[發(fā)明專利]一種鐵路路基地質(zhì)雷達(dá)缺陷圖譜分析方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710942558.5
• 申請(qǐng)日: 2017-10-11
• 公開（公告）號(hào): CN107748392B
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧國兵;陳詳;彭舸;劉彥;許正科;張健;劉增旭;敬國民;曾洲;鄭學(xué)軍;王思威
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中鐵八局集團(tuán)建筑工程有限公司
• 主分類號(hào): G01V3/12
• 分類號(hào): G01V3/12;G01S13/88;G01S13/89
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 徐靜;詹永斌

1.一種鐵路路基地質(zhì)雷達(dá)缺陷圖譜分析方法，其特征在于包括：

對(duì)地質(zhì)雷達(dá)電磁波進(jìn)行正演模擬，初步建立路基缺陷圖；根據(jù)路基缺陷圖分析各種類型地質(zhì)雷達(dá)圖像中模擬缺陷圖譜的特征規(guī)律，形成鐵路路基模擬地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征庫；

設(shè)置典型路基缺陷試驗(yàn)區(qū)，利用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場測試，分別對(duì)應(yīng)生成壓實(shí)區(qū)和路基典型缺陷試驗(yàn)區(qū)的剖面灰度圖或波形圖；

根據(jù)模擬的鐵路路基地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征庫，對(duì)上述生成壓實(shí)區(qū)和路基缺陷試驗(yàn)區(qū)的剖面灰度圖或波形圖進(jìn)行對(duì)比分析，分別形成鐵路路基實(shí)測地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征庫；

通過上述地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征庫，對(duì)實(shí)際鐵路路基進(jìn)行快速無損檢測和缺陷判別；

其中，路基缺陷試驗(yàn)區(qū)包括大塊石試驗(yàn)區(qū)、細(xì)顆粒試驗(yàn)區(qū)、空洞試驗(yàn)區(qū)、粗顆粒試驗(yàn)區(qū)、軟弱層以及不密實(shí)試驗(yàn)區(qū)；

所述鐵路路基實(shí)測地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜庫特征具體包括：不密實(shí)試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征、軟弱層試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征、空洞試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征、細(xì)顆粒試驗(yàn)區(qū)特征、大塊石試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征；各個(gè)路基缺陷特征分別對(duì)應(yīng)與鐵路路基模擬地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征相同；

所述正演模擬具體過程是：

采用 GprMax2D 軟件對(duì)層狀介質(zhì)模型、矩形目標(biāo)模型、圓形目標(biāo)模型以及復(fù)雜模型進(jìn)行正演模擬，形成了雙層介質(zhì)幾何模型、三層介質(zhì)幾何模型、軟弱層幾何模型、矩形空洞幾何模型、矩形溶洞幾何模型、大塊石幾何模型、多大塊石幾何模型、多圓形空洞幾何模型、雙層多圓形空洞幾何模型以及多形狀空洞模型的 10 個(gè)模型；

通過 matlab 對(duì)上述 10 個(gè)模型，進(jìn)行模擬圖像的處理，分別對(duì)應(yīng)得到雙層介質(zhì)模型模擬缺陷圖、三層介質(zhì)模型模擬缺陷圖、軟弱層模型模擬缺陷圖、矩形空洞模型模擬缺陷圖、矩形溶洞模型模擬缺陷圖、大塊石模型模擬缺陷圖、多大塊石模型模擬缺陷圖、多圓形空洞模型模擬缺陷圖、雙層多圓形空洞模型模擬缺陷圖、多形狀空洞模型模擬缺陷圖；

根據(jù)上述所有缺陷圖，生成鐵路路基模擬地質(zhì)雷達(dá)典型缺陷圖譜特征庫；

層介質(zhì)模型中，層與層之間由于電性參數(shù)的差異，在層介質(zhì)模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征時(shí)至少存在層分界面特征：根據(jù)電磁波在介質(zhì)層中的傳播速度 v 及走時(shí) t，算出路基缺陷深度 s，進(jìn)而確定層分界面的具體位置；其中 s=v*t，，不同層介質(zhì)模型模擬缺陷圖中ε不同；ε是經(jīng)驗(yàn)值；

