探地雷达在某公路面层厚度检测中的应用

郭志伟

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

探地雷达在某公路面层厚度检测中的应用

郭志伟*

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

探地雷达公路路面检测技术是一种高效、经济、无损化的检测技术，在未来新建、扩建的公路路面厚度检测控制中有着广阔的应用前景。以黑龙江省某改扩建公路路段为例，对公路的面层进行探测分析。首先介绍了瑞典MALA探地雷达工作原理，并结合工程实例，总结数据采集时参数的设置(中心频率的确定、时窗、波速等)以及数据处理的流程和方法，为今后探地雷达公路路面检测工作者提供一定的参考。

探地雷达；公路工程；路面厚度；检测

1 引 言

近年来，黑龙江省道路交通流量迅速增长与现有道路服务水平的矛盾日益突出，严重制约了区域经济的发展，对既有道路进行了改建升级势在必行。随着国家基础建设的加大，对施工质量方面要求也愈加严格，在公路路面厚度检测控制中，工程中原有的检测方法主要是取芯法，但取芯检测不仅效率低、检测结果不具有代表性，且对公路路面造成一定程度的破坏，达不到经济、高效、无损的要求[1]。随着科技发展，探地雷达检测技术被应用到公路路面检测中，探地雷达检测技术则弥补了原有检测方法的不足之处，能够很好地反映工程整体质量状况。介于探地雷达检测技术采集高效、结果直观等优势，其检测效果逐渐被人们认可，今后会在公路工程路面厚度检测中广泛应用[2]。

2 探地雷达路面检测的工作原理

探地雷达(Ground penetrating radar，简称GPR)是以目标体与周围介质的电性差异为基础的一种电磁探测方法[3]。它以脉冲形式向地下发射电磁波，电磁波在传播过程中遇到电性(介电常数、电阻率)差异的介质，其路径、波形及电磁场强度会随之发生变化，通过接收电线收到来自不同介质界面的反射波，根据电磁传播理论确定地下被测目标体的空间位置[4～7]。

根据该路段的设计，可知路面结构是由水泥稳定级配碎石基层(通称水稳层)和沥青碎石面层构成，两种介质存在明显的电性差异，即利用探地雷达检测公路面层厚度是切实可行的。图1表示了探地雷达检测原理。

图1 探地雷达原理示意图

3 工程背景及检测参数确定

3.1 工程背景

该公路工程在黑龙江省内，它是某国道的重要组成部分，采用一级公路标准，分两期进行施工，其路段的改扩建对提高道路服务水平有着重大意义。根据现场的施工情况，以公路路段(K415+000～K417+381)的左幅为检测对象进行研究分析。

探地雷达参数的设置直接影响着检测效果，在工程实例中，应按照雷达工作原理和现场经验相结合的方法合理设置参数，以便获得最佳的检测效果。

3.2 天线的选择

根据探测不同深度目标体，选择适当频率的天线：不同频率的天线探测深度亦不相同，天线频率越高，探测深度越浅，其目标体的分辨率高；反之，天线频率越低，探测深度越大，其目标体的分辨率低[8]。现场正在施工的下面层设计厚度为 8 cm，按照精度要求，此次探地雷达检测选择了 1.6 GHz的屏蔽高频天线。

检测时采用车载天线进行检测，但天线的安装高度直接影响着检测结果。天线悬挂距地面过低时，采集时直达波与所测下面层波形易混淆一起，难以区分所测面层厚度；天线距地面高度过大，则影响检测精度。根据多次试验总结，悬挂距离地面 20 cm～25 cm位置所测的雷达图像效果最好。

3.3 参数的设置

(1)波速的设置

对于地下不同的介质，介电常数、电阻率均不同，其电性差异直接影响着电磁波在介质中的传播速度。

(1)

式中：v—在相应介质中电磁波的传播速度；

c—在空气中电磁波的传播速度；

εr—介质的相对介电常数。

一般公路检测中，常见介质的介电常数及对应的电磁波速如表1所示。

公路检测中常见介质的介电常数及对应的电磁波波速 表1

但在实际公路检测中，其检测精度要求较高，多数情况会采用取芯法校验波速，使设置波速吻合实际电磁波在介质中的传播速度。

(2)时窗的确定

时窗直接关系着所采集雷达图像的深度范围，为确保所测目标体的电磁回波信号，应合理地设置时窗[9]。时窗可按下式估算：

(2)

式中：ω—时窗(ns)；

v—电磁波在介质中的传播速度(m/ns)；

hmax—雷达所测的最大深度(m)；

1.3—为电磁波速和目标深度的变化所留出的余量值。

表2为雷达探测深度与不同频率天线的对应参考值。公路路面检测中，面层检测主要采用 1.6 GHz屏蔽的高频天线，水泥稳定级配碎石基层检测主要选择 800 MHz～900 MHz的天线。

