探地雷達(dá)技術(shù)在道路檢測(cè)中的應(yīng)用

陳碩秋 李強(qiáng) 熊余康

摘 要：探地雷達(dá)技術(shù)作為一種無損檢測(cè)技術(shù)，因其零損傷、高效率、操作簡(jiǎn)單及節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，在工程探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在公路工程探測(cè)中的應(yīng)用，主要包括結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)、結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)檢測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷檢測(cè)。文章主要介紹探地雷達(dá)的基本工作原理，探地雷達(dá)在道路檢測(cè)中的應(yīng)用以及后期數(shù)據(jù)處理的方法。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá); 無損檢測(cè); 工程探測(cè)

中圖分類號(hào)：P631.8? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）7-166-002

1.引言

目前，我國(guó)高等級(jí)公路傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有：人工地震法、鉆芯取樣法、落錘式彎沉儀檢測(cè)法等，一般根據(jù)檢測(cè)規(guī)程隨機(jī)選點(diǎn)、鉆孔取樣，然后進(jìn)行室內(nèi)分析處理，從中獲取厚度、深度、強(qiáng)度、壓實(shí)度和含水量等工程參數(shù)，這種常規(guī)方法具備直觀、可靠的特點(diǎn)，能夠直接反映地下物質(zhì)某些特性，但是存在很大的局限性，其代價(jià)高、效率低、代表性差，對(duì)路面具有一定的破壞性，已不能滿足現(xiàn)代公路飛速發(fā)展的需要。探地雷達(dá)相對(duì)于這些方法，具有效率高、成本低、精度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。

2.探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡(jiǎn)稱GPR）是一種借助高頻率無線電磁波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的探測(cè)方法，利用路面結(jié)構(gòu)不同材料之間、病害處與未發(fā)生破壞的地方介電常數(shù)存在差異進(jìn)行判斷[1]。探地雷達(dá)不同的天線具有不同的頻率范圍，頻率范圍能決定天線的探測(cè)深度和分辨率。探地雷達(dá)采用較低頻率和較窄帶寬電磁波天線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，其能探測(cè)到的深度較大，而分辨率較低;反之，探地雷達(dá)采用較高頻率和帶寬頻率范圍電磁波天線進(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)到的深度淺，但是分辨率會(huì)較高[2-4]。

探地雷達(dá)向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播的過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的地下介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，反射回上方的電磁波被接收天線所接收，通過對(duì)接收的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理，分析其特征，可以得到路面各層的厚度、密實(shí)度及缺陷等。電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，電導(dǎo)率主要影響電磁波能夠穿透的深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，電磁波在該物體中的傳播速度受介電常數(shù)決定。不同的地質(zhì)體具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上都會(huì)產(chǎn)生回波。

3.探地雷達(dá)在道路檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1探測(cè)道路裂縫

地面裂縫形成的類型和誘因不同，地面裂縫的發(fā)育特征也不一樣，有拉張型、擠壓型、錯(cuò)動(dòng)型等，探測(cè)時(shí)要根據(jù)地質(zhì)條件和地面裂縫的特征進(jìn)行儀器的選型、天線和參數(shù)的配置。在調(diào)查道路裂縫時(shí)，探地雷達(dá)主要分析探討的是反射波同相軸。在現(xiàn)實(shí)中，檢測(cè)道路裂縫時(shí)，應(yīng)將天線中心頻率設(shè)置在1000Hz左右。

3.2檢測(cè)結(jié)構(gòu)層厚度

由電磁波在路面結(jié)構(gòu)層的傳播時(shí)間和面波結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播速度，可通過公式計(jì)算出路面結(jié)構(gòu)層的厚度。因此，厚度檢測(cè)的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)層界面的回波時(shí)間以及電磁波在結(jié)構(gòu)層傳播速度的確定。

3.3識(shí)別基層脫空

公路在長(zhǎng)期的使用過程中，在多種因素的綜合作用下，會(huì)形成基層與填土層之間的脫空﹑路面下空洞以及瀝青層剝落等病害，這些病害不僅會(huì)影響公路使用壽命，對(duì)行車安全也存在一定影響。探地雷達(dá)可有效地識(shí)別這些工程病害。