矩形模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征時(shí)存在層分界面特征，根據(jù)電磁波的傳播速度v以及雙程走時(shí)t，推算出算出路基缺陷深度s，進(jìn)而確定目標(biāo)體的位置與大小；其中 s=v*t，，不同矩形模型模擬缺陷圖ε不同；ε是經(jīng)驗(yàn)值；c表示光傳播速度；

圓形模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征時(shí)目標(biāo)體圖像呈現(xiàn)出雙曲線特征；

各個(gè)層介質(zhì)模型、矩形模型中不同經(jīng)驗(yàn)值ε、t得到不同s；層介質(zhì)模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征具體形成過程是：

1）雙層介質(zhì)模型中算出路基缺陷深度s，則雙層介質(zhì)模型的分界面在距離頂層垂直距離為 s 的面為雙層介質(zhì)模型分界面；

2）三層介質(zhì)模型中算出路基缺陷深度s，則三層介質(zhì)模型的第一個(gè)分面為距離頂層距離為 s 的面為三層介質(zhì)模型第一層分界面；頂層到第一層分界面為第一層介質(zhì)，第一層分界面朝向地下方向?yàn)榈诙咏橘|(zhì)；

然后計(jì)算電磁波在第二層介質(zhì)中不同的ε計(jì)算電磁波在第二層介質(zhì)中的傳播速度 v2，測得電磁波在第二層介質(zhì)走時(shí)t1，計(jì)算第二層介質(zhì)路基缺陷深度s1，則三層介質(zhì)模型的第二個(gè)分界面為距離第一次分界面距離為 s1 的面為三層介質(zhì)模型第二層分界面；

由此，得到三層介質(zhì)模型的兩個(gè)分界面以及路基缺陷深度不同的三個(gè)介質(zhì)層；

3）軟弱層模型中算出路基缺陷深度s，則軟弱層模型中第一個(gè)分界面為距離頂層距離為 s 的面為三層介質(zhì)模型第一層分界面；頂層到第一層分界面為第一層介質(zhì)，第一層分界面朝向地下方向?yàn)榈诙咏橘|(zhì)；

然后計(jì)算電磁波在第二層介質(zhì)中不同的ε計(jì)算電磁波在第二層介質(zhì)中的傳播速度 v2，測得電磁波在第二層介質(zhì)走時(shí) t1，計(jì)算第二層介質(zhì)路基缺陷深度 s1，則三層介質(zhì)模型的第二個(gè)分界面為距離第一次分界面距離為 s1 的面為三層介質(zhì)模型第二層分界面；

由此，得到三層介質(zhì)模型的兩個(gè)分界面以及第一介質(zhì)層、第三介質(zhì)層路基缺陷深度相同，并且與第二介質(zhì)層缺陷深度不同的三個(gè)介質(zhì)層；

各個(gè)矩形模型不同經(jīng)驗(yàn)值ε、t 得到不同 s；矩形模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征時(shí)存在層分界面特征具體過程是：

1）矩形空洞模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征過程：電磁波在距離地面走時(shí)t時(shí)，形成x道采集線寬度的第一次水平反射界面，該水平反射界面是矩形空洞的上邊界反射直線，根據(jù)x道采集線寬度計(jì)算該反射直線寬度X；通過電磁波在該層介質(zhì)傳播速度 v，計(jì)算得到矩形空洞上層邊界到空氣距離s=vt；

矩形空洞模型中電磁波從直線寬度X的反射面再次進(jìn)行反射，形成第二次反射面；

根據(jù)電磁波在第一次反射面和第二次反射面之間的走時(shí)t2與空氣的相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算電磁波在空洞中的行走距離 s2=介電常數(shù)*t2；即矩形空洞高度為 s2，寬度為X；

