0　绪论

0.1　铁路车载探地雷达的基本概念

探地雷达，或称透地雷达，英文名称Ground Penetrating Radar，简称GPR，其他的英文名称还有Ground Probing Radar（地面探测雷达）、Subsurface Radar（地下雷达）、Georadar（地质雷达）等，最早称地质雷达。它是一种用于浅层勘探的物探方法，其特点是快速、无损、连续检测，并能直观显示下结构。

1929年至1930年，德国地球物理学家W.Stern第一次在奥地利用雷达直接向地下探测冰河的厚度。1960年，John.C.Cook设计了一个雷达结构，用来穿透地下并接收地下界面反射，这个雷达是单周脉冲VHF机载雷达，与现在商业销售的探地雷达相同，主要用于冰雪厚度测量。John.C.Cook是第一个提出用雷达波探测地下介质的人，因此，认为Cook的工作是探地雷达的真正开始。1972年，Rex Morey和Art Drake创建了地球物理测量系统公司（Geophysical Survey Systems Inc.GSSI），生产和销售GPR设备，使得GPR在地质勘探得到应用，出现了大量与GPR有关的出版物，取得了许多研究成果，在之后的20年，注册了300多项与GPR有关的专利。从此，GPR设备步入商品化，为探地雷达的理论研究、科学试验和工程应用提供了物质基础。现在，探地雷达技术已广泛应用于多个领域，如地质勘探、考古、农业和林业土壤水分检测、管线和地雷探测、公路路面检测、混凝土结构和桥梁检测、隧道衬砌检测、铁路路基道床检测等。

探地雷达的种类很多，但最常用的是时间域脉冲式探地雷达。它利用一个天线发射短脉冲电磁波，另一天线接收来自地下介质界面的反射波（回波），根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形，推断介质的结构。探地雷达的发射天线与接收天线之间距离很小，反射波的路径几乎垂直地面，在测线不同位置上，法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。

车载式探地雷达系统是将探地雷达系统安装在汽车或火车上，测试速度高，数据采集效率大幅度提高。第一台车载式公路探测探地雷达系统是1985年在美国联邦公路管理局的支持下研发出来的。20世纪早期是公路车载探地雷达系统和探测技术研究的重要时期，到了20世纪中期和晚期，公路车载探地雷达系统路面、桥梁检测开始推广应用。21世纪以来，随着计算机和电子技术的迅速发展，车载探地雷达系统和检测技术越来越成熟和普及。与一般地质勘探相比，车载式探地雷达系统要求扫描速度高，天线要离开地面一定的距离，要有较高的测距精度，根据用途可分为道路路面车载式探地雷达系统和铁路车载式探地雷达系统。国外车载探地雷达测试系统大致相同，由探地雷达系统、里程测试和GPS定位系统以及路面图像摄像系统组成。铁路车载式探地雷达系统多数为多通道探地雷达系统。

与公路路面车载式探地雷达系统相比，铁路车载式探地雷达系统有很高的扫描速度，足以在每个轨枕间采集到信号；天线的几何尺寸和空间位置受机车车辆限界限制；混凝土轨枕对天线的电磁辐射有屏蔽影响；钢轨对天线的电磁辐射有强干扰作用；天线必须是屏蔽的，对低频天线屏蔽会使背景增强同时复杂化，从而使从地下返回的弱信号难以提取；距离测试较为复杂，通过车站时要经过不同的股道，会造成测距误差；测试过程受到严格控制，测试次数受到严格限制，否则会干扰铁路运输；测试结果的验证受到限制，因为在运营线路上，基于安全考虑和运输繁忙，不能随意开挖或钻探进行验证。