一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法，属于铁路路基检测技术领域，该方法的实现步骤为：铁路路基探地雷达检测数据分段；对检测数据进行功率谱分析；正演模拟，对模拟数据进行功率谱分析；回归分析；计算各个频带范围对应的含水率；含水率综合评价；绘制检测线路含水率分布曲线，识别含水率异常区域。本发明专利技术实现了对铁路路基含水率分布的快速、无损、高效的定量检测，为铁路路基状态检测评价提供依据，帮助铁路养护维修部门及时掌握路基状态，开展养护维修工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁路路基检测
，涉及一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法。
技术介绍
路基是铁路轨道的基础，作为铁路线路下部结构，对行车安全起着至关重要的作用。路基病害不仅可能引起轨道不均匀下沉，造成轨面状态严重不良，增加线路维修工作量，影响列车的正常运行，严重时还可能危及列车运行安全。如何及时掌握路基的健康状态，采取必要养护措施减缓病害，在不断加大轴重、提高运输效率的同时来保证行车安全，成为当前亟待解决的重大课题。含水率偏大是导致翻浆冒泥、基床下沉等主要基床病害形成的最主要外界条件。探地雷达作为一种快速、无损、高效的地球物理探测技术，在铁路路基检测领域的应用越来越广泛，可以对铁路路基施工质量进行监控，检测路基道床厚度与基床表层厚度等。目前，从探地雷达图像中，可以依靠人工经验定性判读路基基床的含水情况，但无法给出较为准确的含水率数据。对于疑似含水偏大的区段，只能通过钻探和土工实验进一步检测，成本高且效率低，使得铁路养护维修部门无法及时掌握路基状态，开展养护维修工作。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中探地雷达无法实现铁路路基含水率定性检测的缺点而提供一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法，具体包括：S1、铁路路基探地雷达检测数据分段：将铁路路基探地雷达检测数据划分为等长的数据单元，每个数据单元包含k×10道雷达数据，k应位于(1，10)之间，每个数据单元取其第k×5道雷达数据对应的里程作为该数据单元的里程；S2、对检测数据进行功率谱分析：对所述步骤S1获得的数据单元逐个处理，具体过程为：a)计算整个数据单元的雷达波功率谱；b)计算雷达波在时域范围内的总能量；c)计算雷达波在0MHz~100MHz，100MHz~200MHz，200MHz~300MHz，300MHz~400MHz，400MHz~500MHz，500~600MHz以及100MHz~300MHz，300MHz~500MHz之间的8个频带范围内的能量占总能量的百分比；S3、正演模拟，对模拟数据进行功率谱分析：利用地质雷达数值模拟软件建立具有不同含水率的铁路路基模型，通过数值模拟得到雷达数据，将每一个模型的雷达数据视作一个数据单元，按照所述步骤S2进行功率谱分析；S4、回归分析：对所述步骤S3获得的模型数据的雷达波各个频带范围的能量百分比同模型的含水率分别进行回归分析，得到每一个频带范围的能量百分比与含水率的拟合方程，选择相关系数的为有效拟合方程；S5、计算各个频带范围对应的含水率：对所述步骤S1获得的数据单元逐个计算，将雷达波各个频带范围的能量百分比分别代入所述步骤S4获得的相应的有效拟合方程，计算该数据单元各个频带范围对应的含水率；S6、含水率综合评价：对所述步骤S1获得的数据单元逐个计算，对所述步骤S5获得的含水率，根据有效拟合方程的相关系数进行加权计算，得到该数据单元的含水率综合评价结果x；S7、绘制检测线路含水率分布曲线，识别含水率异常区域：以里程为横坐标、含水率为纵坐标，将所述步骤S6获得的各个数据单元的含水率综合评价结果x绘制曲线，含水率超过检测线路设计标准的区段为含水率异常区域。进一步的，所述步骤S3中的铁路路基模型包含3层，分别是道床、基床表层与基床底层，各层厚度同检测路段相同，基床表层的土质类型同检测路段相同。进一步的，所述步骤S3中的铁路路基模型的个数不少于5个，含水率均匀增大，含水率最小值小于15%，含水率最大值大于30%。进一步的，所述步骤S3中的数值模拟采用的雷达波参数同检测路基时的雷达波参数相同。进一步的，所述步骤S4中的回归分析采用线性方程进行拟合。进一步的，所述步骤S6中的加权计算的方法为：，式中：n为有效拟合方程个数，为各频带范围对应的含水率，为有效拟合方程的相关系数。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过正演模拟与回归分析得到雷达波各个频带范围的能量百分比与含水率的拟合方程，并对各个方程计算出的含水率进行加权计算得到检测线路含水率的综合评价结果，识别出含水率异常区域，实现了对铁路路基含水率的快速、无损、定量检测，准确预警翻浆冒泥、基床下沉等路基病害的发生，保障铁路行车安全。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。图2为本专利技术的一个实施例的一个数据单元的功率谱图。图3为本专利技术的一个实施例的模型数据回归分析曲线。图4为本专利技术的一个实施例的检测线路含水率综合评价结果曲线。具体实施方式实施例1：检测路段为我国南方某铁路线路，检测里程10km。硬质岩石路基地段道床厚度为35cm；路基基床厚3m，其中表层0.7m，采用级配碎石填筑；底层2.3m，采用改良土填筑。