探地雷達在道路結構層厚度檢測中的應用

胡艷杰，余湘娟，高 磊，韓學武，邢歡歡

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術研究中心，南京210098；3.蘇州交通工程試驗檢測中心有限公司，江蘇 蘇州215011；4.中設設計集團股份有限公司，南京210014)

探地雷達在道路結構層厚度檢測中的應用

胡艷杰1，2，余湘娟1，2，高 磊1，2，韓學武3，邢歡歡4

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術研究中心，南京210098；3.蘇州交通工程試驗檢測中心有限公司，江蘇 蘇州215011；4.中設設計集團股份有限公司，南京210014)

針對道路結構層厚度檢測和評估問題，將地質雷達應用于道路檢測工程中，開展了道路地質雷達現場測試，并將雷達檢測結果與鉆芯取樣結果進行對比，分析了道路分界面的位置、各結構層的厚度以及存在的病害，對雷達原始數據進行希爾伯特變換，得到瞬時振幅圖、瞬時相位圖和瞬時頻率圖，重點分析了道路結構層分界面的位置。研究結果表明：地質雷達能夠探測道路結構層的厚度，并且對道路的不均勻沉降也有較好的檢測效果，通過數據的二次處理，提高了地質雷達圖像解釋的精確度和可信度。

探地雷達；道路檢測；希爾伯特變換；瞬時振幅；瞬時相位；瞬時頻率

對已有道路進行結構層檢測，確定道路各結構層厚度是否滿足設計要求，對工程質量做出合理有效的評價至關重要。目前使用較多的檢測手段為鉆芯取樣、標準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，隨機性大，代表性弱，且在通車條件下檢測影響正常交通，對行車和檢測人員的安全存在威脅；探地雷達用于道路檢測，且具有精度高、連續性好等優點[2]。王曦光等人[3-4]給出了探地雷達在工程中應用的典型特征圖像，對正確解讀、分析采集圖像具有重要指導作用；朱能發等人[5-8]將雷達應用于道路檢測，總結了常見缺陷的雷達波相特征，為公路檢測及治理提供借鑒。傳統的數據處理手段是采用Fourier變化，這種處理方法不能反映非平穩信號的局部特征，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的另一種有力工具，該方法把一個實信號變成一個復信號，然后能夠從復信號中分離出多個能夠表征信號特征的參數[9-12]。本文結合某公路檢測工程實例，通過對實測路面地質雷達數據信號的Hilbert處理，提高結果分析的精確度和可讀性；對比了探地雷達結果與鉆芯取樣結果，驗證探地雷達技術在路面厚度檢測中的可靠性。

1 探地雷達技術

1.1 探地雷達原理

探地雷達（GPR）的工作原理[13]如圖1所示。探地雷達通過發射天線向待測物體發射連續電磁脈沖波（圖1(a)），根據電磁波傳播理論，電磁波在遇到不同介質層時，由于上下介質的介電常數不同，會在分界面發生反射和折射，折射的電磁波繼續向下傳播，在遇到新的介質層時會繼續發生反射和折射；反射的電磁波由雷達接收天線接收，稱為一個掃描線（圖1(b)）；連續測量時，掃描線重疊在一起得到連續的測量剖面，稱為探地雷達剖面圖（圖1(c)）。

電磁波在介質中的傳播速度可由下式計算：

式中：c表示電磁波在真空中的傳播速度；εr表示介質的相對介電常數。

通過記錄并儲存電磁波發射和接收的時刻，并且計算出電磁波在介質中的傳播時間，由此可以計算反射面的深度，即可確定目標物的深度，公式如下：

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

式中：ε1、ε2分別為上下介質的介電常數。

由上式可以看出，對于非磁性介質，反射系數僅與介電常數有關。電磁波在傳播過程中遇到不同介質的分界面時會產生反射，對反射波的振幅、頻率和相位進行對比分析，即可確定道路結構層的厚度及其異常。

圖1 探地雷達工作原理圖Fig.1 Working principle of GPR

1.2 車載探地雷達系統

車載探地雷達系統是將雷達通過支架懸掛在工程車上或者將雷達置于天線小車上，天線小車被工程車牽引前行，檢測人員在工程車內部通過操作計算機來控制雷達的工作狀態。這種車載雷達相比人工方法有許多優點，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。車載探地雷達在行車中獲得雷達圖像類似于高速攝像機拍攝運動的物體的過程，與高速攝像機原理相同，行車速度對車載雷達檢測效果的影響主要取決于雷達的掃描速率。

