城市道路病害特征地質(zhì)雷達(dá)正演模擬及快速識(shí)別

張建智

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，涿州 072750)

隨著信息技術(shù)發(fā)展，智慧城市建設(shè)步伐加快，以地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)為基礎(chǔ)的城市道路安全預(yù)警系統(tǒng)正在有序推進(jìn)，可為市政和道路維護(hù)部門提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，提高城市道路防災(zāi)減災(zāi)能力[1-2]。

地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從二維(多通道)到全三維地質(zhì)探測(cè)的過(guò)渡，在多地開(kāi)展了道路三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作，取得了海量數(shù)據(jù)，獲得了很好的效果[3]。但在道路地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)解釋方面進(jìn)展緩慢。王秀榮等[4]研究了以常規(guī)的波形特征分析和振幅特征分析的三維地質(zhì)雷達(dá)解釋技術(shù)。鄭國(guó)梁等[5]簡(jiǎn)述了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)水泥路面脫空的基本原理。王亮等[6]通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)巖溶洞穴的物理模擬，研究了巖溶洞穴在剖面和平面上的特征。高永濤等[7]研究了基于小波域KL變換的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)。熊洪強(qiáng)等[8]對(duì)鐵路道床翻漿冒泥的時(shí)頻域特征進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)道床翻漿冒泥使頻譜中的特征頻點(diǎn)幅值減弱,頻域幅值變化百分?jǐn)?shù)在道床翻漿冒泥中顯著高于時(shí)間域的變化規(guī)律。張海如等[9]對(duì)探地雷達(dá)信號(hào)頻帶介電譜特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為頻帶介電譜特征向量可以對(duì)公路基層的密實(shí)度特征和含水量特征進(jìn)行有效識(shí)別。郭士禮等[10]研究了典型道路隱形病害的地球物理特征及地質(zhì)雷達(dá)波組特征。徐昕軍等[11]提出了一種基于探地雷達(dá)與概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市道路路基病害預(yù)警模型，并在鄭州市中牟縣的濱河路和薈萃路進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。呂高等[12]研究地質(zhì)雷達(dá)在混凝土面層與墊層的界面反射特征與規(guī)律,通過(guò)提取回波幅值對(duì)壩體病害缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和判斷。丁亮等[13]、許獻(xiàn)磊等[14]對(duì)道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的探地雷達(dá)波場(chǎng)反演方法、針對(duì)性處理方法進(jìn)行了研究。因此，通過(guò)對(duì)路面檢測(cè)中常見(jiàn)的異常體(空洞、積水區(qū))的介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)，通過(guò)正演模擬，分析常見(jiàn)異常體的地質(zhì)雷達(dá)波形特征和頻譜特征，結(jié)合實(shí)際案例提出基于快速頻譜變換的解釋方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)空洞、積水區(qū)的快速識(shí)別。在實(shí)踐項(xiàng)目中表明，對(duì)于特定頻率的天線，空洞、積水區(qū)頻譜范圍相對(duì)固定，使用200 MHz天線在路面檢測(cè)中含水異常體主頻為120～160 MHz，空洞異常主頻在200～260 MHz。且頻譜剖面異常特征明顯優(yōu)于振幅剖面特征，可以作為道路病害定性評(píng)價(jià)的依據(jù)。

1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線將高頻電磁波送入地下，經(jīng)地下地質(zhì)體反射、折射后返回地面，接收天線接收信號(hào)，形成振幅圖像[15]。

在圖1、圖2中，假設(shè)電磁波由地面向地下發(fā)射，經(jīng)過(guò)地下介電常數(shù)為ε1和ε2的2層均勻介質(zhì)，其反射系數(shù)R和透射系數(shù)T的計(jì)算式為

(1)

(2)

式中：R為反射系數(shù)；T為透射系數(shù)；ε1、ε2和ε3分別為介質(zhì)1、介質(zhì)2和介質(zhì)3的相對(duì)介電常數(shù),相對(duì)介電常數(shù)為比值參數(shù)。

