超寬帶探地雷達在城市道路中的研究進展及展望

謝光瑩，王毅，王璇，代柳娟

（1.昭通市交通建設工程質量安全監(jiān)督局，云南 昭通 657000；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明 650217）

0 引言

城市道路作為城市交通基礎設施的重要組成部分，承擔著連接城市各個區(qū)域、促進人員和貨物流動的重要功能。然而，由于長期使用、自然環(huán)境和人為因素的影響，道路會出現(xiàn)各種病害，如裂縫、龜裂和沉降等問題，這些問題會影響道路的可靠性、安全性和使用壽命[1]。

對于城市道路的維護和管理，傳統(tǒng)的方法存在一些局限。例如，目前的檢測方法主要依靠人工巡視和傳統(tǒng)地質探測技術，存在信息延遲和不準確、耗時、耗力、成本較高、片面性等局限。因此，需要一種高效、安全、及時、準確且非侵入式的方法來檢測和評估城市道路的狀況，以指導維護和管理工作[2]。

在這樣的背景下，超寬帶探地雷達（Ultra-Wideband Ground Penetrating Radar，簡 稱UWB GPR）技術作為一種先進的地下探測技術，在城市道路管理中展示出巨大的應用潛力。UWB GPR 技術是一種不用載波，而采用時間間隔極短（小于1ns）的脈沖進行通信的技術，具有高分辨率、大探測深度和較好的穿透能力，能夠檢測到微小的道路病害和地下結構，并提供準確的地下圖像，主要應用在無線通信系統(tǒng)、三維定位、探測傳感器和雷達技術等方面[3]。

1 UWB GPR 技術原理和特點

1.1 UWB GPR 工作原理

超寬帶探地雷達（簡稱“UWB GPR”）利用超寬帶脈沖信號向地下發(fā)送電磁波，電磁波在介質中沿特定的方向傳播，當遇到介電常數(shù)不同的介質，在目標體及分界面會發(fā)生反射、折射、透射和繞射，由接收天線接收并記錄反射信號，通過處理和分析回波信號的波形、振幅強度和時間變化，推測介質的空間位置、形態(tài)信息。

超寬帶探地雷達系統(tǒng)主要由主機（主控單元）、發(fā)射機、發(fā)射天線、接收機、接收天線五部分組成。發(fā)射天線和接收天線成對出現(xiàn)，用于向地下發(fā)射信號和接收地下反射的雷達波；主機是一個采集系統(tǒng)，用于向發(fā)射機發(fā)送發(fā)射和接收控制命令（包括起止時間、發(fā)射頻率、重復次數(shù)等參數(shù)）；發(fā)射機根據(jù)主機命令向地下發(fā)射雷達波；接收機根據(jù)控制命令開始數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過采樣和A/D 轉換，將接收的反射信號轉換成數(shù)字信號進行顯示并保存（見圖1）。

圖1 探地雷達系統(tǒng)原理框圖

1.2 脈沖信號特性

UWB GPR 系統(tǒng)的脈沖信號具有幾個關鍵特性。首先，典型的UWB GPR 脈沖信號頻帶寬度通常在幾百MHz 到幾GHz 之間，甚至更寬。這樣的寬帶信號能夠提供高分辨率的地下成像能力。其次，脈沖信號具有短脈沖寬度，通常在幾ns 到幾百ps 之間，這使其能夠提供較高的時間分辨率，用于區(qū)分地下結構的不同反射界面。最后，脈沖信號還具有較低的能量損耗，使其能夠在地下介質中傳播較長的距離。

由于電磁波的傳播速度在特定介質中不變，可根據(jù)地面反射波與時間差，計算異常埋深。

式（1）～式（3）中：C為電磁波在空氣中的傳播速度，為3×108m/s；εr為傳播介質的相對介電常數(shù)，為1～81；X為反射與接收天線的距離（m）；H為埋深（m）；V為電磁波在介質中的傳播速度（m/s）；ΔT為已知目標物相對于地表的高差（m）。

介電常數(shù)是一個無量綱物理量，表征一種物質在外加電場情況下，儲存極化電荷的能力。自然物質中，介電常數(shù)最大的是水，介電常數(shù)為81，最小的是空氣，數(shù)值為1。介電常數(shù)不同的兩種介質的界面，會引起電磁波的反射，反射波的強度與兩種介質的介電常數(shù)及電導率的差異有關。常用介電常數(shù)，如表1所示。

