（环境工程专业论文）高等级公路路面路基gpr量化检测技术研究.pdf

检测水平方而的有效性。 论文研究解决了高等级公路路基路面厚度和病害区精确检测的关键技术问 题，丰富和发展了公路路面路基材料混合介质介电模型理论，推动了公路路面路 基g p r 检测由定性向定量发展。 关键词：高等级公路：探地雷达；量化检测；介电模型；正演模拟 n r e s e a r c ho ft e c h n o l o g i e si l ig p r q u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no f h i g h w a yr o a d b e da n ds u r f a c e a b s t r a c t i no u rs t a t e ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o ni sd e v e l o p i n gf a s t ，a n dt h e r ei sal o to ft e s t i n g w o r kt od o ，b u tt h et r a d i t i o n a lr o a dd e t e c t i o nm e t h o di sb e y o n dt h em o d e r nn e e d t o d e v e l o pa d v a n c e dd e t e c t i n gt e c h n o l o g yo fr o a d b e da n ds u r f a c ei so fg r e a ti m p o r t a n c e a san e wr o a dd e t e c t i n gm e t h o d ，g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rh a st h ec o n t i n u o u s ，r a p i d ， u n d e s t r u c t i v ea d v a n t a g e s ，a n di sb e i n gu s e de x t e n s i v e l y h o w e v e r , i tr e l y so nt h e i m a g eq u a l i t a t i v em o r et h a nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，w h i c hl i m i t si t sa p p l i c a t i o n s t h er e p o r tf o c u so nt w op o i n t so fh i g h w a yd e t e c t i o n ：p h y s i c a li n d e xa n dd e f e c t o no n eh a n d ，w er e s e a r c h e dt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fc o n c r e t e ，a s p h a l ta n ds o i lw i t h l a b o r a t o r ya n df i e l dt e s t ，f o u n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n d r a t i o ，a g eo fc o n c r e t e ，d i e l e c t r i cc o n c r e t ea n dm o i s t u r ec o n t e n t ，c o m p a c t i o no fs o i l d i e l e c t r i cm o d e lw a se s t a b l i s h e ds ot h a tt h et h i c k n e s sa n dm o i s t u r ec o n t e n tc o u l db e m e a s u r e dq u a n t i t a t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d ，w eu s e df o r w a r dm o d e l i n gm e t h o dt o d e t e r m i n et y p i c a lg p ri m a g eo f d e f e c t s t h e r ea r et o t a l l y7c h a p t e r si nt h i sp a p e r t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o n ，t e c h n o l o g yr o a d m a p ，i n n o v a t i o n ，e ta 1 t h es e c o n dc h a p t e rp r e s