探地雷達技術在公路工程中的應用綜述

葉超強，劉斌清，禤煒安，徐國棟，黃澤國

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來我國公路基礎建設突飛猛進，道路里程不斷增長，道路損害比例逐漸增加。隨著我國公路基礎逐步完善，道路養(yǎng)護將成為公路行業(yè)的主流，因此，道路質量檢測和養(yǎng)護任務比重會越來越大。當前道路檢測手段大部分仍使用傳統(tǒng)方法，傳統(tǒng)技術不僅存在效率低、耗時長、代表性差及精度低等缺點，而且對路面整體性有一定損害，與快速、智能、高效、高精度的現代化需求有一定差距。探地雷達(Ground Penetrating Radar)始用于地球物理學領域，近年由于受到海內外公路工程行業(yè)專家學者普遍關注而獲得快速發(fā)展，探地雷達技術作為新興的無損檢測方法，對公路行業(yè)的快速養(yǎng)護評價、路網養(yǎng)護水平、施工質量提升、路面長期性能研究等方面具有重要的實際意義。

1 工作原理

利用探地雷達檢測需要對目標體假設一定的條件，即假設檢測對象的結構為層狀結構模型。探地雷達系統(tǒng)是采用高頻電磁波信號(106～109HZ)穿透物質進行電磁波的傳播和反射，運用運動學原理進行檢測分析。探地雷達產生寬頻帶短脈沖電磁波向檢測目標發(fā)射，遇到不同介電性質的交界面時產生反射，接收天線接收反射波信號，系統(tǒng)根據振幅、頻率及波型等參數進行處理，分析出目標體的深度、介質及幾何形態(tài)，采用正演或反演的計算方法進行數字模擬及物理模擬，對地下目標進行成像處理，直接從顯示設備識別異常特征，做到對地下隱蔽目標的直觀檢測分析。

2 技術發(fā)展過程

20世紀初，德國的Hutsemeyer教授用高頻電磁波信號對地下金屬體進行搜索，開創(chuàng)雷達探測地面的先河，被作為探地雷達的初級形態(tài)。1910年，德國的Letmbach和Lawy在所發(fā)明的專利中提出了探地雷達概念，該專利設計一種探測掩埋目標的方法，將偶極天線埋在兩個空洞中進行發(fā)射和接受，其中一個空洞為高導電率媒介，對電磁波具有衰減作用，通過比較兩孔洞接收信號的強弱差別，對高導電率媒介進行定位。正式提出利用高頻脈沖電磁波對地下物質進行探測的人是德國的Hutsemeyer，其在1926年提出電磁波在不均勻介電常數的介質交界面會產生反射現象，這一重要理論的提出被作為后期探地雷達研究的基本理論。

直到20世紀80年代，脈沖電磁波探測地下目標得到一定發(fā)展，但是由于技術局限性，地下介質具有較強電磁衰減性和復雜性等影響因素，探地雷達僅局限于對電磁波吸收較弱的冰層、巖鹽等物質的探測應用。1951年的Steenson和1963年的Evens運用電磁波技術對冰川截面尺寸進行檢測；1970年Hatison對南極冰層厚度進行800～1 200 m穿透深度探測；1974年，Morey對水介質的剖面進行模擬成像；1974年Cook和Unterberger實現對鹽礦夾層的探測。

自1970年至今，隨著電子科技技術的發(fā)展以及數據處理技術的廣泛應用，探底雷達得到多元化發(fā)展。國內如中科院長春地理研究所的SI2R型探地雷達、中國電子科技集團公司第二十二研究所的LTD探地雷達，東南大學研發(fā)的GPR型探地雷達等。[1]國外如美國地球物理探測設備公司(GSSI)的SIR系列，日本應用地質式會社(OYO)公司的Georadar系列等。[2]

3 國內外研究現狀

歐美等發(fā)達國家長期采用探地雷達對高等級公路結構層病害、厚度進行探測，并分析研究，形成系統(tǒng)的路網檢測與評價方法。1992年，Scullion T和Lau C把路面結構層實際厚度輸入到FWD反算軟件中，計算每結構層的彈性模量作為研究思路來提高落錘式彎沉儀(FWD)反算數值的精度，通過探地雷達探測結構層厚度，再采用FWD試驗確定路面結構層變化的界線，結合探地雷達數據進行判定結構層內部可能存在的損壞。[3-8]

