城市道路病害特征地質雷達正演模擬及快速識別

張建智

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，涿州 072750)

隨著信息技術發(fā)展，智慧城市建設步伐加快，以地質雷達探測為基礎的城市道路安全預警系統正在有序推進，可為市政和道路維護部門提供準確的地質信息，提高城市道路防災減災能力[1-2]。

地質雷達已經實現從二維(多通道)到全三維地質探測的過渡，在多地開展了道路三維地質雷達探測工作，取得了海量數據，獲得了很好的效果[3]。但在道路地質雷達探測數據解釋方面進展緩慢。王秀榮等[4]研究了以常規(guī)的波形特征分析和振幅特征分析的三維地質雷達解釋技術。鄭國梁等[5]簡述了地質雷達檢測水泥路面脫空的基本原理。王亮等[6]通過地質雷達探測巖溶洞穴的物理模擬，研究了巖溶洞穴在剖面和平面上的特征。高永濤等[7]研究了基于小波域KL變換的地質雷達信號處理技術。熊洪強等[8]對鐵路道床翻漿冒泥的時頻域特征進行了研究，研究發(fā)現道床翻漿冒泥使頻譜中的特征頻點幅值減弱,頻域幅值變化百分數在道床翻漿冒泥中顯著高于時間域的變化規(guī)律。張海如等[9]對探地雷達信號頻帶介電譜特征進行了研究，認為頻帶介電譜特征向量可以對公路基層的密實度特征和含水量特征進行有效識別。郭士禮等[10]研究了典型道路隱形病害的地球物理特征及地質雷達波組特征。徐昕軍等[11]提出了一種基于探地雷達與概率神經網絡的城市道路路基病害預警模型，并在鄭州市中牟縣的濱河路和薈萃路進行了應用試驗。呂高等[12]研究地質雷達在混凝土面層與墊層的界面反射特征與規(guī)律,通過提取回波幅值對壩體病害缺陷進行準確預測和判斷。丁亮等[13]、許獻磊等[14]對道路結構缺陷檢測的探地雷達波場反演方法、針對性處理方法進行了研究。因此，通過對路面檢測中常見的異常體(空洞、積水區(qū))的介電常數差異為基礎，通過正演模擬，分析常見異常體的地質雷達波形特征和頻譜特征，結合實際案例提出基于快速頻譜變換的解釋方法，實現對空洞、積水區(qū)的快速識別。在實踐項目中表明，對于特定頻率的天線，空洞、積水區(qū)頻譜范圍相對固定，使用200 MHz天線在路面檢測中含水異常體主頻為120～160 MHz，空洞異常主頻在200～260 MHz。且頻譜剖面異常特征明顯優(yōu)于振幅剖面特征，可以作為道路病害定性評價的依據。

1 基本原理

地質雷達通過發(fā)射天線將高頻電磁波送入地下，經地下地質體反射、折射后返回地面，接收天線接收信號，形成振幅圖像[15]。

在圖1、圖2中，假設電磁波由地面向地下發(fā)射，經過地下介電常數為ε1和ε2的2層均勻介質，其反射系數R和透射系數T的計算式為

(1)

(2)

式中：R為反射系數；T為透射系數；ε1、ε2和ε3分別為介質1、介質2和介質3的相對介電常數,相對介電常數為比值參數。

根據式(1)和式(2)可知，反射系數僅與分界面兩側相應介電常數的大小有關。當兩個介質的介電常數相同時，反射系數為0，僅有透射而不發(fā)生反射。在實際路面檢測時，由于空洞、積水區(qū)、離析層等地質異常體的存在，接收到的信號包括了反射、折射、透射等信息。

2 正演模擬

通過地質雷達正演模擬電磁波在介質中的傳播過程，研究其波場特征，為實際應用提供理論依據。

2.1 模型網格選擇

模型的網格劃分是正演模型的基礎，二維模型網格一般滿足以下條件：

(3)

(4)

圖1 兩層均勻介質地質雷達探測示意圖Fig.1 GPR map of two layers of uniform medium

圖2 夾局部異常體層狀介質地質雷達探測示意圖Fig.1 GPR map of two layers layered medium with local abnormal body

