[发明专利]一种铁路路基地质雷达缺陷图谱分析方法及装置

权利要求书

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。