探地雷達(dá)在道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測中的應(yīng)用

胡艷杰，余湘娟，高 磊，韓學(xué)武，邢歡歡

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)研究中心，南京210098；3.蘇州交通工程試驗(yàn)檢測中心有限公司，江蘇 蘇州215011；4.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210014)

探地雷達(dá)在道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測中的應(yīng)用

胡艷杰1，2，余湘娟1，2，高 磊1，2，韓學(xué)武3，邢歡歡4

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)研究中心，南京210098；3.蘇州交通工程試驗(yàn)檢測中心有限公司，江蘇 蘇州215011；4.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210014)

針對(duì)道路結(jié)構(gòu)層厚度檢測和評(píng)估問題，將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于道路檢測工程中，開展了道路地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場測試，并將雷達(dá)檢測結(jié)果與鉆芯取樣結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了道路分界面的位置、各結(jié)構(gòu)層的厚度以及存在的病害，對(duì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特變換，得到瞬時(shí)振幅圖、瞬時(shí)相位圖和瞬時(shí)頻率圖，重點(diǎn)分析了道路結(jié)構(gòu)層分界面的位置。研究結(jié)果表明：地質(zhì)雷達(dá)能夠探測道路結(jié)構(gòu)層的厚度，并且對(duì)道路的不均勻沉降也有較好的檢測效果，通過數(shù)據(jù)的二次處理，提高了地質(zhì)雷達(dá)圖像解釋的精確度和可信度。

探地雷達(dá)；道路檢測；希爾伯特變換；瞬時(shí)振幅；瞬時(shí)相位；瞬時(shí)頻率

對(duì)已有道路進(jìn)行結(jié)構(gòu)層檢測，確定道路各結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)工程質(zhì)量做出合理有效的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。目前使用較多的檢測手段為鉆芯取樣、標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位檢測手段[1]，此類方法屬于破壞性檢測，并且人為選擇測點(diǎn)，隨機(jī)性大，代表性弱，且在通車條件下檢測影響正常交通，對(duì)行車和檢測人員的安全存在威脅；探地雷達(dá)用于道路檢測，且具有精度高、連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。王曦光等人[3-4]給出了探地雷達(dá)在工程中應(yīng)用的典型特征圖像，對(duì)正確解讀、分析采集圖像具有重要指導(dǎo)作用；朱能發(fā)等人[5-8]將雷達(dá)應(yīng)用于道路檢測，總結(jié)了常見缺陷的雷達(dá)波相特征，為公路檢測及治理提供借鑒。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理手段是采用Fourier變化，這種處理方法不能反映非平穩(wěn)信號(hào)的局部特征，無法充分獲取隱含在非線性中的頻譜信息；Hilbert變換是處理這類信號(hào)的另一種有力工具，該方法把一個(gè)實(shí)信號(hào)變成一個(gè)復(fù)信號(hào)，然后能夠從復(fù)信號(hào)中分離出多個(gè)能夠表征信號(hào)特征的參數(shù)[9-12]。本文結(jié)合某公路檢測工程實(shí)例，通過對(duì)實(shí)測路面地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)信號(hào)的Hilbert處理，提高結(jié)果分析的精確度和可讀性；對(duì)比了探地雷達(dá)結(jié)果與鉆芯取樣結(jié)果，驗(yàn)證探地雷達(dá)技術(shù)在路面厚度檢測中的可靠性。

1 探地雷達(dá)技術(shù)

1.1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)（GPR）的工作原理[13]如圖1所示。探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向待測物體發(fā)射連續(xù)電磁脈沖波（圖1(a)），根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在遇到不同介質(zhì)層時(shí)，由于上下介質(zhì)的介電常數(shù)不同，會(huì)在分界面發(fā)生反射和折射，折射的電磁波繼續(xù)向下傳播，在遇到新的介質(zhì)層時(shí)會(huì)繼續(xù)發(fā)生反射和折射；反射的電磁波由雷達(dá)接收天線接收，稱為一個(gè)掃描線（圖1(b)）；連續(xù)測量時(shí)，掃描線重疊在一起得到連續(xù)的測量剖面，稱為探地雷達(dá)剖面圖（圖1(c)）。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度可由下式計(jì)算：

式中：c表示電磁波在真空中的傳播速度；εr表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

通過記錄并儲(chǔ)存電磁波發(fā)射和接收的時(shí)刻，并且計(jì)算出電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間，由此可以計(jì)算反射面的深度，即可確定目標(biāo)物的深度，公式如下：

