基于探地雷达的道路工程探测研究综述

胡昕 陶国志 覃育祥 李瑶瑶

摘 要：由于具有无损探测的优势，探地雷达被广泛应用于道路勘探、工程质量检查等工程建设、检测领域。探地雷达很早之前就已经开始应用于道路工程中，在国内外的应用都有了一定的发展，相关技术也日趋成熟。本文介绍了探地雷达的基本原理，回顾了国内外学者对于探地雷达在道路工程中的应用与研究的进展和成果，总结国内外研究现状然后结合无损检测的特性对探地雷达在道路工程上的发展提出预测。

关键词：探地雷达;道路工程;无损检测

0 前言

道路象征了历史文明，促进了社会的发展、文明的进步。现代道路是科学进步的标志，经济发展的象征。尽管我国基础设施建设近些年来突飞猛进，各类道路里程不断增长，但我国与发达国家相比依然存在差距。由于我国近代道路建设起步较晚，所以高速公路总量、面积、密度和通信能力都相对偏低。国、省干线公路的改造，农村公路的建设，各级公路的养护、维修和改造等任务仍然很艰巨。城市道路的供需矛盾仍很突出，城市道路交通的拥堵，安全和环保等问题需要我们进一步努力解决。探地雷达技术作为新兴的无损检测方法，对道路的养护、提升施工质量等具有重要意义[1]。

1 工作原理及发展历程

探地雷达是利用高频电磁对地表下结构和埋设物进行探测的新型无损探测仪器。它的工作方法类似于地震，由于电磁渡能够穿透地表，探地雷达向地下发射电磁渡，当电磁渡在地下遇到地质材料特性发生变化的界面时会发生反射，通过接收反射回来的信号，根据信号中的参数，解译出目标深度、介质结构及性质。经放大、数字化处理和显示，为解释提供必要的数据和图像[2]。

二维探地雷达主要是利用电磁波的反射原理，根据地下介质的介电系数不同进行判断，见图1[3]。而传统的二维探地雷达利用一对接收天线回收信号获得数据，经过滤波技术和反演技术等进行数据处理，实现三维成像。而这种技术只能实现局部的三维成像，未能演示出地下整体真实的结构。真三维探地雷达采用阵列式天线，多个发射天线同时工作，多个接收天线可以接收到任意一个发射天线的信号，这就做到了真三维数据采集。通过对数据进行三维采集，实现三维成像，见图2[3]。

从1904年德国人Hutsemeyer利用电磁波信号探测地下金属体开始，探底雷达便逐渐开始被运用。Letmjbach和lawy在1910年提出了探地雷达的概念，他们在专利中利用埋置的两个偶极天线接收信号的区别来对地下媒介进行定位。1926年，Hutsemeyer正式提出了利用高频脉冲电磁波探测地下物质，他发现了在介电常数不均匀的介质交界面上电磁波会发生反射，这个发现就是探地雷达后期研究的基本理论。直到20世纪80年代，探地雷达虽有了一定的发展，但其应用被技术不足所局限，以至于其应用只在冰层、岩盐等对电磁波吸收较弱的物质。在20世纪80年代之后，电子科技技术与数据处理技术越发成熟，被广泛应用，探地雷达技术开始了快速发展，叶超强、刘斌清等人在《探地雷达技术在公路工程中的应用综述》中介绍到：国内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。国外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[1，2]。

2 探地雷达在道路工程中的应用

王春晖、杨强等人在《探地雷达技术的发展及其在公路工程中的应用综述》中对探地雷达在道路工程中的应用介绍得十分详细，重点如下：

（1）在道路工程前期对地质地基进行勘察探测，确定地质结构，排查出流沙、暗河等不良地质体[2]。

（2）在道路工程施工期间，可强化施工管理。例如∶①及时调整设计;②计算面层用料;③让施工单位自觉严把质量[2]。

（3）在道路投入使用后，探地雷达可用于道路的日常探测监察，及时排查路基路面结构存在的隐患。路用探地雷达大多应用在道路的后期检测维修上，如：①路面结构层厚度检测;②缺陷识别;③基层材料评价;④针对裂缝开展探测和跟踪，研究裂缝成因，制定合理的维护方案;⑤探测沥青与集料之间的剥落以及沥青面层与基层之间的脱开;⑥对混凝土板下的脱空进行识别，以及时掌握路况条件，做到预防性维护;⑦识别桥面内部缺陷，对桥面进行相关评价[2]。

3 展望与结语

探地雷达快速、便捷、无损、精度高。传统的探测方法已经不能满足当前社会发展的要求，实现对道路空洞的快速无损探测对道路管理和养护具有重大的意义。

探地雷达未来的应用将会越来越广泛，在三维成像技术方面李世念、尹光辉等人提出了一种基于时域有限差分法（FDTD）的GPR三维逆时偏移算法，能够精确重构异常体的三维空间形态和内部结构信息，极大地提高了雷达剖面的分辨率。建立人工智能的数据库，实现对数据的实时自动处理和对道路浅地表全三維直观成像，将是其未来发展的方向[4]。

本文对探地雷达的基本原理进行了简述，简单介绍了探地雷达技术在国内外的发展过程，对前人利用探地雷达探测道路方面的研究进行了总结并作出了进一步的展望。目前探地雷达在道路工程方面的研究已较广，也存在一些不足，还有进一步研究发展的空间。

参考文献：

[1]叶超强，刘斌清，禤炜安，等.探地雷达技术在公路工程中的应用综述[J].道路工程，2018（6）：38-40+105.

[2]王春晖，杨强，陈长，等.探地雷达技术的发展及其在公路工程中的应用综述[J].中外公路，2007，27（4）：211-213.

[3]司友强，呙润华，李梦茹.道路空洞无损探测技术发展研究[J].公路，2020（2）：29-32.

[4]马永辉，郑文青，迟晓双.基于GPRSIM的道路地下病害体探地雷达正演模拟研究[J].科学技术与工程，2020，20（22）：8898-8903.