探地雷達(dá)技術(shù)在道路評估中運用

梁 鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶 401121)

探地雷達(dá)技術(shù)在道路評估中運用

梁 鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶 401121)

總結(jié)了地面耦合和空中發(fā)射探地雷達(dá)系統(tǒng)的運作原理，對信號處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行了討論，分析了探地雷達(dá)技術(shù)在評估路基土、道路結(jié)構(gòu)研究及質(zhì)量控制方面的功能作用，以促進(jìn)其在道路工程中的推廣作用。

探地雷達(dá)，道路結(jié)構(gòu)，路基，介電值

1 概述

在斯堪的納維亞半島，探地雷達(dá)運用地面耦合天線的首次測試是在20世紀(jì)80年代初的丹麥(Berg，1984)以及瑞典(Johansson，1987)進(jìn)行的,但是在那個時期，這種方法沒有被廣泛接受。在芬蘭，首次測試實施是在1986年(Saarenketo，1992)，在芬蘭公路管理局下的拉普蘭地區(qū)的道路部門于1988年購買了一個裝置后，這種方法已經(jīng)成為了各種道路設(shè)計和維護(hù)方面的常規(guī)調(diào)查工具(Saarenketo,1992;Saarenketo and Maijala,1994;Saarenketo and Scullion,1994)。在芬蘭，大部分公路應(yīng)用的研究和開發(fā)工作中，會運用到低頻率(100 MHz～500 MHz)的地面耦合天線，以評估路基土壤和夾層，探測覆蓋層的深度和調(diào)查道路的結(jié)構(gòu)層。探地雷達(dá)技術(shù)也被應(yīng)用到骨料的探測(Saarenketo和Maijala，1994)。在20世紀(jì)90年代早期和中期，高頻率1.0 GHz～2.5 GHz空氣耦合和地面耦合天線開始被運用到橋面測量(Saarenketo and So¨derqvist,1993；Maijala et al,1994)以及路面的設(shè)計和質(zhì)量控制中(Saarenketo and Roimela,1998；Scullion and Saarenketo,1998；Saarenketo,1999)[1]。

探地雷達(dá)在美國公路調(diào)查中的測試要追溯到20世紀(jì)70年代中期，是由Morey(1998)做的，聯(lián)邦公路管理部門測試了雷達(dá)在隧道應(yīng)用中的可行性，后來也應(yīng)用到了橋面上。第一輛公路車載探地雷達(dá)系統(tǒng)在1985年由聯(lián)邦公路管理局研發(fā)出來(Morey,1998)。此后，大部分應(yīng)用程序把重點放在路面厚度的測量(Maser，1994)，檢測混凝土板下的空隙(Scullion et al,1994)和檢測橋面惡化的區(qū)域上(Alongi et al,1992)。這些調(diào)查主要是運用高頻率(1.0 GHz)的空中發(fā)射天線(see Scullion et al,1992)。

北美公路機構(gòu)探地雷達(dá)在當(dāng)前實踐中的運用，由Morey(1998)給了一個很好的描述。發(fā)放給51個州的調(diào)查問卷結(jié)果是：波多黎各,哥倫比亞地區(qū)和11個加拿大交通部門表明,51個中的33個機構(gòu)表示有用過探地雷達(dá)的經(jīng)歷。最常見的探地雷達(dá)的應(yīng)用是路面層的厚度檢測(24個機構(gòu))，空隙檢測(22個機構(gòu))和橋梁的分層檢測(16個機構(gòu))；隨后的是分層檢測(11個機構(gòu))，鋼梢釘?shù)纳疃葯z測(8個機構(gòu))，掩埋物檢測(8個機構(gòu))，基石的深度檢測(8個機構(gòu))，瀝青的剝離檢測(7個機構(gòu))，以及橋梁支撐處的沖刷檢測(6個機構(gòu))。這些多種多樣的探地雷達(dá)的應(yīng)用中，似乎最成功的是路面厚度的測量，不過有些機構(gòu)表示空隙探測的結(jié)果不令人滿意，以及瀝青剝離的結(jié)構(gòu)也是有爭議的(Morey，1998)[1]。

本文給出了在斯堪的納維亞半島和美國的道路調(diào)查中，探地雷達(dá)最先進(jìn)的審查方法。本文不會解決探地雷達(dá)在橋梁測試的運用，因為這是一個大區(qū)域，需要一個單獨的文章。在世界的其他地方，探地雷達(dá)技術(shù)被20多個國家用于監(jiān)測道路，據(jù)作者所了解，道路上的探地雷達(dá)調(diào)查被廣泛用于加拿大，法國，意大利，瑞士和英國。