根據(jù)式(1)和式(2)可知，反射系數(shù)僅與分界面兩側(cè)相應(yīng)介電常數(shù)的大小有關(guān)。當(dāng)兩個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)相同時(shí)，反射系數(shù)為0，僅有透射而不發(fā)生反射。在實(shí)際路面檢測(cè)時(shí)，由于空洞、積水區(qū)、離析層等地質(zhì)異常體的存在，接收到的信號(hào)包括了反射、折射、透射等信息。

2 正演模擬

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)正演模擬電磁波在介質(zhì)中的傳播過(guò)程，研究其波場(chǎng)特征，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2.1 模型網(wǎng)格選擇

模型的網(wǎng)格劃分是正演模型的基礎(chǔ)，二維模型網(wǎng)格一般滿足以下條件：

(3)

(4)

圖1 兩層均勻介質(zhì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)示意圖Fig.1 GPR map of two layers of uniform medium

圖2 夾局部異常體層狀介質(zhì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)示意圖Fig.1 GPR map of two layers layered medium with local abnormal body

式中：Δs為二維模型網(wǎng)格大??；λ*為電磁波波長(zhǎng)；c為電磁波在真空中的傳播速度；f為天線中心頻率；εr為介質(zhì)的介電常數(shù)。

根據(jù)計(jì)算，二維模型網(wǎng)格為0.01 m時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生空間假頻而且滿足空間采樣要求。

2.2 模型數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用了常用的時(shí)域有限差分法，針對(duì)道路病害探測(cè)中最重要的空洞、積水區(qū)異常，模擬了半空間中不同尺度空洞、充水空洞的電磁波異常響應(yīng)特征[16-17]。

在正演模擬計(jì)算時(shí)，選擇天線中心頻率為200 MHz，模擬場(chǎng)源為時(shí)諧場(chǎng)源，時(shí)窗為50 ns,采樣512個(gè)，自動(dòng)增益。

2.2.1 半空間模擬

針對(duì)我國(guó)相關(guān)文獻(xiàn)的梳理，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)我國(guó)對(duì)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的理論研究還相對(duì)薄弱，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)班的開(kāi)展仍處于探索和發(fā)展階段，對(duì)實(shí)驗(yàn)班創(chuàng)辦的相關(guān)研究不夠充足，尚未形成系統(tǒng)的理論體系，研究的重點(diǎn)主要側(cè)重在以下方面。

圖3所示為2層均勻介質(zhì)的半空間模型，淺層路面面層、基層電導(dǎo)率為0.000 1 S/m,相對(duì)介電常數(shù)為5，墊層電導(dǎo)率為0.000 3 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為8。

圖3 兩層介質(zhì)半空間模型Fig.3 Two-layers half-space model

圖4 地質(zhì)雷達(dá)正演響應(yīng)剖面Fig.4 GPR forward profile

圖5 含空洞兩層介質(zhì)半空間模型Fig.5 Half-space model of two-layers with voids

圖4所示為2層均勻介質(zhì)的半空間模型地質(zhì)雷達(dá)正演模擬響應(yīng)，從響應(yīng)圖可以看出，在空氣與地表、基層與墊層有明顯反射界面。

2.2.2 空洞模擬

圖5所示為路基有空洞時(shí)的模型，面層、基層相對(duì)介電常數(shù)為5，墊層相對(duì)介電常數(shù)為8，空洞模型厚度分別為0.1、0.5 m，相對(duì)介電常數(shù)為1。

圖6所示為模型的地質(zhì)雷達(dá)正演響應(yīng)剖面，圖中異常體在地質(zhì)雷達(dá)剖面上空洞邊界有明顯的同相軸畸變，在空洞異常中振幅反向，0.1 m空洞在剖面8～15 ns窗口有較強(qiáng)的反射信號(hào)，0.5 m空洞在剖面8～18 ns窗口有較強(qiáng)的反射信號(hào)。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)正演剖面Fig.6 GPR forward profile

