探地雷达技术在公路工程中的应用综述

叶超强，刘斌清，禤炜安，徐国栋，黄泽国

(1.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

近年来我国公路基础建设突飞猛进，道路里程不断增长，道路损害比例逐渐增加。随着我国公路基础逐步完善，道路养护将成为公路行业的主流，因此，道路质量检测和养护任务比重会越来越大。当前道路检测手段大部分仍使用传统方法，传统技术不仅存在效率低、耗时长、代表性差及精度低等缺点，而且对路面整体性有一定损害，与快速、智能、高效、高精度的现代化需求有一定差距。探地雷达(Ground Penetrating Radar)始用于地球物理学领域，近年由于受到海内外公路工程行业专家学者普遍关注而获得快速发展，探地雷达技术作为新兴的无损检测方法，对公路行业的快速养护评价、路网养护水平、施工质量提升、路面长期性能研究等方面具有重要的实际意义。

1 工作原理

利用探地雷达检测需要对目标体假设一定的条件，即假设检测对象的结构为层状结构模型。探地雷达系统是采用高频电磁波信号(106～109HZ)穿透物质进行电磁波的传播和反射，运用运动学原理进行检测分析。探地雷达产生宽频带短脉冲电磁波向检测目标发射，遇到不同介电性质的交界面时产生反射，接收天线接收反射波信号，系统根据振幅、频率及波型等参数进行处理，分析出目标体的深度、介质及几何形态，采用正演或反演的计算方法进行数字模拟及物理模拟，对地下目标进行成像处理，直接从显示设备识别异常特征，做到对地下隐蔽目标的直观检测分析。

2 技术发展过程

20世纪初，德国的Hutsemeyer教授用高频电磁波信号对地下金属体进行搜索，开创雷达探测地面的先河，被作为探地雷达的初级形态。1910年，德国的Letmbach和Lawy在所发明的专利中提出了探地雷达概念，该专利设计一种探测掩埋目标的方法，将偶极天线埋在两个空洞中进行发射和接受，其中一个空洞为高导电率媒介，对电磁波具有衰减作用，通过比较两孔洞接收信号的强弱差别，对高导电率媒介进行定位。正式提出利用高频脉冲电磁波对地下物质进行探测的人是德国的Hutsemeyer，其在1926年提出电磁波在不均匀介电常数的介质交界面会产生反射现象，这一重要理论的提出被作为后期探地雷达研究的基本理论。

直到20世纪80年代，脉冲电磁波探测地下目标得到一定发展，但是由于技术局限性，地下介质具有较强电磁衰减性和复杂性等影响因素，探地雷达仅局限于对电磁波吸收较弱的冰层、岩盐等物质的探测应用。1951年的Steenson和1963年的Evens运用电磁波技术对冰川截面尺寸进行检测；1970年Hatison对南极冰层厚度进行800～1 200 m穿透深度探测；1974年，Morey对水介质的剖面进行模拟成像；1974年Cook和Unterberger实现对盐矿夹层的探测。

自1970年至今，随着电子科技技术的发展以及数据处理技术的广泛应用，探底雷达得到多元化发展。国内如中科院长春地理研究所的SI2R型探地雷达、中国电子科技集团公司第二十二研究所的LTD探地雷达，东南大学研发的GPR型探地雷达等。[1]国外如美国地球物理探测设备公司(GSSI)的SIR系列，日本应用地质式会社(OYO)公司的Georadar系列等。[2]

3 国内外研究现状

欧美等发达国家长期采用探地雷达对高等级公路结构层病害、厚度进行探测，并分析研究，形成系统的路网检测与评价方法。1992年，Scullion T和Lau C把路面结构层实际厚度输入到FWD反算软件中，计算每结构层的弹性模量作为研究思路来提高落锤式弯沉仪(FWD)反算数值的精度，通过探地雷达探测结构层厚度，再采用FWD试验确定路面结构层变化的界线，结合探地雷达数据进行判定结构层内部可能存在的损坏。[3-8]

