基于探地雷達(dá)的公路勘察簡(jiǎn)述

楊培培 魏世昭 李可欣 方海旭 張?zhí)N祁

【摘要】探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）已成為工程淺層勘察的非常重要的，幾乎已經(jīng)成為必不可少的手段。本文簡(jiǎn)述了GPR在北歐五國(guó)和美國(guó)公路勘察中的最初應(yīng)用。隨后對(duì)相應(yīng)的采集系統(tǒng)和處理軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)。最后對(duì)當(dāng)前GPR系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單陳述。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá) 公路勘察

在斯堪的納維亞半島，第一個(gè)探地雷達(dá)（Ground PenetratingRadar，GPR）試驗(yàn)地面耦合天線于1980年代初在丹麥和瑞典進(jìn)行初期試驗(yàn)，但那個(gè)方法在當(dāng)時(shí)沒(méi)有得到普遍認(rèn)可。在芬蘭，第一個(gè)試驗(yàn)是在1986年，而在芬蘭國(guó)家公路管理局（FINNRA）的拉普蘭路區(qū)在1988年購(gòu)買(mǎi)了他們自己的設(shè)備，這些方法在多種道路設(shè)計(jì)和返修方面已經(jīng)被用于常規(guī)的工具。大多數(shù)在芬蘭的高速公路應(yīng)用的研究工作集中在低頻地耦合天線（100-500MHz）以便于評(píng)價(jià)路基土壤和他們自己的夾層、探測(cè)表土的深度和勘查道路結(jié)構(gòu)層。GPR技術(shù)也應(yīng)用于公路骨料的勘查。在1990年代的中早期，1.01.5GHz空氣耦合和地耦合天線被用于橋面勘查和地基設(shè)計(jì)和品質(zhì)控制。

在美國(guó)，GPR在道路勘查的歷史可以追溯到1970中期，聯(lián)邦高速公路管理局（FHWA）測(cè)試了雷達(dá)在隧道應(yīng)用方面的有效性進(jìn)行了測(cè)試，之后在1985年測(cè)試了橋面。第一個(gè)公路汽車(chē)?yán)走_(dá)在FHWA下進(jìn)行了測(cè)試。此后，大多數(shù)應(yīng)用程序都集中在路面厚度測(cè)量的微波激射器，1994，在空洞檢測(cè)、混凝土板、檢測(cè)惡化地區(qū)橋面。這些調(diào)查主要是高頻率1 GHz的空氣中進(jìn)行。一個(gè)很好的說(shuō)明探地雷達(dá)在北美洲公路部門(mén)的應(yīng)用目前的做法是通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷發(fā)送到50個(gè)國(guó)家，最常用的應(yīng)用包括路基厚度，脫空檢測(cè)，橋面板劣化區(qū)的檢測(cè)。這些檢測(cè)主要是用高頻1 GHz的空氣發(fā)射天線進(jìn)行的。

對(duì)當(dāng)前做法的很好的描述探地雷達(dá)在北境公路交通中的應(yīng)用是由莫雷1998做的。結(jié)果發(fā)給Puerto 50個(gè)州的調(diào)查問(wèn)卷波多黎各，哥倫比亞區(qū)和加拿大11運(yùn)輸代理機(jī)構(gòu)表示，33個(gè)機(jī)構(gòu)在51個(gè)答復(fù)中都有探地雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)。最常見(jiàn)的探地雷達(dá)應(yīng)用報(bào)告路面層厚度24個(gè)機(jī)構(gòu)、脫空檢測(cè)（22機(jī)構(gòu)）和橋梁檢測(cè)（16部門(mén)）。

接地天線在一個(gè)寬的范圍內(nèi)工作。中心頻率范圍從80到1500MHz。地面耦合的明顯優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)是它們的穿透深度，與空氣發(fā)射系統(tǒng)相比，而表面耦合和天線振鈴存在的問(wèn)題，這使得很難從近表面獲得任何定量信息。整個(gè)系統(tǒng)的領(lǐng)先制造商，是美國(guó)新罕布什爾州GSSI，其他制造商包括傳感器和來(lái)自加拿大和瑞典的MALA的軟件。

空中發(fā)射系統(tǒng)的工作范圍為500兆赫 2.5千兆赫，最常見(jiàn)的中心頻率為1千兆赫。在數(shù)據(jù)中，它們的穿透深度通常是0.5到0.9米。收購(gòu)這些天線暫停0.3-0.5米以上的路面。數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)100 scans/s，這使得GPR的調(diào)查速度高達(dá)100Km/h。目前來(lái)自美國(guó)的三家供應(yīng)商制造和出售空中發(fā)射系統(tǒng)：新罕布什爾州GSSI、紐約的Penetradar，德克薩斯脈沖雷達(dá)。在未來(lái)，路探地雷達(dá)硬件的發(fā)展將向更小的接觸天線和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它允許從斷層圖像路。這些系統(tǒng)的一個(gè)例子是64道HERMES橋—由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)。