2 信號的Hilbert變換處理

對原始信號x(t)進行Hilbert變換：

式中：*表示卷積；h(t)=1/(πt)。

以x(t)為實部，以H(t)為虛部，構造解析信號：

瞬時振幅是反射強度的量度，它與該時刻雷達信號的總能量的平方根成正比，當地下存在明顯的分層時，在分界面位置瞬時振幅產生強烈變化，利用此特征可以確定不同介質分界面的位置；瞬時相位是雷達剖面上同相軸連續性的量度，當電磁波在各向同性均勻介質中傳播時，其相位是連續的，否則其相位會發生明顯的不連續，利用此特征可以對地下分層和地下異常進行判別；瞬時頻率是相位的時間變化率，當電磁波通過不同介質的分界面時，其頻率會發生顯著變化，此特征有助于識別地層[14]。

圖2 雷達單道信號圖Fig.2 Single channel singal of GPR

圖2為某公路探地雷達自帶軟件處理后的單道（第14道）波形圖，對其進行Hilbert變換，得到與之對應的瞬時振幅圖和瞬時頻率圖，如圖3所示。從圖2中可以看出，雷達波存在多個波峰，在利用分界面反射波信號劃分道路結構層時，多個波峰會對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構層劃分為四層，其內部存在三個分界面（對應于A、B、C）。同時，雷達信號在沿深度傳播的過程中，能量會發生衰減，反映到數據上即為雷達信號幅值的衰減，從圖3（a）中可以發現隨著深度加深，信號幅值逐漸遞減，并且在測量過程中不可避免地會遇到其他信號的干擾，所以對于較深的地層，弱信號的識別變得較為困難，但瞬時頻率能很好地解決這一問題，對比圖3（a）和（b）中C點，雖然C點振幅較低，但其頻率異常增高。所以，對實測雷達信號進行Hilbert分析后，需要綜合利用信號的能量大小和頻率來分層。

3 工程應用實例

3.1 工程背景

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

圖3 單道信號瞬時圖Fig.3 Instantaneous graph of single channel signal

3.2 雷達參數設置及測線布置

本次檢測采用意大利IDS公司RIS系列雷達，采用1 600 MHz高頻天線，檢測深度約為0.9 m，每道采樣點數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 測試結果分析

(1)鉆芯取樣對比分析

選取了測試路段D、E、F三處的雷達測試結果和取芯測試結果，進行對比分析。圖4為D處雷達圖像與芯樣圖像，左圖為雷達圖像，由淺至深依次為：空氣耦合層、瀝砼面層、上水穩碎石層、下水穩碎石層、墊層。雷達在測試過程中，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范圍內無明顯雷達反射界面，說明此范圍內物質相對介電常數變化不大，屬于同種介質，為瀝青混凝土面層；同理0.33～0.64 m范圍為水穩碎石層。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碎石層，水穩層從中間一分為二，但兩部分較為完整，沒有出現開裂或破碎現象。

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

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

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

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

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

通過對雷達與芯樣檢測結果分析，選取結構層厚度進行對比。對比結果如表1所示：

地質雷達能較好地檢測道路結構分界面的位置，由此推斷各結構層的厚度，盡管存在一定的誤差；隨著測量深度的增加，高頻信號衰減較快，因此對深層的判斷較為困難，容易造成問題的多解性，此時需要借助其它方法加以判斷；地質雷達對結構層的不均勻沉降有較好的檢測效果，判斷的依據為：同相軸的高低起伏狀態即為地層的起伏狀態。

表1 地質雷達與鉆芯取樣結果對比表Tab.1 Comparison of GPR and drill sampling results

(2)信號的Hilbert變換分析

采用Hilbert變換的原始數據是直接將天線緊貼道路表面探測時的數據，與車載雷達檢測不同的是數據中不含空氣耦合層。

圖7為雷達信號瞬時振幅圖，當地下存在明顯的分層時，在分界面位置瞬時振幅產生強烈變化，利用此特征可以確定不同介質分界面的位置。圖中白色矩形條標識的位置為分界面位置，第一處在深度約0.1 m的位置，對應瀝砼面層和水穩層的分界面；第二處在深度約為0.3 m的位置，對應上水穩層和下水穩層的分界面。雖然組成上下水穩層的材料是相同的，但如果水穩層出現斷裂，那么在斷裂面的位置也會出現明顯的反射波；第三處在深度為0.48 m的位置，但由于信號不明顯，所以需要結合瞬時相位圖進行判斷。此處不明顯的原因是由于電磁波信號在傳遞過程中會發生衰減，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。