不同频率天线与最大探测深度的对应参考值 表2

(3)其他参数设置

采样频率通常按照常用天线的采样频率经验值进行设置，1.6 GHz的屏蔽天线一般设置在 35 000 MHz～40 000 MHz范围内。由于被测路面较平整，雷达检测车的速度控制了在 20 km/h～30 km/h，采样间隔为 0.5 m。

3.4 测线的布置

由于公路路面雷达检测的目的是实时监控施工的质量，对其各结构层厚度情况做出阶段性评价。要充分发挥雷达检测技术快速、连续、采集样点密集等优势。该公路K415+000～K417+381路段一期工程施工的是左幅车道，根据要求将左幅车道分为行车道测线和超车道测线，其中行车道测线距路边石 1.65 m，超车道距路边石 3.65 m，测线布置如图2所示。

图2 测线布置图

4 数据处理及检测结果分析

4.1 数据处理

探地雷达采集的图像是以脉冲反射波的波形形式进行记录。在采集过程中，由于受地下多种因素的影响，采集的原始数据有或多或少的干扰波，致使所测图像难以直接解译。为了能准确解译图像、分析检测结果，数据处理过程中必须提高信噪比，即削弱干扰波，增强有效信号。笔者运用Reflexw后处理软件对原始数据进行处理，主要流程如图3所示。两条测线处理后图像如图4、图5所示。最后，为满足施工质量评价要求，将其处理后的数据以每 1 m生成一个厚度值提供给有关单位。

图3 数据处理流程图

图5 行车道测线的雷达图像

4.2 检测结果验证分析

根据生成的厚度值报表，现场在超车道随机选取了两个位置(K415+796和K417+411)进行取芯，将其雷达检测数值与实际路面取芯值做对比分析。在这两个位置对应的实际测量值分别 82 mm和 85 mm，检测值为 80.8 mm、81.9 mm，误差在±5 mm内。

5 结 语

探地雷达技术具有高效、经济、无损、采样点密集等优势，它作为一种新型的检测技术，其可靠度逐渐被人们所认可。探地雷达技术应用在公路路面检测中，有利于对公路路面阶段性的施工质量整体情况及时做出评价。但探地雷达公路检测中也有一些亟须解决的问题：①公路检方法的多样化，缺乏统一的检测标准；②部分参数的设置需结合经验值；③个别雷达图像干扰信号强，解译困难。由此可见，有效提高信噪比也是探地雷达技术未来研究的重点。

[1] 邓春为，徐宏武，邵雁. 探地雷达在公路路面厚度检测中的应用[J]. 重庆交通学院学报，2005，24(5)：39～41.

[2] 耿玉玲，贾学民，李大鸣等. 公路路面无损检测中的探地雷达技术研究[M]. 北京：地震出版社，2007.

[3] 曾昭发，刘四新，冯暄等. 探地雷达原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[4] 于颖. 地质雷达技术在公路路面检测中的应用[J]. 交通标准化，2014，42(12)：5～7.

[5] 尹付州. 地质雷达在公路路基路面检测中的应用[J]. 西南公路，2013(2)：216～218.

[6] 李修忠，常付生，陈亚莉. 地质雷达在高速公路建设中的应用[J]. 河南交通科技，2011，19(4)：22～26.

[7] 王先桃，包太. 地质雷达在某公路路面检测中的应用[J]. 贵州大学学报，2010，27(3)：114～117.

[8] 刘亚娟，万成华. 地质雷达在路面厚度检测中的应用[J]. 施工机械&施工技术，2012(9)：50～53.

[9] 向伟. 基于探地雷达城市地下空间图像的探测识别研究[D]. 长沙：湖南大学，2014.

Application of Ground Penetrating Radar Detect the Thickness of Road Surface

Guo Zhiwei

(School of Architecture and Civil Engineer，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin 150022，China)

Considered the efficient，economic and nondestructive of the Radar detection technology of road surface ，it would have a broad application prospect. On the basis of the data from the road surface of Heilongjiang province，the working principle of the Swedish MALA Ground penetrating radar is introduced，combined with the project，parameter settings and the processing method are summaries，and it provide a reference for application of Ground penetrating radar to detect road surface.

ground penetrating radar；highway engineering；pavement thickness；testing

1672-8262(2017)03-171-04

P631

B

2016—11—23

郭志伟(1989—)，男，硕士研究生，研究方向：边坡稳定性监测及控制理论与技术。