e n t s t h et h e o r yo fg p r ，c o m m o nd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d ，t h et h e o r ya b o u td i e l e c t r i c p r o p e r t i e s t h et h i r dc h a p t e rr e p o r t st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w eu s eg p r t od e t e c t m a n yc o n c r e t eb o a r d ，a s p h a l tc o n c r e t eb o a r d ，a n ds o i ls a m p l e s ，a n dt h e nr e s e a r c h e d t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h e s et h r e em i x t u r e s a sw ef o u n d ，t h ew a t e ri nc o n c r e t ei s t h em a i nf a c t o ro fc o n c r e t ed i e l e c t r i cc o n s t a n t c o n c r e t em a t u r a t i o nc o u l db ed i v i d e d i n t ot w os t a g e s ：t h el o s so ff r e ew a t e ra n dl o s so fb o u n dw a t e r w eg o tt h eb a s i c d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fa s p h a l tc o n c r e t ea c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t a t h et o p pa n d a l h a t a t h if o r m u l a sw e r ef i x e d ，a n di ts u i t ss u b g r a d es o i lb e t t e r i nt h e4 伽c h a p t e r , w e s t u d i e dt h ed i e l e c t r i cm o d e l so ft h e s et h r e em i x t u r e sa c c o r d i n gt ot h el i c h t e n e c k e r e q u a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h ec o n c r e t es u i t sc r i mm o d e l ，t h ea s p h a l tc o n c r e t es u i t s 1 1 1 m o d i f i e dl i n e a rm o d e l ，a n dt h es o i ls u i t sl o o y e n g am o d e l t h e5 吨c h a p t e rp r e s e n t st h e f e a t u r eo fh i g hd e f e c t si nt h eg p ri m a g e m o s to ft h ed e f e c t ss h o w e dac o m m o n f e a t u r e ：d i f f r a c t i o nc u r e b o t ht h es a m p l i n gi n t e r v a la n da n t e n n af r e q u e n c yc o u l d a f f e c tt h er e s o l u t i o no fg p ri m a g e t h e r ei sah i g hr e s o l u t i o nw i t hal i t t l es a m p l i n g i n t e r v a la n dh i g ha n t e n n af r e q u e n c y i nt h e6 mc h a p t e r , w eg a v eo u ts o m ef i e l d h i g h w a yd e t e c t i o ne x a m p l e s ，t h e s ee x a m p l e s c o n f i r m e dt h eg p rq u a n t i t a t i v e d e t e c t i o no fh i g h w a yi s p o s s i b l e t h el a s tc h a p t e r p r e s e n t