電磁波的介質(zhì)面的折射與反射特征，由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示。對(duì)于非磁性介質(zhì)，電磁波垂直入射時(shí)，可由下式表示：

式中：ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。

由上式可以看出，對(duì)于非磁性介質(zhì)，反射系數(shù)僅與介電常數(shù)有關(guān)。電磁波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，對(duì)反射波的振幅、頻率和相位進(jìn)行對(duì)比分析，即可確定道路結(jié)構(gòu)層的厚度及其異常。

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖Fig.1 Working principle of GPR

1.2 車載探地雷達(dá)系統(tǒng)

車載探地雷達(dá)系統(tǒng)是將雷達(dá)通過支架懸掛在工程車上或者將雷達(dá)置于天線小車上，天線小車被工程車牽引前行，檢測人員在工程車內(nèi)部通過操作計(jì)算機(jī)來控制雷達(dá)的工作狀態(tài)。這種車載雷達(dá)相比人工方法有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以一次全斷面檢測；適用于長距離檢測，大大提高了檢測效率；同時(shí)保障了檢測人員的安全；不影響正常的道路行車。車載探地雷達(dá)在行車中獲得雷達(dá)圖像類似于高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)的物體的過程，與高速攝像機(jī)原理相同，行車速度對(duì)車載雷達(dá)檢測效果的影響主要取決于雷達(dá)的掃描速率。

2 信號(hào)的Hilbert變換處理

對(duì)原始信號(hào)x(t)進(jìn)行Hilbert變換：

式中：*表示卷積；h(t)=1/(πt)。

以x(t)為實(shí)部，以H(t)為虛部，構(gòu)造解析信號(hào)：

瞬時(shí)振幅是反射強(qiáng)度的量度，它與該時(shí)刻雷達(dá)信號(hào)的總能量的平方根成正比，當(dāng)?shù)叵麓嬖诿黠@的分層時(shí)，在分界面位置瞬時(shí)振幅產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，利用此特征可以確定不同介質(zhì)分界面的位置；瞬時(shí)相位是雷達(dá)剖面上同相軸連續(xù)性的量度，當(dāng)電磁波在各向同性均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其相位是連續(xù)的，否則其相位會(huì)發(fā)生明顯的不連續(xù)，利用此特征可以對(duì)地下分層和地下異常進(jìn)行判別；瞬時(shí)頻率是相位的時(shí)間變化率，當(dāng)電磁波通過不同介質(zhì)的分界面時(shí)，其頻率會(huì)發(fā)生顯著變化，此特征有助于識(shí)別地層[14]。

圖2 雷達(dá)單道信號(hào)圖Fig.2 Single channel singal of GPR

圖2為某公路探地雷達(dá)自帶軟件處理后的單道（第14道）波形圖，對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換，得到與之對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)振幅圖和瞬時(shí)頻率圖，如圖3所示。從圖2中可以看出，雷達(dá)波存在多個(gè)波峰，在利用分界面反射波信號(hào)劃分道路結(jié)構(gòu)層時(shí)，多個(gè)波峰會(huì)對(duì)層位的劃分帶來很大困難。但從圖3中，可以清晰地將道路結(jié)構(gòu)層劃分為四層，其內(nèi)部存在三個(gè)分界面（對(duì)應(yīng)于A、B、C）。同時(shí)，雷達(dá)信號(hào)在沿深度傳播的過程中，能量會(huì)發(fā)生衰減，反映到數(shù)據(jù)上即為雷達(dá)信號(hào)幅值的衰減，從圖3（a）中可以發(fā)現(xiàn)隨著深度加深，信號(hào)幅值逐漸遞減，并且在測量過程中不可避免地會(huì)遇到其他信號(hào)的干擾，所以對(duì)于較深的地層，弱信號(hào)的識(shí)別變得較為困難，但瞬時(shí)頻率能很好地解決這一問題，對(duì)比圖3（a）和（b）中C點(diǎn)，雖然C點(diǎn)振幅較低，但其頻率異常增高。所以，對(duì)實(shí)測雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行Hilbert分析后，需要綜合利用信號(hào)的能量大小和頻率來分層。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

本文以某公路檢測工程為例，由于重型卡車經(jīng)常在該路段行駛，造成其瀝砼面層嚴(yán)重?fù)p壞，路面出現(xiàn)許多裂縫，尤其是橫向裂縫，不僅嚴(yán)重影響行車的舒適性，而且影響了行車的安全性。

