探地雷达技术在道路检测中的应用

陈硕秋 李强 熊余康

摘 要：探地雷达技术作为一种无损检测技术，因其零损伤、高效率、操作简单及节省成本等优点，在工程探测领域应用广泛。在公路工程探测中的应用，主要包括结构层厚度检测、结构层介电常数检测、结构内部损伤检测。文章主要介绍探地雷达的基本工作原理，探地雷达在道路检测中的应用以及后期数据处理的方法。

关键词：探地雷达; 无损检测; 工程探测

中图分类号：P631.8        文献标识码：A      文章编号：1006-3315（2021）7-166-002

1.引言

目前，我国高等级公路传统的检测方法有：人工地震法、钻芯取样法、落锤式弯沉仪检测法等，一般根据检测规程随机选点、钻孔取样，然后进行室内分析处理，从中获取厚度、深度、强度、压实度和含水量等工程参数，这种常规方法具备直观、可靠的特点，能够直接反映地下物质某些特性，但是存在很大的局限性，其代价高、效率低、代表性差，对路面具有一定的破坏性，已不能满足现代公路飞速发展的需要。探地雷达相对于这些方法，具有效率高、成本低、精度高、结果直观等优点。

2.探地雷达工作原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）是一种借助高频率无线电磁波来确定介质内部物质分布规律的探测方法，利用路面结构不同材料之间、病害处与未发生破坏的地方介电常数存在差异进行判断[1]。探地雷达不同的天线具有不同的频率范围，频率范围能决定天线的探测深度和分辨率。探地雷达采用较低频率和较窄带宽电磁波天线进行探测时，其能探测到的深度较大，而分辨率较低;反之，探地雷达采用较高频率和带宽频率范圍电磁波天线进行探测，其探测到的深度浅，但是分辨率会较高[2-4]。

探地雷达向地下发射高频电磁波，电磁波在传播的过程中，当遇到存在电性差异的地下介质时，电磁波会发生反射，反射回上方的电磁波被接收天线所接收，通过对接收的雷达回波信号进行分析处理，分析其特征，可以得到路面各层的厚度、密实度及缺陷等。电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，电导率主要影响电磁波能够穿透的深度，在电导率适中的情况下，电磁波在该物体中的传播速度受介电常数决定。不同的地质体具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上都会产生回波。

3.探地雷达在道路检测中的应用

3.1探测道路裂缝

地面裂缝形成的类型和诱因不同，地面裂缝的发育特征也不一样，有拉张型、挤压型、错动型等，探测时要根据地质条件和地面裂缝的特征进行仪器的选型、天线和参数的配置。在调查道路裂缝时，探地雷达主要分析探讨的是反射波同相轴。在现实中，检测道路裂缝时，应将天线中心频率设置在1000Hz左右。

3.2检测结构层厚度

由电磁波在路面结构层的传播时间和面波结构层内的传播速度，可通过公式计算出路面结构层的厚度。因此，厚度检测的关键在于结构层界面的回波时间以及电磁波在结构层传播速度的确定。

3.3识别基层脱空

公路在长期的使用过程中，在多种因素的综合作用下，会形成基层与填土层之间的脱空﹑路面下空洞以及沥青层剥落等病害，这些病害不仅会影响公路使用寿命，对行车安全也存在一定影响。探地雷达可有效地识别这些工程病害。

探地雷达对空洞的识别原理，简单点说就是基于空洞介质与周围其他介质的相对介电常数存在较大差异，空洞在探地雷达剖面图上的异常通常呈现双曲线形态，尤其当空洞中介质为空气且空洞埋深不大时，空洞在雷达剖面图上会出现明显的异常特征。而对脱空层进行识别主要是根据在脱空层上下界面产生的反射波极性发生反转这一原理。

4.数据处理

探地雷达主机不仅仅能接收到发射天线发射的信号，其他的干扰信号也能接收到，干扰信号是多种多样的，其主要包括了测试环境中的其他电磁波，系统本身的干扰信号，经多次反射的雷达电磁波，例如手机信号、WIFI信号、电台信号等等，类似这样的信号干扰通常被称之为噪声，然而在实际工程检测中，噪声是不可避免的，这对探地雷达的电磁波信号有非常大的干扰，探地雷达的最终成像质量会被直接影响。为了改进这一问题，学者们研究了很多探地雷达数据处理的方法：数字滤波、背景消除、小波变换等[5]。

4.1数字滤波

数字滤波一般分为高通滤波、低通滤波、带通滤波这三种滤波方式。数字滤波的本质，其原理就是分离出不同频率的谐波，经过其自身的算法，去除掉频率范围外的波，从而使目标信号更加突出，这样就能得到较为理想的目标信号。简单来说，就是去除掉不需要的波，留下需要观察分析的波。基于这样的原理，不难发现只有在目标信号和噪声的频率有明显的区别时，数字滤波技术才能被使用。但是这种数据处理方式存在一些弊端，有可能会去除掉一些有用的波，不能准确地留下需要的波。

4.2背景消除

在探地雷达数据采集时，通常不仅能采集到目标信号，也能采集到背景噪音，这些背景噪音会直接影响到目标信号的质量。其实背景消除的目的也是减少其他信号的干扰，突出目标信号[6]，这样能更直观地观察图像。

4.3偏移处理

有些时候，在地下介质的交界处，有一些反射点距测点有一定的距离，但其法平面经过测点，接收天线也能接收到类似上述情况的信号，在雷达剖面图上，上述反射点的位置发生了偏移，这就会直接影响探地雷达信号的质量。偏移处理技术就是将这些反射点移动到其实际位置上去。经过偏移处理后的图像，不仅目标信号得到了突出，分辨率也得到了提高。

4.4静校正切除

在实际雷达探测过程中，）雷达天线与地面无法完全贴合，此时收集到的图像中道路内部结构的位置信息不够准确。这其中的误差主要是雷达波在空气中的运行时间被算在内，并且在空气中的电磁波速比在道路内部介质中传播快三倍，这就使得在雷达图像中显示的深度比真实值要更深，切除后可直接从地表显示雷达图像信息[7]。

5.结语

综上所述，在道路检测方面，探地雷达完成道路裂缝、结构层厚度、内部损伤的检测后，将其数据进行汇总、整理与分析，但在数据处理方面仍有进一步发展的空间。此外，虽然探地雷达技术因其无损、高效等优点在道路检测方面已经广泛应用，但仍存在探地雷达数据易受周围环境的干扰，缺乏定量评价介电常数分布趋势的数理统计手段研究等问题。

参考文献：

[1]栾安辉.探地雷达在公路检测中的应用[J]智能城市，2020，6（24）：55-56

[2]祝争艳，蔡文龙，张浩浩.三维探地雷达在道路裂缝检测中的应用[J]山西建筑，2021，47（05）：121-124

[3]张海如，王国富，张法全.基于探地雷达信号频带介电谱特征的公路早期病害检测[J]科学技术与工程，2018，18（04）：344-348

[4]胡艳杰，余湘娟，高磊，韩学武，邢欢欢.探地雷达在道路结构层厚度检测中的应用[J]河北工程大学学报（自然科学版），2017，34（04）：37-41+56

[5]武嘉伟.基于对踵Vivaldi天线阵列的探地雷达沥青路面面层厚度检测技术[D]武汉理工大学，2016

[6]唐嘉明.基于三维探地雷达的沥青路面施工质量评价与控制研究[D]华南理工大学，2020.

[7]吴鹏志.基于探地雷达的路面结构隐性病害识别诊断技术研究及应用[D]北京建筑大学，2019