探地雷達(dá)對(duì)空洞的識(shí)別原理，簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是基于空洞介質(zhì)與周圍其他介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)存在較大差異，空洞在探地雷達(dá)剖面圖上的異常通常呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)，尤其當(dāng)空洞中介質(zhì)為空氣且空洞埋深不大時(shí)，空洞在雷達(dá)剖面圖上會(huì)出現(xiàn)明顯的異常特征。而對(duì)脫空層進(jìn)行識(shí)別主要是根據(jù)在脫空層上下界面產(chǎn)生的反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)這一原理。

4.數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)主機(jī)不僅僅能接收到發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)，其他的干擾信號(hào)也能接收到，干擾信號(hào)是多種多樣的，其主要包括了測(cè)試環(huán)境中的其他電磁波，系統(tǒng)本身的干擾信號(hào)，經(jīng)多次反射的雷達(dá)電磁波，例如手機(jī)信號(hào)、WIFI信號(hào)、電臺(tái)信號(hào)等等，類似這樣的信號(hào)干擾通常被稱之為噪聲，然而在實(shí)際工程檢測(cè)中，噪聲是不可避免的，這對(duì)探地雷達(dá)的電磁波信號(hào)有非常大的干擾，探地雷達(dá)的最終成像質(zhì)量會(huì)被直接影響。為了改進(jìn)這一問題，學(xué)者們研究了很多探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的方法：數(shù)字濾波、背景消除、小波變換等[5]。

4.1數(shù)字濾波

數(shù)字濾波一般分為高通濾波、低通濾波、帶通濾波這三種濾波方式。數(shù)字濾波的本質(zhì)，其原理就是分離出不同頻率的諧波，經(jīng)過其自身的算法，去除掉頻率范圍外的波，從而使目標(biāo)信號(hào)更加突出，這樣就能得到較為理想的目標(biāo)信號(hào)。簡(jiǎn)單來說，就是去除掉不需要的波，留下需要觀察分析的波?；谶@樣的原理，不難發(fā)現(xiàn)只有在目標(biāo)信號(hào)和噪聲的頻率有明顯的區(qū)別時(shí)，數(shù)字濾波技術(shù)才能被使用。但是這種數(shù)據(jù)處理方式存在一些弊端，有可能會(huì)去除掉一些有用的波，不能準(zhǔn)確地留下需要的波。

4.2背景消除

在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常不僅能采集到目標(biāo)信號(hào)，也能采集到背景噪音，這些背景噪音會(huì)直接影響到目標(biāo)信號(hào)的質(zhì)量。其實(shí)背景消除的目的也是減少其他信號(hào)的干擾，突出目標(biāo)信號(hào)[6]，這樣能更直觀地觀察圖像。

4.3偏移處理

有些時(shí)候，在地下介質(zhì)的交界處，有一些反射點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)有一定的距離，但其法平面經(jīng)過測(cè)點(diǎn)，接收天線也能接收到類似上述情況的信號(hào)，在雷達(dá)剖面圖上，上述反射點(diǎn)的位置發(fā)生了偏移，這就會(huì)直接影響探地雷達(dá)信號(hào)的質(zhì)量。偏移處理技術(shù)就是將這些反射點(diǎn)移動(dòng)到其實(shí)際位置上去。經(jīng)過偏移處理后的圖像，不僅目標(biāo)信號(hào)得到了突出，分辨率也得到了提高。

4.4靜校正切除

在實(shí)際雷達(dá)探測(cè)過程中，）雷達(dá)天線與地面無法完全貼合，此時(shí)收集到的圖像中道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置信息不夠準(zhǔn)確。這其中的誤差主要是雷達(dá)波在空氣中的運(yùn)行時(shí)間被算在內(nèi)，并且在空氣中的電磁波速比在道路內(nèi)部介質(zhì)中傳播快三倍，這就使得在雷達(dá)圖像中顯示的深度比真實(shí)值要更深，切除后可直接從地表顯示雷達(dá)圖像信息[7]。

5.結(jié)語

綜上所述，在道路檢測(cè)方面，探地雷達(dá)完成道路裂縫、結(jié)構(gòu)層厚度、內(nèi)部損傷的檢測(cè)后，將其數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整理與分析，但在數(shù)據(jù)處理方面仍有進(jìn)一步發(fā)展的空間。此外，雖然探地雷達(dá)技術(shù)因其無損、高效等優(yōu)點(diǎn)在道路檢測(cè)方面已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但仍存在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)易受周圍環(huán)境的干擾，缺乏定量評(píng)價(jià)介電常數(shù)分布趨勢(shì)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)手段研究等問題。

參考文獻(xiàn)：

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