使用意大利IDS探地雷达，选用400MHz天线，采样道间距为0.1m，共采集到10万道雷达数据。各步骤具体实施细节如下：S1、铁路路基探地雷达检测数据分段：将铁路路基探地雷达检测数据划分为2000个等长的数据单元，每个数据单元包含50道雷达数据，取其第25道雷达数据对应的里程作为该数据单元的里程，即第一个数据单元的里程为2.5m，第二个数据单元的里程为7.5m；S2、对检测数据进行功率谱分析：对所述步骤S1获得的2000个数据单元逐个处理，具体过程为：a)采用welch法求整个数据单元的雷达波功率谱，图2为一个数据单元的功率谱；b)计算雷达波在时域范围内的总能量；c)计算雷达波在0MHz~100MHz，100MHz~200MHz，200MHz~300MHz，300MHz~400MHz，400MHz~500MHz，500~600MHz以及100MHz~300MHz，300MHz~500MHz之间的8个频带范围内的能量占总能量的百分比，1~4号数据单元的计算结果如表1所示：表1-4号数据单元各频带范围能量占总能量百分比S3、正演模拟，对模拟数据进行功率谱分析：利用地质雷达数值模拟软件GPRMAX建立9个具有不同含水率的铁路路基模型，含水率分别10.5%、13.5%、16.5%、19.5%、22.5%、25.5%、28.5%、31.5%与34.5%，通过数值模拟得到雷达数据，将每一个模型的雷达数据视作一个数据单元，按照所述步骤S2进行功率谱分析，计算结果如表2所示：表2正演模型各频带范围能量占总能量百分比S4、回归分析：对所述步骤S3获得的模型数据的雷达波各个频带范围的能量百分比同模型的含水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：S1、铁路路基探地雷达检测数据分段：将铁路路基探地雷达检测数据划分为等长的数据单元，每个数据单元包含k×10道雷达数据，k应位于(1，10)之间，每个数据单元取其第k×5道雷达数据对应的里程作为该数据单元的里程；S2、对检测数据进行功率谱分析：对所述步骤S1获得的数据单元逐个处理，具体过程为：a)计算整个数据单元的雷达波功率谱；b)计算雷达波在时域范围内的总能量；c)计算雷达波在0MHz~100MHz，100MHz~200MHz，200MHz~300MHz，300MHz~400MHz，400MHz~500MHz，500~600MHz以及100MHz~300MHz，300MHz~500MHz之间的8个频带范围内的能量占总能量的百分比；S3、正演模拟，对模拟数据进行功率谱分析：利用地质雷达数值模拟软件建立具有不同含水率的铁路路基模型，通过数值模拟得到雷达数据，将每一个模型的雷达数据视作一个数据单元，按照所述步骤S2进行功率谱分析；S4、回归分析：对所述步骤S3获得的模型数据的雷达波各个频带范围的能量百分比同模型的含水率分别进行回归分析，得到每一个频带范围的能量百分比与含水率的拟合方程，选择相关系数的为有效拟合方程；S5、计算各个频带范围对应的含水率：对所述步骤S1获得的数据单元逐个计算，将雷达波各个频带范围的能量百分比分别代入所述步骤S4获得的相应的有效拟合方程，计算该数据单元各个频带范围对应的含水率；S6、含水率综合评价：对所述步骤S1获得的数据单元逐个计算，对所述步骤S5获得的含水率，根据有效拟合方程的相关系数，进行加权计算，得到该数据单元的含水率综合评价结果x；S7、绘制检测线路含水率分布曲线，识别含水率异常区域：以里程为横坐标、含水率为纵坐标，将所述步骤S6获得的各个数据单元的含水率综合评价结果x绘制曲线，含水率超过检测线路设计标准的区段为含水率异常区域。...

【技术特征摘要】
1.一种基于探地雷达的铁路路基含水率检测方法，其特征在于，所述方法包含如下步
骤：
S1、铁路路基探地雷达检测数据分段：将铁路路基探地雷达检测数据划分为等长的数
据单元，每个数据单元包含k×10道雷达数据，k应位于(1，10)之间，每个数据单元取其第k
×5道雷达数据对应的里程作为该数据单元的里程；
S2、对检测数据进行功率谱分析：对所述步骤S1获得的数据单元逐个处理，具体过程
为：
a)计算整个数据单元的雷达波功率谱；
b)计算雷达波在时域范围内的总能量；
c)计算雷达波在0MHz~100MHz，100MHz~200MHz，200MHz~300MHz，300MHz~400MHz，
400MHz~500MHz，500~600MHz以及100MHz~300MHz，300MHz~500MHz之间的8个频带范围内的
能量占总能量的百分比；
S3、正演模拟，对模拟数据进行功率谱分析：利用地质雷达数值模拟软件建立具有不同
含水率的铁路路基模型，通过数值模拟得到雷达数据，将每一个模型的雷达数据视作一个
数据单元，按照所述步骤S2进行功率谱分析；
S4、回归分析：对所述步骤S3获得的模型数据的雷达波各个频带范围的能量百分比同
模型的含水率分别进行回归分析，得到每一个频带范围的能量百分比与含水率的拟合方
程，选择相关系数的为有效拟合方程；
S5、计算各个频带范围对应的含水率：对所述步骤S1获得的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，张千里，杜翠，程远水，韩自立，蔡德钩，马伟斌，陈锋，王立军，李中国，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，中国铁道科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11