st h ec o n c l u s i o n sa n dn e x t w o r kr e q u i r m e n t s t h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c h ，w ec o u l dl e a r nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t yo fc o n c r e t e a n da s p h a l t ，e s t a b l i s ht h ed i e l e c t r i cm o d e l so fh i g h w a ym i x t u r em a t e r i a l s ，t h e s ek e y i s s u e so fh i g h w a yg p rt e s tc o u l dp r o m o t et h eg p rq u a l i t a t i v ed e t e c t i o nt o q u a n t i t a t i v ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：h i g h w a y ；g p r ；q u a n t i t a t i v ed e t e c t i o n ；d i e l e c t r i cm o d e l ；f o r w a r d s i m u l a t i o n i v 高等级公路路l f i i 路基蕈化榆测技术研究 0 前言 交通是国民经济的基础。自2 0 世纪9 0 年代以来，随着国家对基础设施建设 投资力度的加大，各地道路交通建设发展迅速，尤其是高等级公路的建i 殳。十一 五期间，我国新建高速公路2 4 万公里以上，截止到2 0 1 0 年，高速公路总里程 数已达6 5 万公里，并将在三年内达到世界第一。 在我国高等级公路建设快速发展的同时，其存在的不合理性也逐渐显现。一 直以来，公路部门用于公路新建、扩建的投资比重大，而用r 公路养护方面的投 资较少；对于公路质量状况的检评重视不够，尤其是在公路路而路基质龟状况检 测方面缺少有效的方法。 传统的人r t 养护方法，路上作业时危险性大，也难以发现路面以下的危害隐 患；以钻孔取芯为代表的检测方法，是通过路况调查，根据路基路面的外观特征， 简单划分出损害程度1 i 同的路段，分别抽取一些路段进行随机选点钻孔取芯、弯 沉检测、动力锥贯入仪检测( d c p ) 等点测方法。其检测成本高、检测速度慢、 检测结果不连续、路上作业危险性大、阻碍交通顺畅、且对高速公路具有很强的 破坏作用，其检测结果能给设计人员提供一些直观依据，但由于测试速度和不允 许对路面过多开挖而产生以点代面的情况，从而影响测试精度；同时，一般的钻 孔取样( 非钻探) 深度均有限，难以发现较深层路基内部的病害隐患进行检测评 价，通常只有等剑路基病害影响到路而时才会被发现。不能预先发现和查明路基 内部病害隐患的分布状况和严重程度，难以监控和评估路基质量状况并有针对性 地制定处理措施，只能“头痛医头脚痛医脚”，病害难以根治。这些弊端已不能 适应现代高等级公路的发展需求，为此，发展快速、简便的高等级公路无损检测 技术势在必行。 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 是近年来发展起来的浅层 高效地球物理探测新技术，其具有快速简便、精度高、检测无损等特点，已经被 用到道路建设和检测维护中，在高等级公路路面路皋质量检测方面显示出广泛的 应用前剽1 1 。 目前，探地雷达技术在公路检测中已经得到了较为广泛的应用，但总体而言 该技术尚未成熟，日前的应用主要限于对路面厚度的检测，并且相关理论还需要 高等级公路路痂路基壤化榆测技术研究 研究完善，检测精度也不够高。路用g p r 技术应用现状归结为： ( 1 ) 对于新铺筑沥青面层有较高的探测精度； ( 2 ) 对于旧的沥青混凝土面层、水泥混凝土面层及基层厚度检测精度不高； ( 3 ) 对压实度、空隙率、含水率及面层沥青含量等物性指标的量化检测研 究还处于探索阶段； ( 4 ) 不同路基路面病害的g p r 探测剖面特征描述和解译不够规范。 实际上，g p r 反射回波信息十分丰富，理论上能够为检测路面性能指标提 供足量信息。针对我图高等级公路建设运营的迫切需要，不断完善路用g p r 技 术相关理论，提高榆测精度，实现对沥青含量、压实度、空隙率等路面物性指标 的量化求取，对路基路面病害情况的准确判定，需要对路用g p r 应用技术做更 为深入的研究。 公路结构层材料介电性质差异足路用g p r 应用的基础，雷达接收到的反射 波由介质介电性质决定，对路用探地雷达图像数据的判读、解译都依赖于对介质 介电性质的研究。g p r 数据是反映地下介质的图像，根据图像数据并不能直接 得出结构层厚度、压实度等路面性能指标，但是可以基于对结构层材料介电性质 的研究加以实现。同时，作为一种复合介质，路面路基材料介电常数模型足研究 复合介质介电特性的重要部分。