用于道路調(diào)查的探地雷達(dá)軟件可分為四組：探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，解釋和可視化軟件和集成的道路分析與設(shè)計(jì)軟件。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件已經(jīng)由探地雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。但是，自定義數(shù)據(jù)收集質(zhì)量控制軟件包現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的。需要改進(jìn)的軟件包當(dāng)空氣發(fā)射天線系統(tǒng)用于路面質(zhì)量控制的目的，測(cè)量必須是可重復(fù)的，將使用探地雷達(dá)結(jié)果確定對(duì)新完成的職業(yè)的獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰對(duì)象。數(shù)據(jù)采集中的一個(gè)重要特征軟件是與定位系統(tǒng)的連接。電信設(shè)備制造商，如GPS，因?yàn)楝F(xiàn)代路面管理系統(tǒng)PM8路面設(shè)計(jì)軟件需要附加的信息x，y，z坐標(biāo)。目前，大多數(shù)系統(tǒng)是基于距離的數(shù)據(jù)采集控制。在未來(lái)幾年的精確定位和探地雷達(dá)數(shù)據(jù)與其他路面測(cè)量的銜接數(shù)據(jù)是一個(gè)關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。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)，但大多數(shù)軟件已編寫(xiě)，以便處理接地。PLED收集地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)。空氣發(fā)射的探地雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)可重復(fù)的信號(hào)，因此處理只需要基本的信號(hào)濾波和背景去除算法。挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)處理軟件的未來(lái)是推斷關(guān)于電學(xué)的一些定量信息路面層與路基的性能已經(jīng)接近這個(gè)問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)查有前途的技術(shù)來(lái)解決道路結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)基本問(wèn)題，評(píng)價(jià)，即反演技術(shù)獲取道路結(jié)構(gòu)中介質(zhì)垂直分布和層剝離的信息。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋與可視化道路檢測(cè)軟件探地雷達(dá)的接口和單個(gè)目標(biāo)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換進(jìn)深。許多努力，包括使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)作出，以便開(kāi)發(fā)自動(dòng)判讀軟件道路橋梁。然而，這些結(jié)果發(fā)展項(xiàng)目并不令人鼓舞，并在公路上造成混亂。工程師.自動(dòng)解釋軟件包的原因很可能永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工作是道路大多是歷史性的變質(zhì)結(jié)構(gòu)，縱向結(jié)構(gòu)與不連續(xù)性，垂直方向和橫向方向。這是為什么半自動(dòng)判讀軟件受過(guò)良好訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)豐富的口譯人員加上有限的取心或其他參考。調(diào)查結(jié)果被證明是道路調(diào)查中唯一可行的解決辦法。用戶(hù)也必須確保回聲來(lái)自真實(shí)的接口。而不是通過(guò)對(duì)比回波在強(qiáng)反射鏡之間多次反射的結(jié)果與這些問(wèn)題有關(guān)的接口的概要文件附近。唯一的例子，自動(dòng)解釋似乎計(jì)算正確的厚度和介電值是對(duì)新的和缺陷的測(cè)量。

GPR提供了巨大的潛力，以協(xié)助完成堆焊層質(zhì)量的監(jiān)控。探地雷達(dá)參數(shù)這些問(wèn)題領(lǐng)域是表面電介質(zhì)。探地雷達(dá)的痕跡可以緊密地收集起來(lái)。間隔，并用最少的數(shù)據(jù)處理表面介電常數(shù)與距離的關(guān)系圖產(chǎn)生.表面層的電介質(zhì)是對(duì)構(gòu)件材料骨料的介電函數(shù)，空氣和瀝青及其體積比。如果瀝青表面被均勻壓實(shí)，表面絕緣應(yīng)要保持恒定；但是，如果是低滲透區(qū)的話(huà)。有過(guò)多的空隙，這將有利于人們觀察到測(cè)量介質(zhì)中的表面介電圖。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)對(duì)GPR在北歐五國(guó)和美國(guó)公路勘察中的最初應(yīng)用及相應(yīng)的采集系統(tǒng)和處理軟件的簡(jiǎn)單總結(jié)，本文對(duì)GPR系統(tǒng)在公路勘察工程中的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單陳述。