2）矩形溶洞模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征過程：

在1）基礎(chǔ)上，得到第一次水平反射界面，反射直線寬度 X 以及第二次反射面；

第二次反射面即高度為 s2，寬度為 X 矩形空洞中水和空氣的分界面；

第三次反射面即高度為 s2，寬度為 X 矩形空洞底面；

在圓形模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征時(shí)至少存在特征：目標(biāo)體圖像呈現(xiàn)出雙曲線特征；

1）大塊石模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征：因?yàn)榇髩K石和土介質(zhì)的介電性質(zhì)的差異，兩者交界處還是會(huì)呈現(xiàn)出明顯的反射弧線；形成大塊石形狀區(qū)域；

2）多大塊石模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征：大塊石和土介質(zhì)兩者交界處還是會(huì)呈現(xiàn)出明顯的反射弧線，圖像中呈現(xiàn)出雙曲線的特征；另外，在多大塊石模型中的模擬圖像中，雙曲線相互交叉；

3）多圓形空洞模型模擬缺陷圖生成對(duì)應(yīng)路基缺陷特征是：多圓形空洞模型的圖像特征同單個(gè)圓形空洞的一樣，具有雙曲線特征，雙曲線沿著圓形空洞壁呈擴(kuò)大的趨勢；雙曲線的個(gè)數(shù)即是空洞的個(gè)數(shù)；

4）雙層多圓形空洞模型模擬缺陷圖生成路基缺陷圖譜特征是：雙層圓形空洞模型模擬結(jié)果圖像中有雙曲線，然后下端出現(xiàn)多條雙曲線狀反射線；或，

5）多形狀空洞模型模擬缺陷圖生成對(duì)應(yīng)路基缺陷圖譜特征是：是包括矩形空洞和圓形空洞組裝形成，其中圓形空洞的反射波線是雙曲線，矩形空洞的則在矩形頂面反射成一段水平線段，在水平段兩端由于矩形頂點(diǎn)的繞射表現(xiàn)出雙曲線特點(diǎn)；

不密實(shí)路基缺陷特征：雷達(dá)反射波同相軸錯(cuò)亂，出現(xiàn)間斷，且有很多分支且無規(guī)則，該區(qū)域的波寬變窄，出現(xiàn)了錯(cuò)亂的團(tuán)塊狀或條帶狀雷達(dá)波反射，反射也較為強(qiáng)烈；該缺陷電磁波波形圖特點(diǎn)是電磁波反射在遇到不密實(shí)缺陷時(shí)，反射突然變得強(qiáng)烈，振幅變大；

空洞試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征：空洞路基缺陷的雷達(dá)圖譜呈現(xiàn)雙曲線波形特征，且雙曲線頂部能量比較多，反射比較強(qiáng)烈；該缺陷電磁波波形圖特點(diǎn)是電磁波反射遇到空洞后出現(xiàn)強(qiáng)反射，波形變得雜亂，并出現(xiàn)相位相反；

大塊石試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征：大塊石路基缺陷雷達(dá)剖面圖中呈現(xiàn)出雙曲線反射弧特征，該區(qū)域的反射比較強(qiáng)烈，反射波振幅較大；大塊石缺陷的電磁波波形圖特點(diǎn)是波形振相沒有反向，僅是波幅變大；

軟弱層試驗(yàn)區(qū)路基缺陷特征：軟弱層路基缺陷雷達(dá)電磁波反射強(qiáng)烈，與正常填筑層界面清晰，反射波并沒嚴(yán)重的錯(cuò)亂，間斷現(xiàn)象，反射波顯得較為突出；雷達(dá)圖像中軟弱層下部分辨率下降，較模糊；

細(xì)顆粒試驗(yàn)區(qū)特征：細(xì)顆粒路基缺陷地質(zhì)雷達(dá)圖譜有著明顯的反射界面，反射波呈現(xiàn)團(tuán)塊狀，該缺陷電磁波波形圖特點(diǎn)是中部沒有出現(xiàn)明顯的反射波，中部位置兩邊有明顯的波形異常。