探地雷達技術在道路評估中運用

梁 鵬

(重慶市交通規劃勘察設計院，重慶 401121)

探地雷達技術在道路評估中運用

梁 鵬

(重慶市交通規劃勘察設計院，重慶 401121)

總結了地面耦合和空中發射探地雷達系統的運作原理，對信號處理和數據分析技術進行了討論，分析了探地雷達技術在評估路基土、道路結構研究及質量控制方面的功能作用，以促進其在道路工程中的推廣作用。

探地雷達，道路結構，路基，介電值

1 概述

在斯堪的納維亞半島，探地雷達運用地面耦合天線的首次測試是在20世紀80年代初的丹麥(Berg，1984)以及瑞典(Johansson，1987)進行的,但是在那個時期，這種方法沒有被廣泛接受。在芬蘭，首次測試實施是在1986年(Saarenketo，1992)，在芬蘭公路管理局下的拉普蘭地區的道路部門于1988年購買了一個裝置后，這種方法已經成為了各種道路設計和維護方面的常規調查工具(Saarenketo,1992;Saarenketo and Maijala,1994;Saarenketo and Scullion,1994)。在芬蘭，大部分公路應用的研究和開發工作中，會運用到低頻率(100 MHz～500 MHz)的地面耦合天線，以評估路基土壤和夾層，探測覆蓋層的深度和調查道路的結構層。探地雷達技術也被應用到骨料的探測(Saarenketo和Maijala，1994)。在20世紀90年代早期和中期，高頻率1.0 GHz～2.5 GHz空氣耦合和地面耦合天線開始被運用到橋面測量(Saarenketo and So¨derqvist,1993；Maijala et al,1994)以及路面的設計和質量控制中(Saarenketo and Roimela,1998；Scullion and Saarenketo,1998；Saarenketo,1999)[1]。

探地雷達在美國公路調查中的測試要追溯到20世紀70年代中期，是由Morey(1998)做的，聯邦公路管理部門測試了雷達在隧道應用中的可行性，后來也應用到了橋面上。第一輛公路車載探地雷達系統在1985年由聯邦公路管理局研發出來(Morey,1998)。此后，大部分應用程序把重點放在路面厚度的測量(Maser，1994)，檢測混凝土板下的空隙(Scullion et al,1994)和檢測橋面惡化的區域上(Alongi et al,1992)。這些調查主要是運用高頻率(1.0 GHz)的空中發射天線(see Scullion et al,1992)。

北美公路機構探地雷達在當前實踐中的運用，由Morey(1998)給了一個很好的描述。發放給51個州的調查問卷結果是：波多黎各,哥倫比亞地區和11個加拿大交通部門表明,51個中的33個機構表示有用過探地雷達的經歷。最常見的探地雷達的應用是路面層的厚度檢測(24個機構)，空隙檢測(22個機構)和橋梁的分層檢測(16個機構)；隨后的是分層檢測(11個機構)，鋼梢釘的深度檢測(8個機構)，掩埋物檢測(8個機構)，基石的深度檢測(8個機構)，瀝青的剝離檢測(7個機構)，以及橋梁支撐處的沖刷檢測(6個機構)。這些多種多樣的探地雷達的應用中，似乎最成功的是路面厚度的測量，不過有些機構表示空隙探測的結果不令人滿意，以及瀝青剝離的結構也是有爭議的(Morey，1998)[1]。

本文給出了在斯堪的納維亞半島和美國的道路調查中，探地雷達最先進的審查方法。本文不會解決探地雷達在橋梁測試的運用，因為這是一個大區域，需要一個單獨的文章。在世界的其他地方，探地雷達技術被20多個國家用于監測道路，據作者所了解，道路上的探地雷達調查被廣泛用于加拿大，法國，意大利，瑞士和英國。