2 探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在道路上的軟硬件設(shè)施

2.1 硬件

脈沖雷達(dá)技術(shù)是建立在測量短電磁脈沖通過路面，然后從結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電性分界面部分反射后的旅行時間和反射振幅之上的。當(dāng)探地雷達(dá)脈沖波遇到不同的材料或者是含水率和密度發(fā)生變化時，電性分界面出現(xiàn)在層界面上。探地雷達(dá)通常有以下三個部分:

1)一個脈沖發(fā)射器，它可以產(chǎn)生一個具有給定頻率和功率的單脈沖；2)一個可以把脈沖發(fā)送到介質(zhì)中然后回收的天線；3)一個樣品采集器，它可以分析信號然后把它轉(zhuǎn)化成電腦可以儲存的樣式。常見使用的探地雷達(dá)可分為兩大類：空中發(fā)射喇叭天線和地面耦合偶極子天線。

地面耦合天線可以在很大的中心頻率范圍內(nèi)運作，從80 MHz～1 500 MHz。和空中發(fā)射系統(tǒng)相比，地面耦合系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢是它的滲透深度，但是，如果地面耦合和天線響鈴存在問題的話，就會導(dǎo)致：如果不經(jīng)過信號處理，將很難從附近的地面處獲得一定的信息。地面耦合系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集速度通常是5 km/h～15 km/h。地面耦合系統(tǒng)的領(lǐng)先制造商是美國新罕布什爾州的GSSI，其他廠商還包括加拿大的Sensors和Software以及瑞典的MALA。

空射系統(tǒng)操作的范圍是500 MHz～2.5 GHz,最常見的中央頻率為1.0 GHz。它們的滲透深度一般是0.5 m～0.9 m。在數(shù)據(jù)采集工程中，這些天線被懸掛在地面以上0.3 m～0.5 m。數(shù)據(jù)的收集速度可以達(dá)到100次/s掃描，以至探地雷達(dá)的調(diào)查速度可以達(dá)到100 km/h。目前美國有三家生產(chǎn)和銷售空射系統(tǒng)：新罕布什爾州的GSSI，紐約的Penetradar和得克薩斯州的Pulse Radar。為了促進(jìn)研發(fā)更好的探地雷達(dá)硬件系統(tǒng)，對于具有較高的頻率500 MHz以上的空中發(fā)射天線和地面耦合天線，Scullion et al(1996)提出了測試方案和性能指標(biāo)[1-3]。

在未來，道路探地雷達(dá)硬件開發(fā)將是更小的、非接觸的天線和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這允許來自道路的斷層圖像。由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Davidson and Chase,1998)開發(fā)的64—愛馬仕橋梁檢查系統(tǒng)，便是其的一個例子[2,3]。

2.2 軟件

適用于道路調(diào)研的探地雷達(dá)軟件可以被分成四組：

1)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件;2)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件;3)解釋和可視化軟件;4)集成道路分析和設(shè)計軟件。

大部分的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件已經(jīng)被探地雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)商研發(fā)。定制的數(shù)據(jù)收集和質(zhì)量控制軟件包也正在開發(fā)之中。然而當(dāng)空中發(fā)射喇叭系統(tǒng)被用于質(zhì)量控制系統(tǒng)目的的時候，也即是測量數(shù)據(jù)必須可以重復(fù)，以及探地雷達(dá)的結(jié)果用來測定新建成項目的獎金和罰款的時候，就需要改進(jìn)的軟件包。

數(shù)據(jù)采集軟件一個非常重要的特征是與定位系統(tǒng)的聯(lián)系，例如全球定位系統(tǒng)，這是因為現(xiàn)代路面管理系統(tǒng)，路面設(shè)計軟件需要將信息放到x，y，z坐標(biāo)系中。目前，大部分系統(tǒng)正在使用的距離都是基于數(shù)據(jù)采集控制的。在不久的將來，精確的定位以及探地雷達(dá)數(shù)據(jù)和其他路面調(diào)查數(shù)據(jù)的聯(lián)系將會是一個非常重要的研究方面。

探地雷達(dá)制造商也提供探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，但大部分的軟件已被寫入，以便處理土壤耦合收集地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)。空射探地雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生比較干凈且可重復(fù)的信號，因此，處理過程只需要基本信號濾波和背景去除算法。數(shù)據(jù)處理軟件在將來的一個挑戰(zhàn)是如何推斷路面層和路基電性的定量信息。為了解決路面結(jié)構(gòu)評估中的一些基本問題，在調(diào)查有前景的技術(shù)時，Spagnolini(Spagnolini,1996;Spagnolini,1997;Agosti et al,1998)已經(jīng)接觸到這個問題，即在獲得道路結(jié)構(gòu)中介電常數(shù)垂直分布的信息反演技術(shù)和相互重疊時反射精確位置的層間剝離技術(shù)[2,3]。

