摘 要

可靠地評定路面技術狀況是有效進行道路養護管理的重要前提，探地雷達作為無損檢測技術的一種，通過剖析其工作原理以及數據、圖像影響因素，對探地雷達應用于路面層厚度測量以及典型病害識別進行了分析。探地雷達識別度和檢測效率高，檢測結果可靠，在道路管理中優勢顯著，具有很好的應用價值。

關鍵詞 探地雷達 | 厚度測量 | 病害識別

近年來，中國汽車數量激增，致使道路交通擁堵、負荷過重瀝青網sinoasphalt.com。此外，隨著經濟的增長，貨物運輸頻繁，需求巨大，大型車輛在運輸過程中經常發生超載，嚴重超出了道路的承受能力，導致發生裂縫、空洞、推擠、坑槽、抗滑能力下降、沉陷、擁包等路面病害，以及路肩、路堤的塌陷等。這些病害影響交通順暢和行駛安全，全面徹底地控制病害的產生是不現實的，但若找出病害產生的原因，采取一系列可行的措施，便可將其產生的可能性降至最低。此外，為加快城市化的步伐，地下管線的鋪設也變得復雜，水、氣、通信相關單位以及市政建設等在檢查地下管道時，尤其需要更高效、損失更低的方法。

地質雷達(Ground Generating Radar，探地雷達)可用來對道路進行無損檢測，識別度和檢測效率高，檢測結果可靠。普通地質雷達在對采集到的圖像數據進行處理后，可以發現病害，并對病害成因及類型進行定性分析，但病害出現的具體位置只能在一定精度范圍內予以估計，無法定位準確，影響了檢測和維護效率。此外，拐點處的檢測通常需要人工標記，汽車雷達并不很方便。探地雷達與傳統鉆芯取樣相比，無損且成本低，利用移動車輛降低工作人員的安全問題，可以實現數據的連續采集，100%覆蓋。

YunhaiXia等采用差分CPS定位，利用高精度攝像系統采集路況信息，利用慣性測量單元及時獲取設備的三軸姿態角，確定測線拐點的定位，開發了一個功能強大的數據處理和信息提取軟件系統。JeongSooLee等于2004年首次報道關于完整集成電路的GRP設備，包括其設計、集成以及路面無損檢測。探地雷達在道路內部隱性病害的識別與解釋上還不夠準確，以下從探地雷達工作原理及影響因素出發，對其應用于厚度測量及病害識別進行進一步分析，以期對其應用起到一定的參考作用。

工作原理及影響因素

工作原理

探地雷達是利用超高頻窄帶脈沖電磁波探測地下目標的一種地球物理探測技術，由硬件系統、輔助系統和數據采集處理系統組成。實際的探地雷達系統包括發射天線系統、接收天線系統、控制單元和微機系統四部分。輔助系統包括差分GPS定位裝置、測量輪、慣性測量單元、視頻采集卡和攝像機。高頻窄帶脈沖被發射天線發送至待測物體表面，反射信號由接收天線接收。探地雷達是一種非破壞性、連續的電磁探測技術，用于路面狀況和土壤特性等參數的測量。脈沖在待測物體中傳播，其傳播特性受傳播介質屬性和幾何形狀變化的影響，產生的變化可通過對反射信號的分析和處理得到。通過獲取反射波的傳播時間、振幅和相位數據，就可推斷出地下層的結構、物理特性以及待測物體的深度(厚度)。分辨率直接與脈沖帶寬相關，影響到系統的評估能力。

影響因素分析

(1)含水量

水的介電常數比瀝青混合料的介電常數大得多，Topp等用三階多項式描述了有效介電常數與體積含水量的關系。Maser和Scullion采用復折射率模型，考慮瀝青層由空隙、集料、瀝青和水組成。以上模型都認為有效介電常數與含水量成正相關，然而，此后研究卻發現，地表水幾乎不會影響GPR數據，除非路面結構完全飽和。

(2)密度

另一個影響介電常數的材料參數是質量密度，介電常數隨密度的增大而增大。因此可用來辨別路面系統中的剝離和空隙率。瀝青和集料粘結失效處發生剝離，產生一個薄弱層。在密度較低的剝離處覆蓋新的瀝青混合料，表面裂縫會在短時間內重新出現。由于剝離處密度低，層間發生由下至上的反射裂縫。Scullion等指出，探地雷達能夠成功地探測到地下剝離的位置和程度。