2 探地雷達技術應用在道路上的軟硬件設施

2.1 硬件

脈沖雷達技術是建立在測量短電磁脈沖通過路面，然后從結構內部的電性分界面部分反射后的旅行時間和反射振幅之上的。當探地雷達脈沖波遇到不同的材料或者是含水率和密度發生變化時，電性分界面出現在層界面上。探地雷達通常有以下三個部分:

1)一個脈沖發射器，它可以產生一個具有給定頻率和功率的單脈沖；2)一個可以把脈沖發送到介質中然后回收的天線；3)一個樣品采集器，它可以分析信號然后把它轉化成電腦可以儲存的樣式。常見使用的探地雷達可分為兩大類：空中發射喇叭天線和地面耦合偶極子天線。

地面耦合天線可以在很大的中心頻率范圍內運作，從80 MHz～1 500 MHz。和空中發射系統相比，地面耦合系統的明顯優勢是它的滲透深度，但是，如果地面耦合和天線響鈴存在問題的話，就會導致：如果不經過信號處理，將很難從附近的地面處獲得一定的信息。地面耦合系統數據收集速度通常是5 km/h～15 km/h。地面耦合系統的領先制造商是美國新罕布什爾州的GSSI，其他廠商還包括加拿大的Sensors和Software以及瑞典的MALA。

空射系統操作的范圍是500 MHz～2.5 GHz,最常見的中央頻率為1.0 GHz。它們的滲透深度一般是0.5 m～0.9 m。在數據采集工程中，這些天線被懸掛在地面以上0.3 m～0.5 m。數據的收集速度可以達到100次/s掃描，以至探地雷達的調查速度可以達到100 km/h。目前美國有三家生產和銷售空射系統：新罕布什爾州的GSSI，紐約的Penetradar和得克薩斯州的Pulse Radar。為了促進研發更好的探地雷達硬件系統，對于具有較高的頻率500 MHz以上的空中發射天線和地面耦合天線，Scullion et al(1996)提出了測試方案和性能指標[1-3]。

在未來，道路探地雷達硬件開發將是更小的、非接觸的天線和多通道數據采集系統，這允許來自道路的斷層圖像。由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Davidson and Chase,1998)開發的64—愛馬仕橋梁檢查系統，便是其的一個例子[2,3]。

2.2 軟件

適用于道路調研的探地雷達軟件可以被分成四組：

1)探地雷達數據采集軟件;2)探地雷達數據處理軟件;3)解釋和可視化軟件;4)集成道路分析和設計軟件。

大部分的探地雷達數據采集軟件已經被探地雷達系統開發商研發。定制的數據收集和質量控制軟件包也正在開發之中。然而當空中發射喇叭系統被用于質量控制系統目的的時候，也即是測量數據必須可以重復，以及探地雷達的結果用來測定新建成項目的獎金和罰款的時候，就需要改進的軟件包。

數據采集軟件一個非常重要的特征是與定位系統的聯系，例如全球定位系統，這是因為現代路面管理系統，路面設計軟件需要將信息放到x，y，z坐標系中。目前，大部分系統正在使用的距離都是基于數據采集控制的。在不久的將來，精確的定位以及探地雷達數據和其他路面調查數據的聯系將會是一個非常重要的研究方面。

探地雷達制造商也提供探地雷達數據處理系統，但大部分的軟件已被寫入，以便處理土壤耦合收集地質調查數據。空射探地雷達系統產生比較干凈且可重復的信號，因此，處理過程只需要基本信號濾波和背景去除算法。數據處理軟件在將來的一個挑戰是如何推斷路面層和路基電性的定量信息。為了解決路面結構評估中的一些基本問題，在調查有前景的技術時，Spagnolini(Spagnolini,1996;Spagnolini,1997;Agosti et al,1998)已經接觸到這個問題，即在獲得道路結構中介電常數垂直分布的信息反演技術和相互重疊時反射精確位置的層間剝離技術[2,3]。