圖3 單道信號(hào)瞬時(shí)圖Fig.3 Instantaneous graph of single channel signal

3.2 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置及測線布置

本次檢測采用意大利IDS公司RIS系列雷達(dá)，采用1 600 MHz高頻天線，檢測深度約為0.9 m，每道采樣點(diǎn)數(shù)512，檢測車行車速度為20 km/h。每車道沿中心線布置1條測線，由于該公路為雙向四車道，故沿公路縱向共布置4條測線。

3.3 測試結(jié)果分析

(1)鉆芯取樣對(duì)比分析

選取了測試路段D、E、F三處的雷達(dá)測試結(jié)果和取芯測試結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析。圖4為D處雷達(dá)圖像與芯樣圖像，左圖為雷達(dá)圖像，由淺至深依次為：空氣耦合層、瀝砼面層、上水穩(wěn)碎石層、下水穩(wěn)碎石層、墊層。雷達(dá)在測試過程中，通過車載懸掛的方式測量，沒有直接與路面接觸，所以雷達(dá)圖像最頂部一層為空氣耦合層，該層厚度約為0.2 m；0.2～0.33 m范圍內(nèi)無明顯雷達(dá)反射界面，說明此范圍內(nèi)物質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)變化不大，屬于同種介質(zhì)，為瀝青混凝土面層；同理0.33～0.64 m范圍為水穩(wěn)碎石層。右圖為鉆孔取出的芯樣圖像，上部瀝青混凝土面層開裂，但沒有破碎；中部和下部都是水穩(wěn)碎石層，水穩(wěn)層從中間一分為二，但兩部分較為完整，沒有出現(xiàn)開裂或破碎現(xiàn)象。

圖4 D處雷達(dá)圖像與芯樣圖像Fig.4 Radar image and core image of D

圖5為E處雷達(dá)圖像與芯樣圖像，左圖為雷達(dá)圖像，由淺至深依次為：空氣耦合層、瀝砼層、水穩(wěn)層、墊層。其中，空氣耦合層厚度約為0.13 m；0.13～0.24 m范圍內(nèi)為瀝砼層；0.24～0.63 m范圍為水穩(wěn)層，上下水穩(wěn)層分界面不明顯。右圖為鉆孔取出的芯樣圖像，上部瀝砼層破碎；中、下部水穩(wěn)層較為完整。

圖5 E處雷達(dá)圖像與芯樣圖像Fig.5 Radar image and core image of E

圖6 F處雷達(dá)圖像與芯樣圖像Fig.6 Radar image and core image of F

圖6為F處雷達(dá)圖像與芯樣圖像，左圖為雷達(dá)圖像，由淺至深依次為：空氣耦合層、瀝砼層、上水穩(wěn)層、下水穩(wěn)層、墊層。其中，空氣耦合層厚度約為0.17 m；0.17～0.33 m范圍內(nèi)為瀝砼層，0.33～0.69 m范圍為水穩(wěn)層。右圖為鉆孔取出的芯樣圖像，上部瀝砼層開裂；中部上水穩(wěn)層開裂，下部下水穩(wěn)層較為完整。

通過對(duì)雷達(dá)與芯樣檢測結(jié)果分析，選取結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表1所示：

地質(zhì)雷達(dá)能較好地檢測道路結(jié)構(gòu)分界面的位置，由此推斷各結(jié)構(gòu)層的厚度，盡管存在一定的誤差；隨著測量深度的增加，高頻信號(hào)衰減較快，因此對(duì)深層的判斷較為困難，容易造成問題的多解性，此時(shí)需要借助其它方法加以判斷；地質(zhì)雷達(dá)對(duì)結(jié)構(gòu)層的不均勻沉降有較好的檢測效果，判斷的依據(jù)為：同相軸的高低起伏狀態(tài)即為地層的起伏狀態(tài)。

表1 地質(zhì)雷達(dá)與鉆芯取樣結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Comparison of GPR and drill sampling results

(2)信號(hào)的Hilbert變換分析

采用Hilbert變換的原始數(shù)據(jù)是直接將天線緊貼道路表面探測時(shí)的數(shù)據(jù)，與車載雷達(dá)檢測不同的是數(shù)據(jù)中不含空氣耦合層。

圖7為雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)振幅圖，當(dāng)?shù)叵麓嬖诿黠@的分層時(shí)，在分界面位置瞬時(shí)振幅產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，利用此特征可以確定不同介質(zhì)分界面的位置。圖中白色矩形條標(biāo)識(shí)的位置為分界面位置，第一處在深度約0.1 m的位置，對(duì)應(yīng)瀝砼面層和水穩(wěn)層的分界面；第二處在深度約為0.3 m的位置，對(duì)應(yīng)上水穩(wěn)層和下水穩(wěn)層的分界面。雖然組成上下水穩(wěn)層的材料是相同的，但如果水穩(wěn)層出現(xiàn)斷裂，那么在斷裂面的位置也會(huì)出現(xiàn)明顯的反射波；第三處在深度為0.48 m的位置，但由于信號(hào)不明顯，所以需要結(jié)合瞬時(shí)相位圖進(jìn)行判斷。此處不明顯的原因是由于電磁波信號(hào)在傳遞過程中會(huì)發(fā)生衰減，并且頻率越高衰減地越快，隨著檢測深度的增加，振幅趨于平緩。