表1 常見介質相對介電常數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

1.3.1 數(shù)據(jù)預處理

由于收發(fā)天線及天線與地層的互耦影響，隨機噪聲也會對接收信號中目標的回波形成干擾。所以探地雷達接收到的是一種弱信噪比、波形畸變的信號，數(shù)據(jù)預處理主要是去除或盡可能降低干擾信號成分，提高數(shù)據(jù)的信噪比。常用的回波信號預處理方法包括直流偏移去除、背景去噪和時變增益等。

1.3.2 反演算法

UWB GPR 的數(shù)據(jù)處理算法是將接收到的原始數(shù)據(jù)轉換為地下圖像。常見的數(shù)據(jù)處理算法包括時域反演、頻域反演和全波形反演等。時域反演算法根據(jù)脈沖信號的到達時間和振幅來推斷地下結構的位置和性質。UWB GPR 使用時域反演算法將接收到的回波信號轉化為地下結構的圖像。常見的時域反演算法包括逆時偏移（Reverse Time Migration，RTM）、波動方程算法等。這些算法基于回波信號的傳播和反射特性，通過計算和優(yōu)化來恢復地下結構的位置和形狀信息。

頻域反演算法基于脈沖信號的頻譜信息來恢復地下結構的反射特性。全波形反演算法利用原始數(shù)據(jù)的完整波形信息來重建地下介質的模型。這些算法經(jīng)常與成像技術結合使用，如疊加成像、疊前偏移和反射率成像等，以生成具有空間分辨率的地下圖像。

1.3.3 三維成像算法

為了實現(xiàn)三維地下成像，UWB GPR 需要采集多個掃描數(shù)據(jù)集合，可以通過在不同位置或角度進行掃描來實現(xiàn)。每個掃描數(shù)據(jù)集合包含有關地下結構的二維信息，同時，通過應用相應的三維成像算法，將二維掃描數(shù)據(jù)或多個掃描數(shù)據(jù)集合轉化為三維地下圖像，以顯示地下結構的空間布局和特征。常用三維成像技術包括切片疊加技術、體素化方法、逆時偏移算法（RTM）和增強成像算法等。

1.3.4 數(shù)據(jù)解釋和分析

UWB GPR 的數(shù)據(jù)處理算法還包括數(shù)據(jù)解釋和分析。研究人員或工程師需要對成像結果進行解讀和分析，以識別地下目標、判斷地下結構性質，以及評估潛在風險。

三維成像結果可以通過切片顯示等方式進行可視化，以展示地下結構的立體形狀和分布情況。成像結果通常需要由專業(yè)人員進行解釋和分析，以識別地下目標、判斷地下結構的性質和狀態(tài)。

2 超寬帶探地雷達在城市道路中的應用場景

2.1 道路病害探測

UWB GPR 被廣泛應用于城市道路路基的病害探測，如裂縫、龜裂和沉降等。如Batrakov DO 等2021 年通過使用UWB GPR 系統(tǒng)對道路進行掃描，并開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)處理算法來識別和定位道路病害。

2.2 地下管線和電纜定位

UWB GPR 被用于定位埋藏在城市道路下的地下管線和電纜。如Lu Q 等2018 年利用UWB GPR 系統(tǒng)對地下管線和電纜進行掃描，并采用數(shù)據(jù)處理算法來識別和定位這些地下設施。

2.3 道路探測中的優(yōu)勢

UWB GPR 在城市道路探測和維護中具有一些潛在的優(yōu)勢，包括提高探測效率、降低成本、減少交通干擾和提供全面的地下信息等。

2.3.1 相對于傳統(tǒng)的地下探測方法，如鉆孔和試坑等，UWB GPR 能夠快速獲取大面積的地下信息，可以通過實時數(shù)據(jù)采集和高速掃描，快速完成對道路下方結構的探測，節(jié)省大量的探測時間，提高探測效率。

2.3.2 UWB GPR 的使用可以減少人力和設備成本。由于其是一種非破壞性技術，不需要進行大規(guī)模的挖掘或拆除工作，從而減少施工和修復成本。此外，UWB GPR 的快速掃描和高效數(shù)據(jù)處理還可以減少數(shù)據(jù)采集和分析的成本。