进行高等级公路结构层材料介电性质及其复合介 质的研究具有重要的理论和实际意义，其将为路用g p r 在路基路面量化检测中 的应用提供重要理论依据。 另一方面，由于目前进行的高速公路g p r 检测依然较少，对于不同病害种 类及不同病害尺寸的g p r 剖面特征尚缺乏足够认识，容易在病害检测方面形成 疏漏，因此需要对各种病害的g p r 剖面特征进行研究。 基于路用探地雷达的应用现状，在山东省交通科技项目“公路路基施工质量 智能检测仪研制”( 2 0 0 6 k 0 6 6 - 2 ) 和河南省交通厅科技项目“路面路基状态探地 雷达检测数据量化处理分析技术“( 2 0 0 7 p 4 4 1 ) 联合资助下，本文将通过室内实验、 理论分析、数值模拟、现场实测等手段对路面材料的介电特性和病害特征进行研 究，试图完善目前的雷达检测技术，实现路面路基的量化检测。 高等级公路路i i i i 路基晕= 化枪测技术研究 1 绪论 1 1 国内外研究现状 1 1 1 高速公路g p r 检测应用现状 探地雷达最早应用于道路检测工作足在2 0 世纪8 0 年代初期，被欧洲的丹麦、 瑞典等国率先采用【4 】，但是当时这种方法尚未得到推广应用。1 9 8 6 年芬兰丌始应 用探地雷达于公路检测，1 9 8 6 年，拉普兰地区的道路管理部门购置了探地雷达 专门应用于道路检测，此后探地雷达开始作为常规的检测工具，广泛应用于芬兰 各类道路的设计和修复工作中【5 】。最早探地雷达应用主要是用低频地面耦合天线 ( 1 0 0 5 0 0 m h z ) 探测地下土层工程性质及分层界面、探测基岩面深度以及公路 结构层调查，从2 0 世纪9 0 年代早中期开始，开始应用丁桥梁面板检测【6 ，7 1 ；以 及道路设计和质量控制工作1 8 - 1 0 1 。 美国在把探地雷达技术应用于道硌检测方面起步较早，在2 0 世纪7 0 年代就 开始了相关的试验研究工作，其最早应用于公路隧道检测，后应用于桥梁面板t l 。 1 9 8 5 年，在美国联邦公路局的支持下，第一部针对高速公路探测的车载雷达系 统诞生【1 2 】，从那时开始，探地雷达技术被广泛应用于公路面层厚度检测f 1 3 l 、混 凝上板下脱空探测以及桥梁面板损伤区域探测【5 l ，这些探测主要采用的是高 频率( 1 0 g h z ) 的空气耦合天线。 2 0 世纪9 0 年代末期，m o r e y 1 6 】对g p r 在北美地区( 包括美国5 0 个州以及 加拿人的部分交通部门在内) 的使用状况开展调查，结果表明，已经有6 5 的地 区在使用g p r 进行无损检测，应用范围包括道路面层厚度榆测( 2 4 个地区) 、 空洞探测( 2 2 个地区) 以及桥梁结构分层( 1 6 地区) ；其次还有路而结构分层( 11 地区) 、填埋物探测( 8 地区) 、基岩面深度( 8 地区) 等【1 7 】。 除上述两个地区外，在意大利、加拿大、法国、瑞士和英国等发达围家， g p r 技术也被较为广泛地应用公路探测。 1 1 2 路面材料介电性质研究现状 在公路材料的定量解释方面，目前g p r 已经被用r r 探测面层沥青的孔隙度 和路基土含水率。在沥青孔隙度测定方面，芬兰做了长期工作，发现而层的介电 岛等级公路路向路基量化检测技术研究 性质与孔隙度存在指数关系。从1 9 9 9 年开始，g p r 在芬兰可以被用于所有的公 路面层密度检测【l 引。同时，研究发现局部面层的介电性质与组成材料的密度存 在关系，这被应用于美国德克萨斯少i 1 的公路检测【9 l 。目前，美国德克萨斯州和 芬兰都在研究面层介电性质与空气体积及渗透性的关系。以上的研究仅限于经验 公式，没有从理论上进行分析。 a i q a d i 曾于1 9 9 2 年研究过沥青混凝上在固定频率段的介电性质，实验都采 片j 两种级配：密级配和开级配，通过实验建立了沥青混凝土的介电常数和含水量 之问的相互关系( 2 们。1 9 9 9 年，s h a n g 等曾在0 1 m h z 1 5 g h z 频率段内测量了热 拌沥青混凝土介电常数，其在浇筑实验试块时采用不同的沥青含量和不同拌合方 式，发现沥青含量和拌合方式对沥青混凝土介电常数影响巧i 大，试样的含水量是 影响介电常数的重要因素1 2 1 2 2 。 对水泥混凝土介电性质研究，国外学者做了较多的研究工作。1 9 9 4 年， v i r g i n i at e c h 曾研究了水泥混凝土的介电特征以及混凝土的组成成分、氯化物含 量等对水泥混凝土介电常数的影响，得出了水泥混凝土的复合介电常数随着水灰 比( w c ) 增大而增大等结论【2 3 l 。1 9 9 5 年，r o b e r t 等在5 0 m h z i g h z 频率范围测量 混凝土的复介电常数，混凝土试件的骨料最大粒径为1 5 m m 和3 0 m m ，试验研究 了养护时间对复介电常数的影响。1 9 9 8 年r h i m 在0 1 2 0 g h z 频率段对混凝土 含水量与复介电常数的关系进行了实验研究。香港理工大学的w l l a i 等人应 用g p r 通过室内实验研究了混凝土的性质，包括轻骨料混凝土的抗压强度、孔 隙度、饱和密度，以及一般混凝土的真实介电常数及电磁波能量，研究表明混凝 土的水灰比及水合作用过程中自由水向结合水的转化是影响介电常数大小及变 化的主要原因【2 4 i 。