美國德克薩斯大學交通學院Master和Scullion等采用GPR對幾條發(fā)生剝落的瀝青混凝土路面進行結構層內部分析，數據表明存在剝落的段落在路表與面層和基層界面反射間有一個波峰，對于不存在剝落的瀝青路面段落則電磁波反射所形成的波形圖只在路表、面層與基層界面產生波峰。[2]

1994年Momayez嘗試用探地雷達檢測路面結構層內部裂縫位置，但檢測結果并不能反映實際情況。1990年，美國的Roth研究表明介電常數與含水率、孔隙率存在物理公式，并通過大量物理實驗得到土結構層濕度與介質介電常數之間的關系，為探地雷達研究道路結構層界面參數提供了理論依據。[9]美國的Robert Lytton教授最早利用GPR技術對含水量和壓實度的檢測進行研究，并且得出電磁波與兩者的關系。[10]

沈飚等研究表明探地雷達電磁波探測波動方程與地震彈性波波動方程是相似的，采用正演模擬電磁波在二維介質中的傳播，所得模擬效果與實際模型相吻合，提出了臺階二維地電模型，為高分辨探地雷達波勘探奠定了理論基礎。[11]

付國強系統(tǒng)研究了路基空區(qū)中不同介質和非均勻介質差異對雷達反射波參數以及成像特征的影響，不同介電常數所產生的正演模擬圖像存在差異，介電常數差異越大，波像特征差異越大，反之，越小。[12]

張蓓采用高階FDTD法實現了高精度復雜介質的數值模擬，對于較大數值色散的較復雜介質或者截斷面電磁反射也可以分析其精細變化，獲得高階差分條件下的穩(wěn)定性和吸收邊界條件；指出地面波測量混凝土的介電常數精確度高，但只能夠反映表層附近介質。

2001年，中南大學的楊天春等采用SIR210型探地雷達對長益高速公路及長沙繞城路共計110 km瀝青路面進行探測并將數據進行厚度反演，所得計算結果與鉆芯取樣對比，厚度誤差在0.1 cm內，誤差較少。[13]賈學明等在2005年采用GSSI公司的SIR-3000探地雷達對5 km基層段落進行厚度檢測，探測結果與鉆芯取樣作對比，結果表明，兩者結果誤差在3%以內。

綜上所述，目前探地雷達在工程應用領域還處于起步階段，在脈沖源技術、反算方法、模型建立、分析軟件等都限制著探地雷達在工程領域的應用，對于理論研究以及硬件研發(fā)也有一定的現實需求。探地雷達在路面工程應用存在較大缺口，路面結構層的檢測參數促進著探地雷達的發(fā)展，目前對于路面厚度、壓實度、脫空、裂縫、層間缺陷及含水量等探測存在局部精確度不高的問題，某些檢測項目還處于較為初級的研究階段。因此，探地雷達技術在具體實施及應用中還需要進一步探索開發(fā)。

4 目前存在問題

(1)目前探地雷達分析軟件多半建立在忽略目標體介電常數虛部的基礎上，對于高電磁波吸收介質(如水泥混凝土)檢測中出現電磁波傳播過程損失偏大，結果精確度較低，數據不滿足實際工程要求的情況。

(2)GPR在脫空識別領域發(fā)展徘徊不前。探地雷達對于路面脫空探測需要正演計算模擬，而目前針對剛性路面的脫空的正演模擬較少，部分正演模擬也僅存于理論階段，缺少實際工程應用的支撐。

(3)提高探地雷達的發(fā)射功率和發(fā)射效率，屏蔽或者壓制現場各種電磁信號以及傳播過程中不均勻介質或截面產生的干擾，增加探測深度以及圖像分辨率。

(4)探地雷達主機和天線等硬件需要有創(chuàng)新性的變革來提高高頻電磁波的穿透效果，以適應高精度大深度的高要求探測趨勢。

5 結語

我國探地雷達道路工程應用始于20世紀80年代末，相關科研院校及生產商引進了歐美、日本等發(fā)達國家的技術及設備，專家學者也開展相應研究，使得探地雷達在公路領域的硬軟件研發(fā)、理論研究都取得豐碩成果。目前，雖然探地雷達在實際應用中存在一些難題，如探測深度、繞射散射現象、含水量擾動和反射波滯后等問題影響著結果精確度，但探地雷達在道路工程應用是個研究熱點與趨勢，隨著數字信號采集技術、數據處理方法及電磁波抗干擾等研究的創(chuàng)新變革，探地雷達將迎來更深入的探索和開發(fā)。