雷達檢測技術在道路工程中的應用

關 愷

（杭州市公路管理局檢測試驗中心，浙江 杭州310016）

0 引言

地質雷達同時也被稱為透地雷達、探地雷達，它是利用頻率介于106～109Hz 的無線電波來確定巖體、砌體、地下介質分布狀況的一種方法。地質雷達是利用發射天線向地下介質發射高頻電磁波，電磁波在地下介質中傳播時若遇到存在電性差異的界面時會發生反射，依據接收天線所接收到的電磁波的振幅強度、時間和波形的變化特征等，推斷出介質的形態、埋藏深度及結構與空間位置。使用地質雷達對道路的結構與厚度進行檢測具有精度高、分辨率高、抗干擾能力強、輕便快速等特點。目前，這項技術被廣泛地應用于道路等領域的質量控制及其病害檢測工作中。

1 地質雷達檢測技術的意義

在現階段的道路建設全過程中，特別是在道路質量無損檢測技術中，地質雷達檢測技術不但可以提高工程交（竣）工質量驗收速度，同時還可以提供科學、準確的數據，確保技術指標的精確度，減少了人為干擾、取樣偏差等因素。除此之外，地質雷達檢測技術優于鉆孔取芯等破損檢測方法，減少了對道路原結構的破壞。在路況調查時（特別是水泥混凝土路面），利用地質雷達檢測系統能發現板下脫空等病害，從而及時處理，避免造成面板碎裂、斷裂，從而延長公路使用壽命，提高經濟效益。

地質雷達檢測技術是一項無損檢測技術，其抗電磁干擾能力較強，在道路工程中有著較滿意的探測深度和分辨率。不但可提供實時的剖面記錄圖，而且圖像清晰直觀。與此同時其屬輕便類儀器，現場操作時僅需3 人甚至于更少人員。因此，地質雷達檢測技術在我國道路工程檢測工作中得到了廣泛的應用。

2 地質雷達工作的原理

地質雷達檢測方法是利用高頻電磁脈沖波的反射原理。通過發射天線向目的體發射高頻寬帶短脈沖電磁波，經目的體反射后返回并由接收天線接收，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性及幾何形態的變化而變化。根據電磁波傳播所攜帶的信息，經過分析、處理與計算，即可獲得介質厚度及背后空洞等信息。地質雷達所接收到的信號經過模數的轉換處理后送達計算機，經過濾波、增益等一連串的數據處理之后形成地質雷達探測圖像。地質雷達圖像是解釋資料的根本圖件，地下介質中若存在著電性差異，就可能在地質雷達的圖像剖面中被反映出來。地質雷達的工作原理如圖1所示。

圖1 地質雷達的工作原理

通過同相軸的追蹤，可以測定各介質反射層反射波的旅行時T。依據地下介質的電磁波速V與反射波旅行時T，由以下公式可以計算出目的層的深度h：

式中：h為目的層深度；x為發射天線與接收天線的間距；V為介質中的電磁波傳播速度。

地質雷達波反射信號的振幅與其反射系數成正比，在低損耗介質中以位移電流為主，其中反射系數r可表示為：

式中：ε1與ε2為界面上介質與下介質的相對介電常數；c為光速。

上、下層介質的電性差異決定了反射信號的強度，若電性差異越大，反射信號則越強。

地下介質的電性和中心頻率決定了雷達波的穿透深度。若導電率越高，穿透深度則越小；若中心頻率越高，穿透深度則越小，反之亦然。相比較而言，空氣的介電常數是1，較小；水的介電常數是81，較大；然而對于其他介質而言，相對的介電常數大部分都是處在這兩者之間。不管是電磁波從空氣中穿入非空氣的介質還是從非空氣中的介質進入空氣中的介質，在兩者界面都會產生強反射。例如混凝土介質的介電常數是6，它與空氣介質的介電特性有著明顯的差別，假如兩者間存在著裂縫或者空洞，地質雷達信號將會被反射，同時測試回波信號幅度將會明顯增強，從而在地質雷達檢測的剖面上形成明顯的異常。工作人員通過此現象進行檢測判斷。