g k l y s z 和j p b a l a y s s a e 研究了用广角法( w i d ea n g l e r e f l e c t i o nr e f r a c t i o n ) 澳j j 得直达波速度、振幅与两种不同混凝土的体积含水率之间 的关系，并给出了两者与含水率之间的线性公式【2 5 1 。 对复合介质介电模型研究，国外许多学者做了大量上作，先后提出了多种复 合介质介电常数模型，部分复合模型曾被加以总结。如经典的瑞利模型( l o r d r a y l e i g h ，1 9 8 2 ) t 2 6 1 ；b o t t c h e r 方程( b o t t c h e r , 1 9 5 2 ) t 捌，该模型在1 9 9 9 年被b o e r s m a 和v a nt u m h o u t 修正，拓展成多相介质模型；b e r e n t s v e i g 公式曾于1 9 8 0 年被 l e s h c h a n s k y i 和u l y a n y c h e v 成功地用于1 0 0 m h z 一9 g h z 电磁波对沙土的介电常数 4 高等级公路路i f i i 路基鼠化捻测技术研究 模拟；复折射率方法( c r i m ) 源于l i c h t e n e c k e r 方程，在介质粒径远小于波氏的条 件下，c r i m 法被b i r c h a k 等( 1 9 7 4 ) 用于两相色散介质复介电常数的模拟1 2 8 1 ， w h a r t o n 等用c r i m 法来建立油及气体的复合介电模型；b r u g g e m a n 于i9 3 5 年 通过复介电常数得到b r u g g e m a n h a n a i ( b h ) 模型，后经h a n a i ( 1 9 3 6 ) 修正，并用丁： 含导电介质的复合介质介电常数模拟【2 9 1 。以上几种模型中，l i c h t e n e c k e r 模型和 b h 模型被广泛应用于土壤学和地球物理。 在国内，介质介电性质和介电常数模型的研究主要集i | i 二f 遥感、勘探和石油 测井等领域，研究对象主要为水、岩石、土壤等常见典型介质。中国科学院长春 地理研究所张俊荣等对微波遥感中目标及背景的介电常数进行研究，分析了介电 常数在静电场和交变电场作用下的物理意义，介绍了介电常数在微波波段的测蹙 原理，以及常用复合介质介电常数模型，给出介电常数的计算方法及典型介质的 介电常数公式，并研究了介电常数与频率、温度、盐度、含水量等参数之间的关 系【3 0 33 1 。中国电波传播研究所的康： ：峰等采用同轴线探头介电常数测量系统测 量了几种介质的介电常数，并给出了分析结果【3 4 】。 中国科学院遥感应用研究所王湘云、郭华东等对岩石进行相对介电常数测量 研究，给出了相对介电常数对应频率的变化规律，分析了相对介电常数与岩石性 质之间的关系【35 1 。大庆石油学院勘探系唐炼等测量了泥质砂岩的介电常数，据 此分析了岩石介电常数与电磁波频率：孔隙度、地层水矿化度等因素之n _ j 的关系， 并得出了在1 i g h z 的频率下泥质砂岩介电常数公式【鲥i i 。石油人学冯启宁等采用 平行板电容法测量了岩石的低频段介电常数，并给出岩石介电常数与频率、岩性、 孔隙度、地层水矿化度的关系【3 7 j 。 郑州大学的张勇对水泥混凝土和沥青混凝土的介电性质进行了实验研究，并 进行了介电常数模型的验证和修正【3 8 】。大庆石油管理局李剑浩应用电场理论研 究混合介质的介电性质，得出混合介质的介电常数取决于各组成成分介电常数的 均值和方差，给出了混合物介电常数公式并进行了验训3 9 l 。 总之，目前国内外对路而结构层材料介电性质的研究仍然不足，需要做更多的研 究工作。另外，目前的复合介质介电常数模型大都是基于定假设才能成立的经 验模型，多用于土壤学，大部分模型主要用于土壤等常见介质，建立的最初日的 并非专门应用于路面材料。由于路面材料有其自身的结构特点，不同于岩石、土 高等级公路路面路基最化榆测技术研究 壤等自然界物质，目前的众多介电模型应用于路而材料是否适用还需要研究和验 证。 1 2 研究意义 自从探地雷达应用于国内外公路路基检测，已在路基病害、埋设物分布、结 构等方面得到广泛应用【4 0 “4 1 ，但检测基本以雷达图像数据定性分析为主，缺乏 量化分析。检测结果不够精确。从已发表的成果米看，国外对于探地雷达数据量 化分析主要依靠实际检测工程中总结出的经验公式。例如，芬兰学者开展的研究 仅是实验室内研究某单一组分( 水泥混凝土、沥青混凝土、土壤) 的介电常数与 含水率的关系，没有关于压实度的研究，也没有建立完整的介电模型理论。 本论文将通过实验研究建立水泥混凝土、沥青混凝土、路基土等公路路基路 面材料物性参数与雷达实测电磁波速度关系公式，研究水泥混凝土养护期内的介 电性质变化规律，在此基础上建立高速公路混合介质介电模型，丰富介电模型理 论，推动g p r 技术在公路物性状态量化检测中的应用；并利用正演模拟方法研究 路基路面病害标准图像特征，实现病害自动量化识别，提高数据处理精度和效率。 