道路探地雷達數據解釋和可視化軟件被用于檢測層界面和探地雷達數據的單個對象，以及用于將探地雷達時間范圍轉變成深度范圍。他們已經做了很多的努力，包括神經網絡，來研發道路和橋梁的自動判讀軟件。然而，這些開發項目的結果并不令人滿意，甚至已經給公路工程師帶來了迷惑。自動判讀軟件包可能永遠不會成功的原因是，道路是具有積累和惡化的歷史結構，它在縱向、垂直方向和水平方向都是不連續的。這就是為什么，被訓練有素的、有經驗的翻譯人員使用的半自動判讀軟件和限制取芯以及其他參考調查結果一起，會被證明是在道路調查中唯一的工作解決方案。使用者必須通過比較有問題界面和附近其他的回波剖面，來確定回波是來自真正的界面而不是強反射間的多次反射后的結果。自動判讀也許只能在一種情況下可以用來計算正確的厚度和介電常數，那就是，調查新的和有缺陷的自由路面。

探地雷達軟件中的新一代綜合路況分析和設計的軟件包，它是專門為探地雷達數據和其他道路調查數據的聯合分析而設計的，它的能力是，計算描述老路狀況的參數以及新道路結構和修復設計需要用到的參數(Saarenketo,1999)。在道路調查中，探地雷達的數據輸出是以數據表格的形式出現的，或者是縱向剖面可視化，或者是GIS地圖。在很多情況下，實際的探地雷達數據是不提供的，只有可視化的結果。當與其他數據類型例如縱向剖面相結合的時候，探地雷達用于識別表面缺陷的潛在原因。

3 展望

雖然探地雷達應用到道路和公路上的歷史比較短暫，但是這種方法已經被證明是解決各種公路工程問題的一個有效工具。對大多數公路機構而言，探地雷達在道路上應用的生命周期依然在導入期。意識和教育依然需要來使這種方法被擴散和接受。

探地雷達在將來道路調查中的一個重要因素，是在常規道路分析、道路恢復以及設計程序中建立這種技術。雷達作為一個僅針對特定路面調查項目的方法，雖有趣但模糊，它應該改變成在其他調查技術中使用的常規道路調查工具。為了這個目的，我們需要為探地雷達設備，數據采集和判讀技術建立一定的標準和規范。

盡管本文介紹了道路探地雷達技術，也提出了一些成功的案例，但是世界范圍內仍然有些失敗例子的存在。這些是因為銷售商對這種技術的過度銷售，他們懂得這種技術但是并不欣賞路面系統的復雜性能。

將來最大的希望需要三個關鍵的步驟：

1)研發對使用者有利的軟件包，將探地雷達數據和其他道路調查數據轉變成對道路工程師有用的信息；2)理解道路材料和路基土壤的電性以及它們和水分、強度、變形的相關性；3)培訓公路機構和探地雷達數據的使用者以及負責探地雷達調查的工作人員。當我們達到這些要求時，那么探地雷達技術和應用將會在道路的設計、建造和維護產業中產生巨大的市場。

[1] Timo Saarenketo, Tom Scullion. Road evaluation with ground penetrating radar[J]. Journal of Applied Geophysics，2000(43):119-138.

[2] 楊天春，呂紹林，伍永貴.地質雷達檢測道路結構的理論及應用分析[J].中南工業大學學報(自然科學版)，2001,32(2)：118-121.

[3] 羅石貴，周九紅.道路結構層缺陷無損檢測技術研究[J].公路，2012(5):317-319.

On application of ground penetrating radar technique in road evaluation

Liang Peng

(ChongqingCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstitute,Chongqing401121,China)

The paper sums up the operation principles for the ground coupling and air-launch ground penetrating radar system, discusses the information treatment and data analysis technique, and analyzes the functions of the ground penetrating radar technique in the evaluation of road basement, researches on road structures and quality control, so as to enhance its application in road projects.

ground penetrating radar, road structure, roadbed, dielectric constant

2015-06-24

梁 鵬(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)25-0159-02

P624

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