道路探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋和可視化軟件被用于檢測層界面和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的單個對象，以及用于將探地雷達(dá)時間范圍轉(zhuǎn)變成深度范圍。他們已經(jīng)做了很多的努力，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來研發(fā)道路和橋梁的自動判讀軟件。然而，這些開發(fā)項目的結(jié)果并不令人滿意，甚至已經(jīng)給公路工程師帶來了迷惑。自動判讀軟件包可能永遠(yuǎn)不會成功的原因是，道路是具有積累和惡化的歷史結(jié)構(gòu)，它在縱向、垂直方向和水平方向都是不連續(xù)的。這就是為什么，被訓(xùn)練有素的、有經(jīng)驗的翻譯人員使用的半自動判讀軟件和限制取芯以及其他參考調(diào)查結(jié)果一起，會被證明是在道路調(diào)查中唯一的工作解決方案。使用者必須通過比較有問題界面和附近其他的回波剖面，來確定回波是來自真正的界面而不是強反射間的多次反射后的結(jié)果。自動判讀也許只能在一種情況下可以用來計算正確的厚度和介電常數(shù)，那就是，調(diào)查新的和有缺陷的自由路面。

探地雷達(dá)軟件中的新一代綜合路況分析和設(shè)計的軟件包，它是專門為探地雷達(dá)數(shù)據(jù)和其他道路調(diào)查數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析而設(shè)計的，它的能力是，計算描述老路狀況的參數(shù)以及新道路結(jié)構(gòu)和修復(fù)設(shè)計需要用到的參數(shù)(Saarenketo,1999)。在道路調(diào)查中，探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)輸出是以數(shù)據(jù)表格的形式出現(xiàn)的，或者是縱向剖面可視化，或者是GIS地圖。在很多情況下，實際的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)是不提供的，只有可視化的結(jié)果。當(dāng)與其他數(shù)據(jù)類型例如縱向剖面相結(jié)合的時候，探地雷達(dá)用于識別表面缺陷的潛在原因。

3 展望

雖然探地雷達(dá)應(yīng)用到道路和公路上的歷史比較短暫，但是這種方法已經(jīng)被證明是解決各種公路工程問題的一個有效工具。對大多數(shù)公路機構(gòu)而言，探地雷達(dá)在道路上應(yīng)用的生命周期依然在導(dǎo)入期。意識和教育依然需要來使這種方法被擴散和接受。

探地雷達(dá)在將來道路調(diào)查中的一個重要因素，是在常規(guī)道路分析、道路恢復(fù)以及設(shè)計程序中建立這種技術(shù)。雷達(dá)作為一個僅針對特定路面調(diào)查項目的方法，雖有趣但模糊，它應(yīng)該改變成在其他調(diào)查技術(shù)中使用的常規(guī)道路調(diào)查工具。為了這個目的，我們需要為探地雷達(dá)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和判讀技術(shù)建立一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

盡管本文介紹了道路探地雷達(dá)技術(shù)，也提出了一些成功的案例，但是世界范圍內(nèi)仍然有些失敗例子的存在。這些是因為銷售商對這種技術(shù)的過度銷售，他們懂得這種技術(shù)但是并不欣賞路面系統(tǒng)的復(fù)雜性能。

將來最大的希望需要三個關(guān)鍵的步驟：

1)研發(fā)對使用者有利的軟件包，將探地雷達(dá)數(shù)據(jù)和其他道路調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成對道路工程師有用的信息；2)理解道路材料和路基土壤的電性以及它們和水分、強度、變形的相關(guān)性；3)培訓(xùn)公路機構(gòu)和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的使用者以及負(fù)責(zé)探地雷達(dá)調(diào)查的工作人員。當(dāng)我們達(dá)到這些要求時，那么探地雷達(dá)技術(shù)和應(yīng)用將會在道路的設(shè)計、建造和維護(hù)產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生巨大的市場。

[1] Timo Saarenketo, Tom Scullion. Road evaluation with ground penetrating radar[J]. Journal of Applied Geophysics，2000(43):119-138.

[2] 楊天春，呂紹林，伍永貴.地質(zhì)雷達(dá)檢測道路結(jié)構(gòu)的理論及應(yīng)用分析[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001,32(2)：118-121.

[3] 羅石貴，周九紅.道路結(jié)構(gòu)層缺陷無損檢測技術(shù)研究[J].公路，2012(5):317-319.

On application of ground penetrating radar technique in road evaluation

Liang Peng

(ChongqingCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstitute,Chongqing401121,China)

The paper sums up the operation principles for the ground coupling and air-launch ground penetrating radar system, discusses the information treatment and data analysis technique, and analyzes the functions of the ground penetrating radar technique in the evaluation of road basement, researches on road structures and quality control, so as to enhance its application in road projects.

ground penetrating radar, road structure, roadbed, dielectric constant

2015-06-24

梁 鵬(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)25-0159-02

P624

A