随着我国高速铁路快速发展,作为列车载体的无砟轨道受环境荷载和列车荷载的长期、反复作用,已经在不同部位显示出了不同类型、不同程度的病害。其中无砟轨道中轨道板和支承层之间起支撑调节缓冲作用的CA砂浆层剥离、碎裂而形成的离缝、疏松、脱空是板式无砟轨道病害的主要表现形式。这些病害长期、持续发展下去,必将造成轨道的变形、错位,进而影响结构的使用寿命,降低列车的运行品质,威胁行车安全。所以研究快速,无损的无砟轨道层间病害检测方法,对保障高速铁路运营安全,快速制定养修维护策略具有重要的工程应用价值。本文以高速铁路无砟轨道CA砂浆层脱空病害为研究对象,以探地雷达为无损检测技术手段,建立了无砟轨道地面直达波、钢筋和空洞病害目标回波模型,分析了钢筋回波对下部空洞病害回波的影响和地面直达波干扰抑制方法,并在讨论探地雷达电磁波波速特征和目标回波方向性差异特征的基础上,提出了基于方向滤波器的CA砂浆层空洞病害检测识别方法。通过研究,得到以下主要结论:(1)钢筋强反射回波是CA砂浆层空洞病害检测中的主要障碍。钢筋回波对空洞病害回波信号的影响主要表现为病害回波强度衰减、信号延时和回波混叠:空洞病害回波强度与覆盖的钢筋直径呈反比关系,钢筋直径越大,空洞病害回波强度越弱;钢筋绕射使得有钢筋遮挡的空洞回波与没有钢筋遮挡的空洞回波信号之间存在延时;钢筋与空洞病害距离较近时空洞回波信号与钢筋回波信号叠加,将产生加性干扰信号。(2)地面直达波是探地雷达回波信号中的重要组成部分。随着地面相对介电常数增加,地面直达波和回波信号的能量特征向量上收敛于同一向量空间。能量自适应分析的方法在保留了钢筋和空洞病害目标回波的同时,能够有效抑制地面直达波。(3)目标回波能量响应具有极大值和轴对称特性,目标回波瞬时相位响应在时间上以目标为对称轴呈偶对称关系,在空间上以目标为对称轴呈奇对称关系。基于能量特征和瞬时相位特征相融合的波速估计方法消除了伪极点造成的估计误差,能够更准确的实现电磁波波速估计。(4)目标回波方向性是探地雷达检测和识别地下目标的重要特征。双曲线渐近线方向为点目标回波的主要特征,水平方向为无限体目标回波的主要特征,Curvelet变换在Scale 3尺度上的能量统计特征是不同目标方向性特征差异的重要表现。(5)钢筋回波主方向特征表现为双曲线渐近线方向;空洞病害回波主方向特征表现为水平方向和双曲线渐近线方向。水平方向特征是钢筋回波与空洞病害回波之间的主要差异。基于Curvelet变换方向选择特性建立的水平方向滤波器有效地消除了钢筋干扰的影响,实现了无砟轨道CA砂浆层空洞病害的检测与识别。试验表明:基于曲波变换的水平方向滤波器在道间距为2 mm条件下,能够有效的识别4 cm长度的CA砂浆层空洞病害,检测速度可以到达34.2 km/h。