探地雷達(dá)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用綜述

葉超強(qiáng)，劉斌清，禤煒安，徐國棟，黃澤國

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來我國公路基礎(chǔ)建設(shè)突飛猛進(jìn)，道路里程不斷增長，道路損害比例逐漸增加。隨著我國公路基礎(chǔ)逐步完善，道路養(yǎng)護(hù)將成為公路行業(yè)的主流，因此，道路質(zhì)量檢測和養(yǎng)護(hù)任務(wù)比重會越來越大。當(dāng)前道路檢測手段大部分仍使用傳統(tǒng)方法，傳統(tǒng)技術(shù)不僅存在效率低、耗時(shí)長、代表性差及精度低等缺點(diǎn)，而且對路面整體性有一定損害，與快速、智能、高效、高精度的現(xiàn)代化需求有一定差距。探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar)始用于地球物理學(xué)領(lǐng)域，近年由于受到海內(nèi)外公路工程行業(yè)專家學(xué)者普遍關(guān)注而獲得快速發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)作為新興的無損檢測方法，對公路行業(yè)的快速養(yǎng)護(hù)評價(jià)、路網(wǎng)養(yǎng)護(hù)水平、施工質(zhì)量提升、路面長期性能研究等方面具有重要的實(shí)際意義。

1 工作原理

利用探地雷達(dá)檢測需要對目標(biāo)體假設(shè)一定的條件，即假設(shè)檢測對象的結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)模型。探地雷達(dá)系統(tǒng)是采用高頻電磁波信號(106～109HZ)穿透物質(zhì)進(jìn)行電磁波的傳播和反射，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)原理進(jìn)行檢測分析。探地雷達(dá)產(chǎn)生寬頻帶短脈沖電磁波向檢測目標(biāo)發(fā)射，遇到不同介電性質(zhì)的交界面時(shí)產(chǎn)生反射，接收天線接收反射波信號，系統(tǒng)根據(jù)振幅、頻率及波型等參數(shù)進(jìn)行處理，分析出目標(biāo)體的深度、介質(zhì)及幾何形態(tài)，采用正演或反演的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)字模擬及物理模擬，對地下目標(biāo)進(jìn)行成像處理，直接從顯示設(shè)備識別異常特征，做到對地下隱蔽目標(biāo)的直觀檢測分析。

2 技術(shù)發(fā)展過程

20世紀(jì)初，德國的Hutsemeyer教授用高頻電磁波信號對地下金屬體進(jìn)行搜索，開創(chuàng)雷達(dá)探測地面的先河，被作為探地雷達(dá)的初級形態(tài)。1910年，德國的Letmbach和Lawy在所發(fā)明的專利中提出了探地雷達(dá)概念，該專利設(shè)計(jì)一種探測掩埋目標(biāo)的方法，將偶極天線埋在兩個(gè)空洞中進(jìn)行發(fā)射和接受，其中一個(gè)空洞為高導(dǎo)電率媒介，對電磁波具有衰減作用，通過比較兩孔洞接收信號的強(qiáng)弱差別，對高導(dǎo)電率媒介進(jìn)行定位。正式提出利用高頻脈沖電磁波對地下物質(zhì)進(jìn)行探測的人是德國的Hutsemeyer，其在1926年提出電磁波在不均勻介電常數(shù)的介質(zhì)交界面會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這一重要理論的提出被作為后期探地雷達(dá)研究的基本理論。

直到20世紀(jì)80年代，脈沖電磁波探測地下目標(biāo)得到一定發(fā)展，但是由于技術(shù)局限性，地下介質(zhì)具有較強(qiáng)電磁衰減性和復(fù)雜性等影響因素，探地雷達(dá)僅局限于對電磁波吸收較弱的冰層、巖鹽等物質(zhì)的探測應(yīng)用。1951年的Steenson和1963年的Evens運(yùn)用電磁波技術(shù)對冰川截面尺寸進(jìn)行檢測；1970年Hatison對南極冰層厚度進(jìn)行800～1 200 m穿透深度探測；1974年，Morey對水介質(zhì)的剖面進(jìn)行模擬成像；1974年Cook和Unterberger實(shí)現(xiàn)對鹽礦夾層的探測。

自1970年至今，隨著電子科技技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，探底雷達(dá)得到多元化發(fā)展。國內(nèi)如中科院長春地理研究所的SI2R型探地雷達(dá)、中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所的LTD探地雷達(dá)，東南大學(xué)研發(fā)的GPR型探地雷達(dá)等。[1]國外如美國地球物理探測設(shè)備公司(GSSI)的SIR系列，日本應(yīng)用地質(zhì)式會社(OYO)公司的Georadar系列等。[2]

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達(dá)國家長期采用探地雷達(dá)對高等級公路結(jié)構(gòu)層病害、厚度進(jìn)行探測，并分析研究，形成系統(tǒng)的路網(wǎng)檢測與評價(jià)方法。1992年，Scullion T和Lau C把路面結(jié)構(gòu)層實(shí)際厚度輸入到FWD反算軟件中，計(jì)算每結(jié)構(gòu)層的彈性模量作為研究思路來提高落錘式彎沉儀(FWD)反算數(shù)值的精度，通過探地雷達(dá)探測結(jié)構(gòu)層厚度，再采用FWD試驗(yàn)確定路面結(jié)構(gòu)層變化的界線，結(jié)合探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定結(jié)構(gòu)層內(nèi)部可能存在的損壞。[3-8]

美國德克薩斯大學(xué)交通學(xué)院Master和Scullion等采用GPR對幾條發(fā)生剝落的瀝青混凝土路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)層內(nèi)部分析，數(shù)據(jù)表明存在剝落的段落在路表與面層和基層界面反射間有一個(gè)波峰，對于不存在剝落的瀝青路面段落則電磁波反射所形成的波形圖只在路表、面層與基層界面產(chǎn)生波峰。[2]