2.3.3 傳統(tǒng)的道路探測方法通常需要封閉或限制交通流量，給城市交通帶來不便。用UWB GPR 進行道路探測時，只需要在特定區(qū)域設置臨時限制區(qū)域，不需要完全封閉道路，減少對交通的干擾，提高了道路的可用性。

2.3.4 UWB GPR 能夠提供高分辨率的地下成像，可以繪制出道路下方的地下結構和管線分布圖，提供全面的地下信息，幫助規(guī)劃和設計人員更好地了解道路周圍的地下環(huán)境，并制定相應的規(guī)劃和決策。

UWB GPR 為城市道路探測和維護提供了一種高效、經(jīng)濟和非破壞性的解決方案，因此能夠在城市道路管理中發(fā)揮重要的作用。

3 超寬帶探地雷達在城市道路應用的未來展望

3.1 UWB GPR 技術

針對UWB GPR 硬件部分，可以進一步改進天線設計和信號發(fā)射與接收系統(tǒng)，以提高信號的傳輸效率和接收靈敏度。此外，改進射頻電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以提高設備的可靠性、穩(wěn)定性和易用性。

在UWB GPR 成像技術方面，可以研究新的成像算法和數(shù)據(jù)處理技術，以提高分辨率、深度探測范圍和目標識別能力。使用先進的信號處理技術，如波束成像、反演算法和機器學習方法，以提高成像質量和準確性。

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

數(shù)據(jù)處理是UWB GPR 應用中的關鍵環(huán)節(jié)，可以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，以提高數(shù)據(jù)分析和解釋的效率和準確性，包括噪聲抑制算法的改進、信號去除和濾波技術的優(yōu)化，以及更高級的數(shù)據(jù)處理工具和軟件的開發(fā)。

同時，可以開展針對不同應用場景的數(shù)據(jù)處理算法研究，如道路病害探測、地下管線定位和地下結構評估等方面的特定算法開發(fā)，以滿足具體應用需求。

3.3 自動化和智能化

針對UWB GPR 在城市道路中的應用，可以研究自動化和智能化方法，減少人工操作需求。例如，開發(fā)自動化掃描和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以減少人工操作的時間和成本。

進一步研究機器學習和人工智能技術的應用，以實現(xiàn)UWB GPR 對數(shù)據(jù)的自動處理、目標識別和解釋。這將提高數(shù)據(jù)分析的效率，并為相關決策提供更準確和全面的信息。

3.4 多模態(tài)綜合應用

UWB GPR 可以與其他地下探測技術，如激光掃描儀、地磁傳感器等進行綜合應用，以便獲得更全面的地下信息。多模態(tài)綜合應用可以提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，并提供更多層面的地下結構信息。

未來的相關發(fā)展將進一步推動UWB GPR 在城市道路中的應用，提高道路探測和維護的效率、準確性和可靠性。同時，技術改進和算法優(yōu)化將降低UWB GPR 應用的成本和技術門檻，使UWB GPR 在城市道路管理中得到更廣泛的應用。

4 結論

文章對超寬帶探地雷達（UWB GPR）在城市道路中的應用情況進行了綜述和分析，得出以下結論：

第一，UWB GPR 在城市道路中具有廣泛的應用潛力，可以快速、準確地探測和定位道路路基病害、地下管線的定位和地下結構評估等，為道路規(guī)劃和維護提供重要的參考信息。

第二，雖然UWB GPR 在城市道路中的應用具有許多優(yōu)勢，但也面臨一些挑戰(zhàn)，如噪聲干擾的問題會影響UWB GPR 信號的質量和數(shù)據(jù)解釋，數(shù)據(jù)處理較為復雜，UWB GPR 設備成本較高等，這限制了其在一些預算有限的城市道路管理中的應用。

第三，針對這些挑戰(zhàn)，未來UWB GPR 的研究方向可以集中在改進UWB GPR 技術、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法以及實現(xiàn)自動化和智能化應用方面。例如，改進UWB GPR 硬件技術，提高信號的傳輸效率和接收靈敏度；研究新的成像算法和數(shù)據(jù)處理技術，提高成像質量和準確性；構建自動化掃描和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，減少人工操作的需求；應用機器學習和人工智能技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理和目標識別。