白色橢圓所標(biāo)識(shí)的地方為局部深度幅值較強(qiáng)處，這些區(qū)域某些點(diǎn)雖然振幅也產(chǎn)生了強(qiáng)度變化，但不能判斷該深度為分界面，因?yàn)樵撋疃葲]有形成連續(xù)的振幅峰值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于該處的介質(zhì)不均勻、不密實(shí)，使得這些區(qū)域的材料在局部產(chǎn)生分離。盡管處于同一結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)比較相似，在宏觀上表現(xiàn)為同一種材料，但實(shí)際上還是由分散的粗細(xì)集料通過水泥等材料結(jié)成整體，所以在集料與水泥結(jié)面脫開的地方仍然會(huì)出現(xiàn)幅值較強(qiáng)的反射波。

圖7 雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)振幅圖Fig.7 Instantaneous amplitude of radar signal

圖8為雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)相位圖，地下介質(zhì)電磁性差異常引起相位的變化，因此利用此特性可推測地下介質(zhì)的連續(xù)性。圖中白色矩形條標(biāo)識(shí)的位置為分界面位置，第一處深度約為0.1 m處，能夠明顯地看出同相軸沿水平方向具有非常好的連續(xù)性，說明此位置為一典型分界面，推測該分界面為瀝砼面層和水穩(wěn)層之間的分界面；第二處明顯的分界面約0.31 m處，結(jié)合取樣結(jié)果，推測該分界面為上水穩(wěn)層和下水穩(wěn)層之間的開裂面；第三處分界面約為0.48 m處，推測該分界面為水穩(wěn)基層與墊層之間的分界面。

圖8 雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)相位圖Fig.8 Instantaneous phase of radar signal

4 結(jié)論

1）地質(zhì)雷達(dá)是一種快速、高效、 可連續(xù)的無損檢測手段，它能夠有效探測出道路各結(jié)構(gòu)層之間的分界面并由此推測各結(jié)構(gòu)層的厚度，同時(shí)對(duì)道路的不均勻沉降有較好的檢測效果，以上表明了地質(zhì)雷達(dá)用于已通車公路檢測是可行的，可以對(duì)公路已存在的隱患進(jìn)行判別，能夠?qū)笃诘男扪a(bǔ)工程提供參考依據(jù)。

2）對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行Hilbert二次處理，得到其瞬時(shí)特征圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)信號(hào)的多角度解讀，相對(duì)于原始數(shù)據(jù)，二次處理后的結(jié)果具有分辨率高、分辨深度大、圖像清晰直觀等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，將多個(gè)參數(shù)聯(lián)合進(jìn)行評(píng)估，能夠提高地質(zhì)雷達(dá)圖像解釋的精度和可信程度。

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The application of ground penetrating radar on highway structure layer thickness detection

HU Yanjie1，2，YU Xiangjuan1，2，GAO Lei1，2，HAN Xuewu3，XING Huanhuan4
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Jiangsu Research Center For Geotechnical Engineering Technology Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Suzhou Traf fi c Engineering Testing Center Co. Ltd，Suzhou 215011，China；4.China Design Group Co.，Ltd. Nanjing 210014，China)

In this paper，the ground penetrating radar is applied to the road detection，and the field test is carried out. The radar test results are compared with the results of core sampling. The location of the interface，the thickness of structural layers，and the existing diseases are analyzed. The Hilbert transform of radar raw data is used to obtain instantaneous amplitude，instantaneous phase and instantaneous frequency，then，the interface position of the road structure layer is emphatically analyzed. The results show that the ground penetrating radar can detect the thickness and the uneven settlement of the road structure layer. The accuracy and credibility interpretation of the radar image are improved by secondary processing.

ground penetrating radar；highway detection；Hilbert transform；instantaneous amplitude；instantaneous phase；instantaneous frequency

U416.2

A

1673-9469（2017）04-0037-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.009

2017-07-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508159)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20151495)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016B20214，2016B06114)

胡艷杰(1993-)，男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)雷達(dá)檢測方面的研究。