1994年Momayez嘗試用探地雷達(dá)檢測路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部裂縫位置，但檢測結(jié)果并不能反映實(shí)際情況。1990年，美國的Roth研究表明介電常數(shù)與含水率、孔隙率存在物理公式，并通過大量物理實(shí)驗(yàn)得到土結(jié)構(gòu)層濕度與介質(zhì)介電常數(shù)之間的關(guān)系，為探地雷達(dá)研究道路結(jié)構(gòu)層界面參數(shù)提供了理論依據(jù)。[9]美國的Robert Lytton教授最早利用GPR技術(shù)對含水量和壓實(shí)度的檢測進(jìn)行研究，并且得出電磁波與兩者的關(guān)系。[10]

沈飚等研究表明探地雷達(dá)電磁波探測波動方程與地震彈性波波動方程是相似的，采用正演模擬電磁波在二維介質(zhì)中的傳播，所得模擬效果與實(shí)際模型相吻合，提出了臺階二維地電模型，為高分辨探地雷達(dá)波勘探奠定了理論基礎(chǔ)。[11]

付國強(qiáng)系統(tǒng)研究了路基空區(qū)中不同介質(zhì)和非均勻介質(zhì)差異對雷達(dá)反射波參數(shù)以及成像特征的影響，不同介電常數(shù)所產(chǎn)生的正演模擬圖像存在差異，介電常數(shù)差異越大，波像特征差異越大，反之，越小。[12]

張蓓采用高階FDTD法實(shí)現(xiàn)了高精度復(fù)雜介質(zhì)的數(shù)值模擬，對于較大數(shù)值色散的較復(fù)雜介質(zhì)或者截?cái)嗝骐姶欧瓷湟部梢苑治銎渚?xì)變化，獲得高階差分條件下的穩(wěn)定性和吸收邊界條件；指出地面波測量混凝土的介電常數(shù)精確度高，但只能夠反映表層附近介質(zhì)。

2001年，中南大學(xué)的楊天春等采用SIR210型探地雷達(dá)對長益高速公路及長沙繞城路共計(jì)110 km瀝青路面進(jìn)行探測并將數(shù)據(jù)進(jìn)行厚度反演，所得計(jì)算結(jié)果與鉆芯取樣對比，厚度誤差在0.1 cm內(nèi)，誤差較少。[13]賈學(xué)明等在2005年采用GSSI公司的SIR-3000探地雷達(dá)對5 km基層段落進(jìn)行厚度檢測，探測結(jié)果與鉆芯取樣作對比，結(jié)果表明，兩者結(jié)果誤差在3%以內(nèi)。

綜上所述，目前探地雷達(dá)在工程應(yīng)用領(lǐng)域還處于起步階段，在脈沖源技術(shù)、反算方法、模型建立、分析軟件等都限制著探地雷達(dá)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，對于理論研究以及硬件研發(fā)也有一定的現(xiàn)實(shí)需求。探地雷達(dá)在路面工程應(yīng)用存在較大缺口，路面結(jié)構(gòu)層的檢測參數(shù)促進(jìn)著探地雷達(dá)的發(fā)展，目前對于路面厚度、壓實(shí)度、脫空、裂縫、層間缺陷及含水量等探測存在局部精確度不高的問題，某些檢測項(xiàng)目還處于較為初級的研究階段。因此，探地雷達(dá)技術(shù)在具體實(shí)施及應(yīng)用中還需要進(jìn)一步探索開發(fā)。

4 目前存在問題

(1)目前探地雷達(dá)分析軟件多半建立在忽略目標(biāo)體介電常數(shù)虛部的基礎(chǔ)上，對于高電磁波吸收介質(zhì)(如水泥混凝土)檢測中出現(xiàn)電磁波傳播過程損失偏大，結(jié)果精確度較低，數(shù)據(jù)不滿足實(shí)際工程要求的情況。

(2)GPR在脫空識別領(lǐng)域發(fā)展徘徊不前。探地雷達(dá)對于路面脫空探測需要正演計(jì)算模擬，而目前針對剛性路面的脫空的正演模擬較少，部分正演模擬也僅存于理論階段，缺少實(shí)際工程應(yīng)用的支撐。

(3)提高探地雷達(dá)的發(fā)射功率和發(fā)射效率，屏蔽或者壓制現(xiàn)場各種電磁信號以及傳播過程中不均勻介質(zhì)或截面產(chǎn)生的干擾，增加探測深度以及圖像分辨率。

(4)探地雷達(dá)主機(jī)和天線等硬件需要有創(chuàng)新性的變革來提高高頻電磁波的穿透效果，以適應(yīng)高精度大深度的高要求探測趨勢。

5 結(jié)語

我國探地雷達(dá)道路工程應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代末，相關(guān)科研院校及生產(chǎn)商引進(jìn)了歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的技術(shù)及設(shè)備，專家學(xué)者也開展相應(yīng)研究，使得探地雷達(dá)在公路領(lǐng)域的硬軟件研發(fā)、理論研究都取得豐碩成果。目前，雖然探地雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中存在一些難題，如探測深度、繞射散射現(xiàn)象、含水量擾動和反射波滯后等問題影響著結(jié)果精確度，但探地雷達(dá)在道路工程應(yīng)用是個(gè)研究熱點(diǎn)與趨勢，隨著數(shù)字信號采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法及電磁波抗干擾等研究的創(chuàng)新變革，探地雷達(dá)將迎來更深入的探索和開發(fā)。