空洞正演模擬特征：路基中存在脫空或空洞時(shí)，橫向上邊界同相軸畸變明顯，在縱向上隨空洞厚度增大，振幅增強(qiáng)區(qū)范圍增大。

2.2.3 積水區(qū)模擬

圖7所示為路基空洞積水時(shí)的模型，模型大小與圖5相同，積水區(qū)模型厚度分別為0.1、0.5 m，相對(duì)介電常數(shù)為81，模擬了空洞充水時(shí)的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)。

圖8所示為積水異常體的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)，地質(zhì)雷達(dá)剖面上積水區(qū)頂邊界同相軸畸變幅度不大，頂邊界振幅周期略有增大，積水異常體厚度0.1 m在剖面20～26 ns窗口有較強(qiáng)的反射信號(hào)，積水異常體厚度0.5 m，在剖面33～39 ns窗口有較強(qiáng)的反射信號(hào)，為底界面反射。

路基中積水區(qū)正演模擬特征：路基中存在積水時(shí)，頂界面橫向邊界同相軸畸變不明顯，底界面形成明顯的反射界面。

圖7 含積水空洞兩層介質(zhì)半空間模型Fig.7 Half-space model of two-layers with water-filling cavity

圖8 地質(zhì)雷達(dá)正演剖面Fig.8 GPR forward profile

3 實(shí)測(cè)剖面特征

3.1 實(shí)測(cè)空洞剖面特征

圖9所示為云南昆明市華山路空洞探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖。由于該路段局部突然發(fā)生破損，懷疑為溶洞引起，使用美國(guó)GSSI公司200 MHz天線對(duì)部分路段進(jìn)行了探測(cè)，時(shí)窗0～40 ns。路面墊層為強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r，平均介電常數(shù)為 10，探測(cè)深度2 m左右。在實(shí)測(cè)雷達(dá)剖面圖上看，橫向1～2 m樁號(hào)在11～21 ns時(shí)窗深度范圍內(nèi)有明顯的多次波，在26 ns和34 ns深度同相軸頻帶變寬，經(jīng)1.3 m樁號(hào)鉆孔驗(yàn)證：0.51 m處見(jiàn)空洞，空腔深度1.2 m，底部為淤泥，厚度0.3 m。

圖9 實(shí)測(cè)地質(zhì)雷達(dá)剖面頻譜分析圖Fig.9 Spectrum analysis map of GPR profile

從頻譜曲線看，在0.5 m處，路基為正常狀態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)有效頻帶范圍在120～220 MHz，在200～220 MHz形成單峰優(yōu)勢(shì)主頻；在1.5 m處空洞異常處，有效頻帶范圍在120～260 MHz，在120～140 MHz和200～260 MHz形成雙峰優(yōu)勢(shì)主頻，120～140 MHz為空洞內(nèi)含水淤泥對(duì)高頻電磁波的吸收作用形成，空洞形成的多次波頻帶范圍在200～260 MHz，較正常地層主頻帶稍寬。

3.2 實(shí)測(cè)充水空洞剖面特征

圖10所示為廣州番禺區(qū)公路路面檢測(cè)的空洞探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，探測(cè)使用了200 MHz天線，時(shí)窗0～110 ns。路面面層為混凝土，路基為第四系黃土，探測(cè)深度在4 m左右。從雷達(dá)剖面圖上看，在橫向100.5～101.8 m樁號(hào)30 ns和75 ns時(shí)窗深度有明顯的同相軸振幅增強(qiáng)，與正演模型空洞積水特征一致，經(jīng)驗(yàn)證為地下管線漏水沖刷形成的空洞。

頻譜曲線特征：103 m處，檢測(cè)路基為正常狀態(tài)，信號(hào)主頻在270～350 MHz；101 m積水空洞異常處，信號(hào)主頻在120～160 MHz，反映了空洞內(nèi)積水對(duì)高頻電磁波的吸收作用。

圖10 實(shí)測(cè)地質(zhì)雷達(dá)剖面頻譜分析圖Fig.10 Spectrum analysis map of GPR profile

根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目證實(shí)，使用200 MHz天線在路面檢測(cè)中含水異常體主頻為120～160 MHz，空洞異常主頻在200～260 MHz。

