反射波進(jìn)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(shù)雷達(dá)道；xi(t)為虛部雷達(dá)道。

三瞬屬性常被用來描述雷達(dá)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(zhì)的電磁波吸收衰減特性存在關(guān)系，含水后高頻電磁信號吸收衰減，雷達(dá)剖面呈低頻強(qiáng)反射特征；瞬時相位屬性與提取部位地下介質(zhì)的電性變化有關(guān)，當(dāng)電磁波穿越不同電性特征的介質(zhì)時，電磁波相位會發(fā)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(zhì)的反射系數(shù)有關(guān)，即與電磁波傳播速度或介電常數(shù)有直接關(guān)系。除上述3種屬性外，其他基于單道計算的雷達(dá)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(guān)性。因此，首先提取三瞬屬性進(jìn)行敏感性分析，再進(jìn)行多屬性分析，既可以節(jié)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(jìn)行分析。圖3為本次檢測區(qū)段內(nèi)一含水異常區(qū)段，圖3（a）為雷達(dá)圖譜，紅框內(nèi)為路基含水區(qū)段（經(jīng)挖驗驗證），藍(lán)框內(nèi)為不含水路基；圖3（b）為振幅譜，圖內(nèi)紅線與藍(lán)線分別對應(yīng)圖3（a）中紅框、藍(lán)框的路基振幅頻率。從圖3（a）可以看出，路基含水后，雷達(dá)剖面呈現(xiàn)界面低頻強(qiáng)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(dá)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(jù)。

圖3 檢測區(qū)段內(nèi)一含水異常區(qū)段

圖4為路基含水區(qū)段的雷達(dá)圖譜及三瞬屬性圖。黑框范圍內(nèi)為含水區(qū)段，雷達(dá)剖面呈現(xiàn)界面強(qiáng)反射、振幅較大，界面平緩；瞬變振幅剖面呈現(xiàn)明顯強(qiáng)振幅，且與兩側(cè)正常區(qū)段振幅邊界清晰，瞬時頻率剖面呈現(xiàn)低頻反射特征；瞬時相位剖面呈現(xiàn)明顯相位變化，且邊界刻畫清晰。

圖4 路基含水區(qū)段雷達(dá)圖譜及三瞬屬性

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

圖5 翻漿冒泥異常區(qū)段雷達(dá)圖譜及三瞬屬性

通過上述分析可以看出，地質(zhì)雷達(dá)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(guān)性，能夠分別從不同角度反映路基病害的雷達(dá)反射波特征，可為精細(xì)刻畫路基病害提供依據(jù)。

3 結(jié)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(zhì)雷達(dá)反射波信號在時頻特征及三瞬屬性上存在明顯相關(guān)性。研究結(jié)果顯示：（1）路基含水后，雷達(dá)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(dá)波反射振幅變強(qiáng)，高頻衰減且頻率雜亂，相位譜呈現(xiàn)明顯變化。因此根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行路基病害解釋時，不僅要從傳統(tǒng)波形圖像、反射同相軸等進(jìn)行判別，同時也要結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)三瞬屬性、時頻特征等進(jìn)行綜合解釋，才能挖掘更多有用信息，進(jìn)一步提高解釋精度。