白色橢圓所標識的地方為局部深度幅值較強處，這些區域某些點雖然振幅也產生了強度變化，但不能判斷該深度為分界面，因為該深度沒有形成連續的振幅峰值。產生這種現象的原因是由于該處的介質不均勻、不密實，使得這些區域的材料在局部產生分離。盡管處于同一結構層的材料性質比較相似，在宏觀上表現為同一種材料，但實際上還是由分散的粗細集料通過水泥等材料結成整體，所以在集料與水泥結面脫開的地方仍然會出現幅值較強的反射波。

圖7 雷達信號瞬時振幅圖Fig.7 Instantaneous amplitude of radar signal

圖8為雷達信號瞬時相位圖，地下介質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的連續性。圖中白色矩形條標識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層之間的分界面；第二處明顯的分界面約0.31 m處，結合取樣結果，推測該分界面為上水穩層和下水穩層之間的開裂面；第三處分界面約為0.48 m處，推測該分界面為水穩基層與墊層之間的分界面。

圖8 雷達信號瞬時相位圖Fig.8 Instantaneous phase of radar signal

4 結論

1）地質雷達是一種快速、高效、 可連續的無損檢測手段，它能夠有效探測出道路各結構層之間的分界面并由此推測各結構層的厚度，同時對道路的不均勻沉降有較好的檢測效果，以上表明了地質雷達用于已通車公路檢測是可行的，可以對公路已存在的隱患進行判別，能夠對后期的修補工程提供參考依據。

2）對地質雷達信號進行Hilbert二次處理，得到其瞬時特征圖，實現對雷達數據信號的多角度解讀，相對于原始數據，二次處理后的結果具有分辨率高、分辨深度大、圖像清晰直觀等優點；同時，將多個參數聯合進行評估，能夠提高地質雷達圖像解釋的精度和可信程度。

[1] 林志軍，林 波.探地雷達在高速公路路基病害檢測中的應用[J].西南公路，2016(3)：195-198.

[2] 劉瀾波，錢榮毅.探地雷達：淺表地球物理科學技術中的重要工具[J].地球物理學報，2015(8)：2606-2617.

[3] 王曦光.探地雷達在工程應用中的典型圖像分析[J].北方交通，2016(5)：138-142.

[4] 肖宏躍，雷 宛，楊 威.地質雷達特征圖像與典型地質現象的對應關系[J].煤田地質與勘探，2008(4)：57-61.

[5] 朱能發，孫士輝，陳 堅.地質雷達在公路路面無損檢測中的應用[J].工程地球物理學報，2014(4)：522-527.

[6] 馮德山，戴前偉.高速公路路面厚度探地雷達檢測[J].地球物理學進展，2008(1)：289-294.

[7] RODES J P，GRACIA V P，REGUERO A M. Evaluation of the GPR frequency spectra in asphalt pavement assessment[J].Construction and Building Materials，2015，96：181-188.

[8] KHAMZIN A K，VARNAVINA A V，TORNASHOV E V，et al. Utilization of air-launched ground penetrating radar(GPR) for pavement condition assessment[J].Construction and Building Materials，2017，141：130-139.

[9] 湯井田，化希瑞，曹哲民，等.Hilbert-Huang變換與大地電磁噪聲壓制[J].地球物理學報，2008(2)：603-610.

[10] 劉 斌，李術才，李樹忱，等.復信號分析技術在地質雷達預報巖溶裂隙水中的應用研究[J].巖土力學，2009(7)：2191-2196.

[11] 張先武，高云澤，方廣有.Hilbert譜分析在探地雷達薄層識別中的應用[J].地球物理學報，2013(8)：2790-2798.

[12] 劉成禹，余世為.基于探地雷達單道信號處理的巖溶分析方法[J].巖土力學，2016(12)：3618-3626.

[13] 肖立鋒.鐵路路基病害地質雷達檢測方法[J].工程地球物理學報，2012(3)：346-350.

[14] 余志雄，薛桂玉，周創兵.復信號分析技術及其在地質雷達數字處理中的應用[J].巖石力學與工程學報，2005(5)：798-802.

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

國家自然科學基金資助項目(51508159)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20151495)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2016B20214，2016B06114)

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