0.2　车载探地雷达检测铁路路基历程

车载探地雷达检测铁路路基经历了早期的试验阶段、装在各种小车上的应用测试阶段和高速车载探地雷达检测路基道床的应用阶段。车载探地雷达应用于铁路的研究，从检测木枕铁路的研究逐步转向检测混凝土轨枕铁路的研究；从人工拖拉天线检测方式的研究逐步转向车载方式的研究；从单通道雷达系统逐步转向多通道探地雷达系统；从低速（10km/h）检测逐步转向高速（175km/h）检测；从浅层探测逐步转向深层探测。探地雷达数据处理技术越来越完善，数据解释越来越定量。

0.2.1　探地雷达用于铁路路基道床检测的早期试验

最早探地雷达用于木枕铁路，木枕对电磁波没有屏蔽作用。后来将探地雷达用于混凝土轨枕铁路，但是混凝土轨枕对电磁波有屏蔽作用，电磁波无法到达轨枕下面的石砟层和路基，因而进行了大量的试验。经过试验，发现在混凝土轨枕上方电磁波确实被屏蔽，但在混凝土轨枕之间的砟槽内，电磁波可以穿透下去。在轨道上用探地雷达探测的地下界面不是连续线，而是断续线，类似于点划线。大量试验证实探地雷达可以用于混凝土轨枕线路。

20世纪70年代后期，国外开始讨论用地质雷达测试铁路路基。1979年，美国地球物理勘探公司（GSSI）用SIR⁃7型地质雷达调查了长度为66根枕木的一段旧工业铁路。地质雷达装载在公铁两用车上。公铁两用车拖动载有天线拖车，天线杆距地面高度9cm，以5km/h的速度在轨道上移动。SIR⁃7型地质雷达系统包括五个主要部分：雷达控制单元、阴极射线管荧光屏、电源、四轨迹磁带记录仪、插头式发送器，当时称这种设备为轨道雷达（Track Radar）。北美铁路认为轨道雷达测试速度太慢，然而这种轨道雷达在欧洲铁路被广泛接受，瑞典应用较多。

1984年6月至1985年上半年，GSSI公司又在另一条铁路线上进行试验。这次试验使用SIR⁃8型地质雷达，增加了微处理器，连续试验了5632.704m（3.5 mi）。所有的数据可以图形显示，同时被记录在磁带上。采集信息的时间需要1h，因此对野外参数进行了调整。调整包括扫描速度、采样速率、天线高度和天线排列。为了得到满意的结果，试验采用不同的运行速度。

1988年，原郑州铁路局西安科研所和西安交通大学合作研究在混凝土轨枕线路上用探地雷达探测道砟囊。现场试验在一段废弃的线路上，挖出一个上顶面长度为10m、下底面长度为4m、深度为3m的土坑，坑中填道砟，模拟道砟囊，如图0.1所示。研制的探地雷达系统放置在能够在轨道上行走的小车上，小车后面拖拉着一个载有收发天线的小车，天线的中心频率为300MHz，测试深度可以达到3.0m。为了行进均匀，小车由直流变速电动机驱动，行进速度为5m/min。

探地雷达系统主要由主机、脉冲发生器、数字示波器、盒式录音机、发射天线和接收天线组成。当时的记录速度很慢，行走2min，要将设备抬下道，记录8min。可喜的是能够测出道砟囊的轮廓，在计算机上处理后得到的彩色图像如图0.2所示。

0.2.2　装在小车上的探地雷达检测铁路路基道床试验

20世纪90年代后期以来，微型计算机技术迅猛发展，推动探地雷达更新换代，功能日趋增强。探地雷达的显示、记录等关键器件得到很大改善，使得探地雷达的性能能够满足铁路的快速测试。

对于短距离或临时性实验，将天线放在线路中心，在地上拖行，或者做成简单的小车。当用于较长距离的检测和长期用于线路检测时，将设备放在小车上推行，一方面提高了检测速度，另一方面降低了检测人员的劳动强度。英国以手推式为主，测试速度为1.5km/h，累计测试了50km的铁路。

手推式探地雷达检测路基早期主要用于探地雷达检测铁路路基的可行性研究。其设备轻便灵活，可以分段在维修天窗内进行路基检测，但效率低，不能用于整条线路路基检测。随着车载探地雷达的应用和从安全角度考虑，手推式探地雷达检测路基会受到限制，但会成为车载探地雷达检测的补充，在以下方面应用：

（1）整条线路的局部一段临时出现路基病害时，使用手推式探地雷达在维修天窗内检测非常方便，对正常运输不会造成干扰。

（2）每年一度的秋检和春检，路基检测与轨道检查同车进行，可以实现全路路基普查，但车载检查只能覆盖正线和部分车站线路，大部分站线仍需要手推式探地雷达检测。

（3）车载探地雷达检测发现路基问题，如果需要进一步详查或验证，可以使用手推式探地雷达检测。由于手推式探地雷达定位准确，天线高度低，反射信号强，可以提高病害位置、深度探测的准确率。

