基于探地雷達的道路工程探測研究綜述

胡昕 陶國志 覃育祥 李瑤瑤

摘 要：由于具有無損探測的優勢，探地雷達被廣泛應用于道路勘探、工程質量檢查等工程建設、檢測領域。探地雷達很早之前就已經開始應用于道路工程中，在國內外的應用都有了一定的發展，相關技術也日趨成熟。本文介紹了探地雷達的基本原理，回顧了國內外學者對于探地雷達在道路工程中的應用與研究的進展和成果，總結國內外研究現狀然后結合無損檢測的特性對探地雷達在道路工程上的發展提出預測。

關鍵詞：探地雷達;道路工程;無損檢測

0 前言

道路象征了歷史文明，促進了社會的發展、文明的進步。現代道路是科學進步的標志，經濟發展的象征。盡管我國基礎設施建設近些年來突飛猛進，各類道路里程不斷增長，但我國與發達國家相比依然存在差距。由于我國近代道路建設起步較晚，所以高速公路總量、面積、密度和通信能力都相對偏低。國、省干線公路的改造，農村公路的建設，各級公路的養護、維修和改造等任務仍然很艱巨。城市道路的供需矛盾仍很突出，城市道路交通的擁堵，安全和環保等問題需要我們進一步努力解決。探地雷達技術作為新興的無損檢測方法，對道路的養護、提升施工質量等具有重要意義[1]。

1 工作原理及發展歷程

探地雷達是利用高頻電磁對地表下結構和埋設物進行探測的新型無損探測儀器。它的工作方法類似于地震，由于電磁渡能夠穿透地表，探地雷達向地下發射電磁渡，當電磁渡在地下遇到地質材料特性發生變化的界面時會發生反射，通過接收反射回來的信號，根據信號中的參數，解譯出目標深度、介質結構及性質。經放大、數字化處理和顯示，為解釋提供必要的數據和圖像[2]。

二維探地雷達主要是利用電磁波的反射原理，根據地下介質的介電系數不同進行判斷，見圖1[3]。而傳統的二維探地雷達利用一對接收天線回收信號獲得數據，經過濾波技術和反演技術等進行數據處理，實現三維成像。而這種技術只能實現局部的三維成像，未能演示出地下整體真實的結構。真三維探地雷達采用陣列式天線，多個發射天線同時工作，多個接收天線可以接收到任意一個發射天線的信號，這就做到了真三維數據采集。通過對數據進行三維采集，實現三維成像，見圖2[3]。

從1904年德國人Hutsemeyer利用電磁波信號探測地下金屬體開始，探底雷達便逐漸開始被運用。Letmjbach和lawy在1910年提出了探地雷達的概念，他們在專利中利用埋置的兩個偶極天線接收信號的區別來對地下媒介進行定位。1926年，Hutsemeyer正式提出了利用高頻脈沖電磁波探測地下物質，他發現了在介電常數不均勻的介質交界面上電磁波會發生反射，這個發現就是探地雷達后期研究的基本理論。直到20世紀80年代，探地雷達雖有了一定的發展，但其應用被技術不足所局限，以至于其應用只在冰層、巖鹽等對電磁波吸收較弱的物質。在20世紀80年代之后，電子科技技術與數據處理技術越發成熟，被廣泛應用，探地雷達技術開始了快速發展，葉超強、劉斌清等人在《探地雷達技術在公路工程中的應用綜述》中介紹到：國內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，東南大學研發的GPR型探地雷達等。國外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[1，2]。

2 探地雷達在道路工程中的應用

王春暉、楊強等人在《探地雷達技術的發展及其在公路工程中的應用綜述》中對探地雷達在道路工程中的應用介紹得十分詳細，重點如下：

（1）在道路工程前期對地質地基進行勘察探測，確定地質結構，排查出流沙、暗河等不良地質體[2]。

（2）在道路工程施工期間，可強化施工管理。例如∶①及時調整設計;②計算面層用料;③讓施工單位自覺嚴把質量[2]。

（3）在道路投入使用后，探地雷達可用于道路的日常探測監察，及時排查路基路面結構存在的隱患。路用探地雷達大多應用在道路的后期檢測維修上，如：①路面結構層厚度檢測;②缺陷識別;③基層材料評價;④針對裂縫開展探測和跟蹤，研究裂縫成因，制定合理的維護方案;⑤探測瀝青與集料之間的剝落以及瀝青面層與基層之間的脫開;⑥對混凝土板下的脫空進行識別，以及時掌握路況條件，做到預防性維護;⑦識別橋面內部缺陷，對橋面進行相關評價[2]。

3 展望與結語

探地雷達快速、便捷、無損、精度高。傳統的探測方法已經不能滿足當前社會發展的要求，實現對道路空洞的快速無損探測對道路管理和養護具有重大的意義。

探地雷達未來的應用將會越來越廣泛，在三維成像技術方面李世念、尹光輝等人提出了一種基于時域有限差分法（FDTD）的GPR三維逆時偏移算法，能夠精確重構異常體的三維空間形態和內部結構信息，極大地提高了雷達剖面的分辨率。建立人工智能的數據庫，實現對數據的實時自動處理和對道路淺地表全三維直觀成像，將是其未來發展的方向[4]。

本文對探地雷達的基本原理進行了簡述，簡單介紹了探地雷達技術在國內外的發展過程，對前人利用探地雷達探測道路方面的研究進行了總結并作出了進一步的展望。目前探地雷達在道路工程方面的研究已較廣，也存在一些不足，還有進一步研究發展的空間。

參考文獻：

[1]葉超強，劉斌清，禤煒安，等.探地雷達技術在公路工程中的應用綜述[J].道路工程，2018（6）：38-40+105.

[2]王春暉，楊強，陳長，等.探地雷達技術的發展及其在公路工程中的應用綜述[J].中外公路，2007，27（4）：211-213.

[3]司友強，咼潤華，李夢茹.道路空洞無損探測技術發展研究[J].公路，2020（2）：29-32.

[4]馬永輝，鄭文青，遲曉雙.基于GPRSIM的道路地下病害體探地雷達正演模擬研究[J].科學技術與工程，2020，20（22）：8898-8903.