探地雷达技术在道路评估中运用

梁 鹏

(重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121)

探地雷达技术在道路评估中运用

梁 鹏

(重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121)

总结了地面耦合和空中发射探地雷达系统的运作原理，对信号处理和数据分析技术进行了讨论，分析了探地雷达技术在评估路基土、道路结构研究及质量控制方面的功能作用，以促进其在道路工程中的推广作用。

探地雷达，道路结构，路基，介电值

1 概述

在斯堪的纳维亚半岛，探地雷达运用地面耦合天线的首次测试是在20世纪80年代初的丹麦(Berg，1984)以及瑞典(Johansson，1987)进行的,但是在那个时期，这种方法没有被广泛接受。在芬兰，首次测试实施是在1986年(Saarenketo，1992)，在芬兰公路管理局下的拉普兰地区的道路部门于1988年购买了一个装置后，这种方法已经成为了各种道路设计和维护方面的常规调查工具(Saarenketo,1992;Saarenketo and Maijala,1994;Saarenketo and Scullion,1994)。在芬兰，大部分公路应用的研究和开发工作中，会运用到低频率(100 MHz～500 MHz)的地面耦合天线，以评估路基土壤和夹层，探测覆盖层的深度和调查道路的结构层。探地雷达技术也被应用到骨料的探测(Saarenketo和Maijala，1994)。在20世纪90年代早期和中期，高频率1.0 GHz～2.5 GHz空气耦合和地面耦合天线开始被运用到桥面测量(Saarenketo and So¨derqvist,1993；Maijala et al,1994)以及路面的设计和质量控制中(Saarenketo and Roimela,1998；Scullion and Saarenketo,1998；Saarenketo,1999)[1]。

探地雷达在美国公路调查中的测试要追溯到20世纪70年代中期，是由Morey(1998)做的，联邦公路管理部门测试了雷达在隧道应用中的可行性，后来也应用到了桥面上。第一辆公路车载探地雷达系统在1985年由联邦公路管理局研发出来(Morey,1998)。此后，大部分应用程序把重点放在路面厚度的测量(Maser，1994)，检测混凝土板下的空隙(Scullion et al,1994)和检测桥面恶化的区域上(Alongi et al,1992)。这些调查主要是运用高频率(1.0 GHz)的空中发射天线(see Scullion et al,1992)。

北美公路机构探地雷达在当前实践中的运用，由Morey(1998)给了一个很好的描述。发放给51个州的调查问卷结果是：波多黎各,哥伦比亚地区和11个加拿大交通部门表明,51个中的33个机构表示有用过探地雷达的经历。最常见的探地雷达的应用是路面层的厚度检测(24个机构)，空隙检测(22个机构)和桥梁的分层检测(16个机构)；随后的是分层检测(11个机构)，钢梢钉的深度检测(8个机构)，掩埋物检测(8个机构)，基石的深度检测(8个机构)，沥青的剥离检测(7个机构)，以及桥梁支撑处的冲刷检测(6个机构)。这些多种多样的探地雷达的应用中，似乎最成功的是路面厚度的测量，不过有些机构表示空隙探测的结果不令人满意，以及沥青剥离的结构也是有争议的(Morey，1998)[1]。

本文给出了在斯堪的纳维亚半岛和美国的道路调查中，探地雷达最先进的审查方法。本文不会解决探地雷达在桥梁测试的运用，因为这是一个大区域，需要一个单独的文章。在世界的其他地方，探地雷达技术被20多个国家用于监测道路，据作者所了解，道路上的探地雷达调查被广泛用于加拿大，法国，意大利，瑞士和英国。

2 探地雷达技术应用在道路上的软硬件设施

2.1 硬件

脉冲雷达技术是建立在测量短电磁脉冲通过路面，然后从结构内部的电性分界面部分反射后的旅行时间和反射振幅之上的。当探地雷达脉冲波遇到不同的材料或者是含水率和密度发生变化时，电性分界面出现在层界面上。探地雷达通常有以下三个部分:

1)一个脉冲发射器，它可以产生一个具有给定频率和功率的单脉冲；2)一个可以把脉冲发送到介质中然后回收的天线；3)一个样品采集器，它可以分析信号然后把它转化成电脑可以储存的样式。常见使用的探地雷达可分为两大类：空中发射喇叭天线和地面耦合偶极子天线。

地面耦合天线可以在很大的中心频率范围内运作，从80 MHz～1 500 MHz。和空中发射系统相比，地面耦合系统的明显优势是它的渗透深度，但是，如果地面耦合和天线响铃存在问题的话，就会导致：如果不经过信号处理，将很难从附近的地面处获得一定的信息。地面耦合系统数据收集速度通常是5 km/h～15 km/h。地面耦合系统的领先制造商是美国新罕布什尔州的GSSI，其他厂商还包括加拿大的Sensors和Software以及瑞典的MALA。

空射系统操作的范围是500 MHz～2.5 GHz,最常见的中央频率为1.0 GHz。它们的渗透深度一般是0.5 m～0.9 m。在数据采集工程中，这些天线被悬挂在地面以上0.3 m～0.5 m。数据的收集速度可以达到100次/s扫描，以至探地雷达的调查速度可以达到100 km/h。目前美国有三家生产和销售空射系统：新罕布什尔州的GSSI，纽约的Penetradar和得克萨斯州的Pulse Radar。为了促进研发更好的探地雷达硬件系统，对于具有较高的频率500 MHz以上的空中发射天线和地面耦合天线，Scullion et al(1996)提出了测试方案和性能指标[1-3]。