式中：Δs為二維模型網格大小；λ*為電磁波波長；c為電磁波在真空中的傳播速度；f為天線中心頻率；εr為介質的介電常數。

根據計算，二維模型網格為0.01 m時，不會產生空間假頻而且滿足空間采樣要求。

2.2 模型數值模擬

數值模擬采用了常用的時域有限差分法，針對道路病害探測中最重要的空洞、積水區(qū)異常，模擬了半空間中不同尺度空洞、充水空洞的電磁波異常響應特征[16-17]。

在正演模擬計算時，選擇天線中心頻率為200 MHz，模擬場源為時諧場源，時窗為50 ns,采樣512個，自動增益。

2.2.1 半空間模擬

針對我國相關文獻的梳理，發(fā)現近年來我國對于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的理論研究還相對薄弱，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗班的開展仍處于探索和發(fā)展階段，對實驗班創(chuàng)辦的相關研究不夠充足，尚未形成系統的理論體系，研究的重點主要側重在以下方面。

圖3所示為2層均勻介質的半空間模型，淺層路面面層、基層電導率為0.000 1 S/m,相對介電常數為5，墊層電導率為0.000 3 S/m，相對介電常數為8。

圖3 兩層介質半空間模型Fig.3 Two-layers half-space model

圖4 地質雷達正演響應剖面Fig.4 GPR forward profile

圖5 含空洞兩層介質半空間模型Fig.5 Half-space model of two-layers with voids

圖4所示為2層均勻介質的半空間模型地質雷達正演模擬響應，從響應圖可以看出，在空氣與地表、基層與墊層有明顯反射界面。

2.2.2 空洞模擬

圖5所示為路基有空洞時的模型，面層、基層相對介電常數為5，墊層相對介電常數為8，空洞模型厚度分別為0.1、0.5 m，相對介電常數為1。

圖6所示為模型的地質雷達正演響應剖面，圖中異常體在地質雷達剖面上空洞邊界有明顯的同相軸畸變，在空洞異常中振幅反向，0.1 m空洞在剖面8～15 ns窗口有較強的反射信號，0.5 m空洞在剖面8～18 ns窗口有較強的反射信號。

圖6 地質雷達正演剖面Fig.6 GPR forward profile

空洞正演模擬特征：路基中存在脫空或空洞時，橫向上邊界同相軸畸變明顯，在縱向上隨空洞厚度增大，振幅增強區(qū)范圍增大。

2.2.3 積水區(qū)模擬

圖7所示為路基空洞積水時的模型，模型大小與圖5相同，積水區(qū)模型厚度分別為0.1、0.5 m，相對介電常數為81，模擬了空洞充水時的地質雷達響應。

圖8所示為積水異常體的地質雷達響應，地質雷達剖面上積水區(qū)頂邊界同相軸畸變幅度不大，頂邊界振幅周期略有增大，積水異常體厚度0.1 m在剖面20～26 ns窗口有較強的反射信號，積水異常體厚度0.5 m，在剖面33～39 ns窗口有較強的反射信號，為底界面反射。

路基中積水區(qū)正演模擬特征：路基中存在積水時，頂界面橫向邊界同相軸畸變不明顯，底界面形成明顯的反射界面。

圖7 含積水空洞兩層介質半空間模型Fig.7 Half-space model of two-layers with water-filling cavity

圖8 地質雷達正演剖面Fig.8 GPR forward profile

3 實測剖面特征

3.1 實測空洞剖面特征

圖9所示為云南昆明市華山路空洞探測地質雷達剖面圖。由于該路段局部突然發(fā)生破損，懷疑為溶洞引起，使用美國GSSI公司200 MHz天線對部分路段進行了探測，時窗0～40 ns。路面墊層為強-中風化灰?guī)r，平均介電常數為 10，探測深度2 m左右。在實測雷達剖面圖上看，橫向1～2 m樁號在11～21 ns時窗深度范圍內有明顯的多次波，在26 ns和34 ns深度同相軸頻帶變寬，經1.3 m樁號鉆孔驗證：0.51 m處見空洞，空腔深度1.2 m，底部為淤泥，厚度0.3 m。

圖9 實測地質雷達剖面頻譜分析圖Fig.9 Spectrum analysis map of GPR profile

從頻譜曲線看，在0.5 m處，路基為正常狀態(tài)，地質雷達探測有效頻帶范圍在120～220 MHz，在200～220 MHz形成單峰優(yōu)勢主頻；在1.5 m處空洞異常處，有效頻帶范圍在120～260 MHz，在120～140 MHz和200～260 MHz形成雙峰優(yōu)勢主頻，120～140 MHz為空洞內含水淤泥對高頻電磁波的吸收作用形成，空洞形成的多次波頻帶范圍在200～260 MHz，較正常地層主頻帶稍寬。