4 道路病害異?？焖僮R(shí)別實(shí)現(xiàn)方法

城市道路病害異?？焖僮R(shí)別的要求是對(duì)主要病害特征快速呈現(xiàn)、快速識(shí)別?；趯?duì)路面檢測(cè)中含水異常體和空洞的異常特征認(rèn)識(shí)，地質(zhì)雷達(dá)波形特征包含著地下介質(zhì)的綜合地質(zhì)特征信息，包括但不限于時(shí)間、振幅、頻率、相位、相關(guān)、吸收衰減等屬性特征。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中固定天線對(duì)空洞的頻率響應(yīng)特征，選擇快速頻譜變換的方法獲取地質(zhì)雷達(dá)頻譜剖面，通過(guò)對(duì)頻譜剖面上頻譜異常區(qū)識(shí)別，達(dá)到道路病害異?？焖僮R(shí)別的目的。

由于地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)波場(chǎng)特征的相似性，通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，利用地震解釋模塊中的快速頻譜變換模塊實(shí)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)剖面的快速頻譜變換。

5 測(cè)試效果

圖11所示為在河北承德市路面檢測(cè)的一段典型剖面，在剖面0.5～1.0 m處地面有翻漿，從地質(zhì)雷達(dá)振幅剖面上看，在25 ns范圍內(nèi)同相軸連續(xù)，無(wú)明顯異常。圖12所示為圖11剖面通過(guò)頻譜變換剖面，100～140 MHz分頻顯示0.4～1.1 m處有明顯的含水異常顯示，經(jīng)淺鉆驗(yàn)證為路基疏松，局部含水量高。

圖11 地質(zhì)雷達(dá)振幅剖面Fig.11 GPR amplitude profile

圖12 地質(zhì)雷達(dá)分頻處理剖面(100～140 MHz)Fig.12 GPR frequency division processing profile (100～140 MHz)

圖13所示為云南某公路地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)剖面，從剖面上看，20 ns范圍內(nèi)同相軸均勻，無(wú)明顯異常，在K118+028.5～K118+030 m樁號(hào)有振幅異常。圖14所示為剖面頻譜圖，圖中剖面起始位置～K118+024.5、K118+027.4～K118+028、K118+028.5～K118+030 m有明顯的含水量高的特征，K118+030 m為跳橋位置，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證為局部積水。

圖13 地質(zhì)雷達(dá)振幅剖面Fig.13 GPR amplitude profile

圖14 地質(zhì)雷達(dá)分頻處理剖面(100～140 MHz)Fig.14 GPR frequency division processing profile (100～140 MHz)

基于提取地質(zhì)雷達(dá)剖面的頻譜屬性進(jìn)行解釋的思路，對(duì)2處驗(yàn)證過(guò)的道路隱伏病害地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的重新處理，獲得對(duì)應(yīng)的頻譜處理剖面，含水異常位置在頻譜處理剖面120～160 MHz有明顯的主頻突出顯示，可作為200 MHz天線識(shí)別的含水異常屬性進(jìn)行快速識(shí)別處理，從而加快解釋速度，提高異常識(shí)別率，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，經(jīng)快速頻譜變換后，解釋效率可提高500%，異常識(shí)別率達(dá)到80%左右。

6 結(jié)論

從正演模擬出發(fā)，對(duì)路面檢測(cè)中常見(jiàn)的異常體(空洞、積水區(qū))的正演響應(yīng)進(jìn)行重建，并通過(guò)實(shí)際案例分析，獲得以下成果。

(1)提出了地質(zhì)雷達(dá)在城市道路病害檢測(cè)快速解釋的新思路。相比于振幅剖面，頻譜剖面異常識(shí)別特征更明顯，精度更高。

(2)基于頻譜變換的道路缺陷快速識(shí)別技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)省了大量的解釋工作量，為城市道路地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)提供了條件。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)采用的高頻天線信號(hào)成分復(fù)雜，在應(yīng)用中應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，不同主頻的天線對(duì)空洞、積水區(qū)的頻譜響應(yīng)特征是不同的，應(yīng)在實(shí)際工作中積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提高地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)精度和速度，更好地發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)在淺層探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。