在未来，道路探地雷达硬件开发将是更小的、非接触的天线和多通道数据采集系统，这允许来自道路的断层图像。由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Davidson and Chase,1998)开发的64—爱马仕桥梁检查系统，便是其的一个例子[2,3]。

2.2 软件

适用于道路调研的探地雷达软件可以被分成四组：

1)探地雷达数据采集软件;2)探地雷达数据处理软件;3)解释和可视化软件;4)集成道路分析和设计软件。

大部分的探地雷达数据采集软件已经被探地雷达系统开发商研发。定制的数据收集和质量控制软件包也正在开发之中。然而当空中发射喇叭系统被用于质量控制系统目的的时候，也即是测量数据必须可以重复，以及探地雷达的结果用来测定新建成项目的奖金和罚款的时候，就需要改进的软件包。

数据采集软件一个非常重要的特征是与定位系统的联系，例如全球定位系统，这是因为现代路面管理系统，路面设计软件需要将信息放到x，y，z坐标系中。目前，大部分系统正在使用的距离都是基于数据采集控制的。在不久的将来，精确的定位以及探地雷达数据和其他路面调查数据的联系将会是一个非常重要的研究方面。

探地雷达制造商也提供探地雷达数据处理系统，但大部分的软件已被写入，以便处理土壤耦合收集地质调查数据。空射探地雷达系统产生比较干净且可重复的信号，因此，处理过程只需要基本信号滤波和背景去除算法。数据处理软件在将来的一个挑战是如何推断路面层和路基电性的定量信息。为了解决路面结构评估中的一些基本问题，在调查有前景的技术时，Spagnolini(Spagnolini,1996;Spagnolini,1997;Agosti et al,1998)已经接触到这个问题，即在获得道路结构中介电常数垂直分布的信息反演技术和相互重叠时反射精确位置的层间剥离技术[2,3]。

道路探地雷达数据解释和可视化软件被用于检测层界面和探地雷达数据的单个对象，以及用于将探地雷达时间范围转变成深度范围。他们已经做了很多的努力，包括神经网络，来研发道路和桥梁的自动判读软件。然而，这些开发项目的结果并不令人满意，甚至已经给公路工程师带来了迷惑。自动判读软件包可能永远不会成功的原因是，道路是具有积累和恶化的历史结构，它在纵向、垂直方向和水平方向都是不连续的。这就是为什么，被训练有素的、有经验的翻译人员使用的半自动判读软件和限制取芯以及其他参考调查结果一起，会被证明是在道路调查中唯一的工作解决方案。使用者必须通过比较有问题界面和附近其他的回波剖面，来确定回波是来自真正的界面而不是强反射间的多次反射后的结果。自动判读也许只能在一种情况下可以用来计算正确的厚度和介电常数，那就是，调查新的和有缺陷的自由路面。

探地雷达软件中的新一代综合路况分析和设计的软件包，它是专门为探地雷达数据和其他道路调查数据的联合分析而设计的，它的能力是，计算描述老路状况的参数以及新道路结构和修复设计需要用到的参数(Saarenketo,1999)。在道路调查中，探地雷达的数据输出是以数据表格的形式出现的，或者是纵向剖面可视化，或者是GIS地图。在很多情况下，实际的探地雷达数据是不提供的，只有可视化的结果。当与其他数据类型例如纵向剖面相结合的时候，探地雷达用于识别表面缺陷的潜在原因。

3 展望

虽然探地雷达应用到道路和公路上的历史比较短暂，但是这种方法已经被证明是解决各种公路工程问题的一个有效工具。对大多数公路机构而言，探地雷达在道路上应用的生命周期依然在导入期。意识和教育依然需要来使这种方法被扩散和接受。

探地雷达在将来道路调查中的一个重要因素，是在常规道路分析、道路恢复以及设计程序中建立这种技术。雷达作为一个仅针对特定路面调查项目的方法，虽有趣但模糊，它应该改变成在其他调查技术中使用的常规道路调查工具。为了这个目的，我们需要为探地雷达设备，数据采集和判读技术建立一定的标准和规范。

尽管本文介绍了道路探地雷达技术，也提出了一些成功的案例，但是世界范围内仍然有些失败例子的存在。这些是因为销售商对这种技术的过度销售，他们懂得这种技术但是并不欣赏路面系统的复杂性能。

将来最大的希望需要三个关键的步骤：

1)研发对使用者有利的软件包，将探地雷达数据和其他道路调查数据转变成对道路工程师有用的信息；2)理解道路材料和路基土壤的电性以及它们和水分、强度、变形的相关性；3)培训公路机构和探地雷达数据的使用者以及负责探地雷达调查的工作人员。当我们达到这些要求时，那么探地雷达技术和应用将会在道路的设计、建造和维护产业中产生巨大的市场。

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

[2] 杨天春，吕绍林，伍永贵.地质雷达检测道路结构的理论及应用分析[J].中南工业大学学报(自然科学版)，2001,32(2)：118-121.

[3] 罗石贵，周九红.道路结构层缺陷无损检测技术研究[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 鹏(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)25-0159-02

P624

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