(3)環境噪聲

峰值表示分層界面反射得到的脈沖信號，而現場測量時，峰值會受到環境噪聲的影響，增加了確定層間傳播時間的難度。JohnC.MOORE等提出了一種提高雷達信噪比的方法，該方法利用奇異譜分析(SSA)將雷達信號分離成正交分量，方差很小的量通常是噪聲。將最大量級部分相加至所有方差和超過原始信號的噪聲水平(通常是60%~80%)，得到特征更為清晰的雷達圖。通過對經SSA過濾的數據進行包絡分析，雷達圖得到進一步增強。

厚度測量

路面結構層厚度為路面管理系統提供了重要的信息，如確保新建路面符合設計要求，對現有路面而言，結構層厚度的準確確定對路面養護或重建方案的制定至關重要。

道路各層電性存在差異，雷達脈沖在分界面發生反射，如圖1左;Δt1、Δt2分別表示雷達脈沖通過基層和面層的雙層旅行時(如圖1右)，發射脈沖信號的強度主要取決于周圍介質與反射體的電導率和介電常數ε。層厚H計算基本原理如下:

現已開發出根據探地雷達數據確定路面層厚度的程序，如TERRA(Thickness Evaluation of Roadsby Radar)等，該程序集成了層界面的自動判斷標準、厚度計算以及基于層厚度的分割算法。大多數用于厚度測量的GPR都需已知路面材料的介電常數，而實際應用中，介電常數多是根據手冊、表格估算或者依據表面反射率信息等估計得到。然而以上方法并不適用于粗糙表面及地面耦合的探地雷達應用，HXing等對地面耦合GPR的射線路徑進行了模擬，在此基礎上提出了確定路面介電常數和厚度的方法;CaoY等利用層狀體系電磁格林函數的解析表達式，成功模擬了大范圍路面剖面探地雷達掃描，在正演模型的基礎上，提出了一種無需路面條件先驗假設的層厚估算方法，且與巖芯數據相比誤差很小。噪聲干擾較強時，反射波的識別和數據處理尤為重要，噪聲處理主要有:數字濾波、背景消除、反褶積、小波變化等。

病害識別

理論上探地雷達可用于判定三種類型的病害:均勻層的奇異點;層間的長波長奇點;層間的短波長奇點?？v橫向裂縫屬于第一類，施工中水、壓實不均勻以及排水不暢是裂縫產生的直接原因，以及基層局部沉降、夾雜粘土膨脹和路基凍脹等外部原因。第二類是凹陷、沉降、不平整等，隨之產生路面變形，主要原因是鋪裝層厚度設計不足以及施工厚度不均勻。第三類病害諸如基層材料或水的上升，同樣是歸因于層厚設計不足以及下沉塌陷等。

從幾種典型病害雷達圖像特征分析來看:

(1)松散類病害

松散病害處介質發生明顯電性變化，雷達圖像呈現明顯扭曲，振幅顯著增強;不同松散程度，周期和波長保持穩定，隨著壓實程度的提高，頻率減小，波長增長，振幅下降，周期變長;松散病害在雷達圖像上呈現不規則的波浪狀圖形，如圖3。

(2)高含水病害

含水量較高處介質發生明顯電性變化，振幅顯著增強;含水量升高，振幅增大，周期變長，頻率下降，波長減小;不同位置采樣，反射電磁波的振幅和周期差異很小，雷達圖像上出現規則的明暗交錯的橫條紋，如圖4。

(3)脫空

脫空處內部介質為空氣，其介電常數明顯小于周邊介質。從雷達圖來看，周期和波長穩定，離散程度小，圖像特征(圖5)與高含水類似，周期大于高含水，通常與高含水病害同時發生。

結論

隨著路網的日益完善，施工質量跟蹤控制和病害識別等路面管理工作的重要性凸顯，對檢測工作的及時、快速、高效提出了更高的要求，探地雷達以其非接觸、實時、大規模無損等特點具有極大優勢。

(1)基于對影響探地雷達圖像和數據因素的理解，并加以充分利用，表明，探地雷達在路面厚度測定和病害識別中具有常規有損檢測不可比擬的優勢-識別度和檢測效率高，檢測結果可靠，將其應用于病害識別與路況評定具有極好的價值。

(2)病害位置電性明顯不同于周圍介質，理論和試驗表明，松散病害在雷達圖像上呈現不規則的波浪狀圖形;高含水病害呈現規則的明暗交錯的橫條紋;脫空類圖像特征與高含水類似，周期大于高含水。掌握各類病害圖像和數據特征，便能很好地應用探地雷達進行病害識別。

(3)因實際應用中，諸如噪聲等因素的干擾，圖像觀測、識別和數據處理并不十分直觀和清晰。因此，如何減小干擾因素的影響，如何有效剔除無效數據，仍需開展進一步的研究。