3.2 實測充水空洞剖面特征

圖10所示為廣州番禺區(qū)公路路面檢測的空洞探測地質雷達剖面圖，探測使用了200 MHz天線，時窗0～110 ns。路面面層為混凝土，路基為第四系黃土，探測深度在4 m左右。從雷達剖面圖上看，在橫向100.5～101.8 m樁號30 ns和75 ns時窗深度有明顯的同相軸振幅增強，與正演模型空洞積水特征一致，經驗證為地下管線漏水沖刷形成的空洞。

頻譜曲線特征：103 m處，檢測路基為正常狀態(tài)，信號主頻在270～350 MHz；101 m積水空洞異常處，信號主頻在120～160 MHz，反映了空洞內積水對高頻電磁波的吸收作用。

圖10 實測地質雷達剖面頻譜分析圖Fig.10 Spectrum analysis map of GPR profile

根據多個項目證實，使用200 MHz天線在路面檢測中含水異常體主頻為120～160 MHz，空洞異常主頻在200～260 MHz。

4 道路病害異常快速識別實現方法

城市道路病害異常快速識別的要求是對主要病害特征快速呈現、快速識別。基于對路面檢測中含水異常體和空洞的異常特征認識，地質雷達波形特征包含著地下介質的綜合地質特征信息，包括但不限于時間、振幅、頻率、相位、相關、吸收衰減等屬性特征。根據實測數據中固定天線對空洞的頻率響應特征，選擇快速頻譜變換的方法獲取地質雷達頻譜剖面，通過對頻譜剖面上頻譜異常區(qū)識別，達到道路病害異常快速識別的目的。

由于地質雷達數據和地震數據波場特征的相似性，通過數據格式轉換，利用地震解釋模塊中的快速頻譜變換模塊實現地質雷達剖面的快速頻譜變換。

5 測試效果

圖11所示為在河北承德市路面檢測的一段典型剖面，在剖面0.5～1.0 m處地面有翻漿，從地質雷達振幅剖面上看，在25 ns范圍內同相軸連續(xù)，無明顯異常。圖12所示為圖11剖面通過頻譜變換剖面，100～140 MHz分頻顯示0.4～1.1 m處有明顯的含水異常顯示，經淺鉆驗證為路基疏松，局部含水量高。

圖11 地質雷達振幅剖面Fig.11 GPR amplitude profile

圖12 地質雷達分頻處理剖面(100～140 MHz)Fig.12 GPR frequency division processing profile (100～140 MHz)

圖13所示為云南某公路地質雷達檢測剖面，從剖面上看，20 ns范圍內同相軸均勻，無明顯異常，在K118+028.5～K118+030 m樁號有振幅異常。圖14所示為剖面頻譜圖，圖中剖面起始位置～K118+024.5、K118+027.4～K118+028、K118+028.5～K118+030 m有明顯的含水量高的特征，K118+030 m為跳橋位置，經鉆孔驗證為局部積水。

圖13 地質雷達振幅剖面Fig.13 GPR amplitude profile

圖14 地質雷達分頻處理剖面(100～140 MHz)Fig.14 GPR frequency division processing profile (100～140 MHz)

基于提取地質雷達剖面的頻譜屬性進行解釋的思路，對2處驗證過的道路隱伏病害地質雷達數據的重新處理，獲得對應的頻譜處理剖面，含水異常位置在頻譜處理剖面120～160 MHz有明顯的主頻突出顯示，可作為200 MHz天線識別的含水異常屬性進行快速識別處理，從而加快解釋速度，提高異常識別率，經初步統計，經快速頻譜變換后，解釋效率可提高500%，異常識別率達到80%左右。

6 結論

從正演模擬出發(fā)，對路面檢測中常見的異常體(空洞、積水區(qū))的正演響應進行重建，并通過實際案例分析，獲得以下成果。

(1)提出了地質雷達在城市道路病害檢測快速解釋的新思路。相比于振幅剖面，頻譜剖面異常識別特征更明顯，精度更高。

(2)基于頻譜變換的道路缺陷快速識別技術在實際生產中節(jié)省了大量的解釋工作量，為城市道路地質雷達檢測、監(jiān)測提供了條件。

地質雷達探測采用的高頻天線信號成分復雜，在應用中應該認識到，不同主頻的天線對空洞、積水區(qū)的頻譜響應特征是不同的，應在實際工作中積累經驗，不斷提高地質雷達探測精度和速度，更好地發(fā)揮地質雷達在淺層探測中的優(yōu)勢。