3 地質雷達儀器及其檢測技術

杭州市公路管理局檢測試驗中心現階段檢測所使用的地質雷達為意大利IDS 公司所生產的RIS—K2型地質雷達（見圖2）。它的系統硬件是由以下幾個部分組成：DAD 控制單元、天線、網絡電纜、筆記本電腦和電池包。此系統具有體積小、質量輕、分辨率高、快速穩定且易于操作等特點。本文案例測量時所采用的技術參數是：中心頻率為2 000MHz 的天線，轉換為16 位A/D，采樣點數為512，時窗為15ns，采樣點距為2cm。收發天線將以固定天線之間的間距及其測點的間距沿測線同步移動，連續測量所得到的測線剖面上形成的雷達圖像稱為反射剖面法。

圖2 IDS RIS—K2地質雷達

4 地質雷達數據處理的相關分析

地質雷達資料不僅具有短時、高噪的特點，并且隨著探測深度的增加，有用的信號將會越來越弱，而干擾成分相對而言變得更加突出。雷達數據的采集是分析解釋的基礎，數據處理則是提高信噪比，將異常突出化的過程。雷達將其所采集到的原始記錄輸入計算機后，使用IDS GRED/S—3D 高級雷達處理成像軟件（該軟件既可以用于解釋單個雷達數據，也可以用于解釋在同一場區采集到的單個或多個雷達數據文件）進行相關的預處理，以及通過漂移去除、零線設定、背景去噪、譜值平衡、滑動平均等技術處理后，有效地壓制干擾信號的能量，提高雷達信號的信噪比，使雷達圖像更易于識別地質信息，清晰地反映地質現象，從而提供更準確的解釋結果。

5 工程實例

某一級公路水泥混凝土路面的基層為水泥穩定碎石，上路床是填土，從地質雷達剖面上可看到分層界面及其脫空位置的反射波，有著比較高的分辨率與信噪比。

5.1 路面脫空缺陷判定原理

路面層與基層、基層與路床之間會存在著比較明顯的介電常數差異，然而脫空后因空隙的存在，將會使脫空處的介電常數差異加大。依據地質雷達反射波的振幅（能量）差異、同相軸畸變的程度以及相關經驗，將面層與基層界面處所存在的脫空程度劃分為“輕微”與“明顯”兩種類型。

5.2 路面地質雷達檢測

以某區段樁號ZKl0+596.5～ZKl0+616.5 的路面為例，對其區段進行地質雷達檢測，檢測的總里程是20m，一共有4 塊板，測線布置如圖3 所示。通過對地質雷達圖像進行處理分析之后，會發現此區段的局部地段存在著明顯脫空或者輕微脫空，縱向區脫空的長度累計12.5m，每條測線平均為4.2m，占本區段總體長度的20.8%。檢測結果見表1，地質雷達檢測剖面如圖4 與圖5所示。

圖3 測線的布置圖

表1 ZK10+596.5～ZK10+616.5脫空檢測結果

圖4 縱向測線Ⅲ-2地質雷達檢測剖面圖

圖5 縱向測線Ⅲ-3地質雷達檢測剖面圖

6 對我國現階段地質雷達檢測技術的幾點建議

地質雷達檢測技術為我國現階段道路施工質量的監控與預防性養護提供了高效、快速的檢測手段。但是工作人員如何充分地利用豐富的雷達信號，準確無誤地提取其相關特征信息，筆者做出了以下建議：

（1）地質雷達信號分析是否能提供準確的基礎資料與實測雷達數據資料有著密切的關系，如因地表不平整、噪音干擾會使天線高低晃動，從而會產生無規律的雜波。這樣就有可能掩蓋某些目標信號，因此工作人員需進一步研究如何通過數字處理技術來排除雜波、噪聲，從而提取有用的信號。

（2）利用地質雷達對細小、垂直的裂縫進行檢測時，應當選用足夠小而且橫向的采樣點距與適當的主頻天線。如當地質雷達天線的發射與接收的極板中心之間的間距為L時，則橫向的采樣點距應當以不大于L/3為標準；再者地質雷達的天線主頻選取則應當以其最大的探測深度稍大于檢測目標層的深度為標準。

（3）地質雷達波傳播的過程中，通常假定了介電常數和頻率沒有關系，從而忽略了介電常數虛部的影響，只考慮了介電常數的實部，并且忽略了電導率與磁導率的影響。這樣也可能會造成合成信號與實際信號間存在相應的誤差。

7 結語

綜上所述，我國地質雷達檢測技術在道路工程中有著十分重要的作用，工作人員在用其進行道路工程檢測時，應當認真仔細地做好每一項工作，從而為延長道路工程的使用壽命做出力所能及的貢獻。

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[3] 錢榮毅，曾校豐.RIS探地雷達系統及公路檢測實例[J].物探裝備，2003，13（4）：258-259．