图0.3是作者与西安铁路局、西安交通大学研制的手推式探地雷达系统。

0.2.3　车载探地雷达检测铁路路基道床试验

进入21世纪，车载探地雷达检测铁路路基道床试验研究进入了一个新高潮。2002年，美国联邦铁路（FRA）所做的铁路研究发展五年计划报告提出铁路探地雷达检测技术的研究。2004年1月至2008年1月，欧盟SAFE⁃RAIL项目由意大利、德国、瑞典、英国和捷克等国专家组成研究组，研制创新铁路基础条件检测系统，包括快速地下雷达天线、高性能雷达控制单元、创新的铁路定位单元、创新的车载处理器、网络数据解释和处理软件。除欧盟SAFE⁃RAIL项目外，还有德国GBM Wiebe线路施工和养路机械公司GeoRail系统、意大利IDS等公司的铁路安全系统。

美国联邦铁路管理局研究项目第一阶段至第三阶段期间取得了许多重要成果，包括确定了数据采集的天线类型，确定了用于数据采集得天线结构，发展了初步数据处理方法，论证了车载探地雷达石砟状态评价的有效性。第三个阶段和第四阶段期间的成果有两项：美国GSSI公司研发了2GHz喇叭天线和500MHz空气耦合天线，以及道砟脏污度的评价方法。通过这四个阶段的研究，已经形成一套铁路车载探地雷达评价路基道床状态的技术。

0.2.4　高速车载探地雷达检测铁路路基道床的应用

车载探地雷达测试速度与探地雷达的扫描速率有关，而探地雷达系统的脉冲重复频率决定了探地雷达的扫描速率。目前，国外探地雷达脉冲重复频率较高的系统有美国GSSI公司SIR⁃20系列和意大利IDS公司RIS⁃2K系列的探地雷达系统。美国GSSI公司SIR⁃20系列探地雷达的脉冲重复频率为500KHz，有2个通道。意大利IDS公司RIS⁃2K系列探地雷达的脉冲重复频率为400KHz，有4个通道。但这两种系统都是分频的。SIR⁃20系列探地雷达使用1个通道时，脉冲重复频率为500KHz，使用2个通道时，每个通道的脉冲重复频率为250KHz。RIS⁃2K系列探地雷达的脉冲重复频率为400KHz，当同时使用4个通道时，每个通道的脉冲重复频率只有100KHz。SIR⁃20系列探地雷达系统理论上总扫描速率是976扫描线/秒，实际总扫描速率只有570扫描线/秒，同时使用2个通道时，每个通道的扫描速率是285扫描线/秒。RIS⁃2K系列探地雷达系统理论上总扫描速率是781扫描线/秒，实际总扫描速率只有490扫描线/秒，同时使用3个通道时，每个通道的扫描速率是163扫描线/秒。

我国第一代铁路路基状态检查车由西安铁路局科研所和西安交通大学于2002年开始研制，测试速度为45km/h。研制的多通道探地雷达系统为独立三通道，每个通道脉冲重复频率为130KHz。2006年开始研制第二代铁路路基状态检查车，测试速度为120km/h。经过大量现场测试，达到应用程度。西安铁路局科研所和西安交通大学研制的高速扫描多通道探地雷达系统为独立三通道，每个通道的脉冲重复频率为500KHz，扫描速度为976扫描线/秒，每个扫描线为512个点，测点间隔5cm时检测速度为175km/h，测点间隔10cm时检测速度为350km/h；研制的铁路专用探地雷达天线是空气耦合式短TEM喇叭天线，天线中心频率300MHz，检测深度3m，可满足我国既有铁路路基、新建铁路路基和高速铁路路基检测的需要。2006年8月至2010年12月底，先后对胶济线、陇海线、太中银线、大准线等10条铁路路基进行了检测，折合单线检测里程达4920km。铁路车载探地雷达系统可以与轨道检查同车检测，定期对全路路基进行普查，消除安全隐患。

俄罗斯GEOTECH公司的OKO⁃2多通道探地雷达系统，有3个喇叭形屏蔽天线，每个通道的记录速率为200扫描线/秒（每扫512个点），AB⁃400型喇叭天线测深3m，深度分辨率不大于10cm。天线质量小于35kg，每米6个扫描线，速度为120km/h。该系统已检测了俄罗斯3000km铁路线。

2010年，意大利IDS公司推出SRS Plus型多通道探地雷达系统，系统总扫描速率是1800扫描线/秒。如果同时使用4个通道，每个通道的扫描速率为450扫描线/秒。2011年至2012年，美国GSSI公司推出SIR⁃30型多通道探地雷达系统，1～4个通道，通道的脉冲重复频率为730～800KHz，通道的扫描速率为932～990扫描线/秒（每扫512个点）。SIR⁃30型多通道探地雷达系统适用于2.0GHz喇叭形天线，可用于道砟污染的检测。