美国德克萨斯大学交通学院Master和Scullion等采用GPR对几条发生剥落的沥青混凝土路面进行结构层内部分析，数据表明存在剥落的段落在路表与面层和基层界面反射间有一个波峰，对于不存在剥落的沥青路面段落则电磁波反射所形成的波形图只在路表、面层与基层界面产生波峰。[2]

1994年Momayez尝试用探地雷达检测路面结构层内部裂缝位置，但检测结果并不能反映实际情况。1990年，美国的Roth研究表明介电常数与含水率、孔隙率存在物理公式，并通过大量物理实验得到土结构层湿度与介质介电常数之间的关系，为探地雷达研究道路结构层界面参数提供了理论依据。[9]美国的Robert Lytton教授最早利用GPR技术对含水量和压实度的检测进行研究，并且得出电磁波与两者的关系。[10]

沈飚等研究表明探地雷达电磁波探测波动方程与地震弹性波波动方程是相似的，采用正演模拟电磁波在二维介质中的传播，所得模拟效果与实际模型相吻合，提出了台阶二维地电模型，为高分辨探地雷达波勘探奠定了理论基础。[11]

付国强系统研究了路基空区中不同介质和非均匀介质差异对雷达反射波参数以及成像特征的影响，不同介电常数所产生的正演模拟图像存在差异，介电常数差异越大，波像特征差异越大，反之，越小。[12]

张蓓采用高阶FDTD法实现了高精度复杂介质的数值模拟，对于较大数值色散的较复杂介质或者截断面电磁反射也可以分析其精细变化，获得高阶差分条件下的稳定性和吸收边界条件；指出地面波测量混凝土的介电常数精确度高，但只能够反映表层附近介质。

2001年，中南大学的杨天春等采用SIR210型探地雷达对长益高速公路及长沙绕城路共计110 km沥青路面进行探测并将数据进行厚度反演，所得计算结果与钻芯取样对比，厚度误差在0.1 cm内，误差较少。[13]贾学明等在2005年采用GSSI公司的SIR-3000探地雷达对5 km基层段落进行厚度检测，探测结果与钻芯取样作对比，结果表明，两者结果误差在3%以内。

综上所述，目前探地雷达在工程应用领域还处于起步阶段，在脉冲源技术、反算方法、模型建立、分析软件等都限制着探地雷达在工程领域的应用，对于理论研究以及硬件研发也有一定的现实需求。探地雷达在路面工程应用存在较大缺口，路面结构层的检测参数促进着探地雷达的发展，目前对于路面厚度、压实度、脱空、裂缝、层间缺陷及含水量等探测存在局部精确度不高的问题，某些检测项目还处于较为初级的研究阶段。因此，探地雷达技术在具体实施及应用中还需要进一步探索开发。

4 目前存在问题

(1)目前探地雷达分析软件多半建立在忽略目标体介电常数虚部的基础上，对于高电磁波吸收介质(如水泥混凝土)检测中出现电磁波传播过程损失偏大，结果精确度较低，数据不满足实际工程要求的情况。

(2)GPR在脱空识别领域发展徘徊不前。探地雷达对于路面脱空探测需要正演计算模拟，而目前针对刚性路面的脱空的正演模拟较少，部分正演模拟也仅存于理论阶段，缺少实际工程应用的支撑。

(3)提高探地雷达的发射功率和发射效率，屏蔽或者压制现场各种电磁信号以及传播过程中不均匀介质或截面产生的干扰，增加探测深度以及图像分辨率。

(4)探地雷达主机和天线等硬件需要有创新性的变革来提高高频电磁波的穿透效果，以适应高精度大深度的高要求探测趋势。

5 结语

我国探地雷达道路工程应用始于20世纪80年代末，相关科研院校及生产商引进了欧美、日本等发达国家的技术及设备，专家学者也开展相应研究，使得探地雷达在公路领域的硬软件研发、理论研究都取得丰硕成果。目前，虽然探地雷达在实际应用中存在一些难题，如探测深度、绕射散射现象、含水量扰动和反射波滞后等问题影响着结果精确度，但探地雷达在道路工程应用是个研究热点与趋势，随着数字信号采集技术、数据处理方法及电磁波抗干扰等研究的创新变革，探地雷达将迎来更深入的探索和开发。