1 3 研究思路与开展工作 1 3 1 研究思路 通过室内室内实验，获取各种水泥混凝土、沥青混凝土、路基土g p r 实测 剖面，研究含水率、龄期等与介电常数的量化关系，以l i c h t e n e c k e r 体积模型为 基础建立三种混合介质的体积模型；通过正演数值模拟手段建立病害的标准图 像，基于检测实例验证量化分析方法的有效性。 1 3 2 主要研究方法及工作内容 ( 1 ) 文献查阅 查阅文献，对电磁波的传播特性、介质的介电性质理论、探地雷达正演模拟 理论及图像信号识别理论进行系统归纳和总结。 ( 2 ) 实验研究 室内制作各种不同厚度、配比的混凝土试块1 8 块，不同配比沥青混凝土试块 4 块，不同含水量、级配的砂样3 0 组，采用g p r 反射法进行相对介电常数测定。 6 高等级公路路而路基鞋化愉测技术j i j f 究 ( 3 ) 理论分析 分析水泥混凝土养护期内介电性质的变化原冈，建立水泥混凝土、沥青混凝 土、路摹土的介电性质与含水率等物性参数的关系。 以l i c h t e n e c k e r 体积模型为基础建立三种混合介质的体积模型。 ( 4 ) 数值模拟 对路基路面病害进行正演数值模拟，得出各种病害的标准图像。 ( 5 ) 实例检测 。 进行现场实测，根据检测结果分析g p r 量化分析方法的有效性。 1 4 论文创新点 ( 1 ) 研究确定了三利t 路基路面材料的各项物性参数与介电常数之间的关系， 给出了公路g p r 量化检测的方法。 ( 2 ) 基于l i c h t e n e c k e r 方程构建了三种混合介质的体积介电模型，丰富了路 基路面材料的介电模型理论。首次得出养护期内水泥混凝土的介电性质变化规 律，据此分析了水泥混凝上失水过程的介电常数。 ( 3 ) 通过正演模拟方法获得了公路路基路面病害的标准图像，据此实现了 病害的自动识另0 。 商等级公路路而路基蕈化检测技术研究 2 路用探地雷达及介质介电理论 2 1 探地雷达的发展与现状 探地雷达探测地下目标的历史可追溯到1 9 0 4 年，德国人h u l s e m e y e r 第一次 用电磁波发现地下金属物体。1 9 1 0 年，德国的l e i b a c h 和l o w y 在专利中阐述了 电磁波探测埋藏物体的原理。1 9 2 6 年，h u l s e n b e c k 首次提出应用脉冲技术确定 地下埋藏介质，并指出介质介电常数变化交界处会产生电磁波反射，为探地雷达 的应用打下理论基础。 由于地下介质具有比卒气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样 性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，之后二三十年虽然在美国出现过一 些相关的专利，这项技术很少被运用到其它领域。直到5 0 年代后期，探地雷达 技术才慢慢重新被人们所重视，在矿井( 1 9 6 0 ，j c c o o k ) 、冰层厚度( 1 9 6 3 ，s e v a n s ) 、 地下粘土属性( 1 9 6 5 ，b a r r i n g e r ) 、地下水位( 1 9 6 6 ，l u n d i e n ) l 拘l 探测方面得到了应用。 s t e m 在1 9 2 9 年应用无线电干涉法测量了冰川的厚度，1 9 6 7 年，一个与s t e r n 最 初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1 9 7 2 年p r o e e l l o 将其于探测 月球表面结构。同样在19 7 2 年，r e xm o r c y 和a r td r a k e 开创了g s s i ( g e o p h y s i c a l s u r v e ys y s t e m si n c ) 公司，主要从事商业探地雷达的销售。随着电子技术的发展， 数字磁带记录l 口j 世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应 用，探地雷达的实际应用范围在7 0 年代以后迅速扩大，其中有：石灰岩地区采 石场的探测( 1 9 7 1 ，t a k a z i ； 1 9 7 3 ，k i t h a r a ；) 、淡水和沙漠地区的探测 ( 1 9 7 4 ，r m m o r e y ；1 9 7 6 ，p k k a d a b a ) 、工程地质探测( 1 9 7 6 ，a e a n n a n ，j l d a v i s ； 19 7 8 ，g r o l h o e f l ，l t d o l p h i n ) 、煤矿井探测( 19 7 5 ，j c c o o k ) 、泥炭调查 ( 1 9 8 2 ，c p f u l r i k e n ) 、放射性废弃物处理调查( 1 9 8 2 ，d l w r i g h t ；1 9 8 5 ，o o l s s o n ) 、 以及地面和井中雷达用于地质构造填图( 1 9 9 7 ，m s e r z u ) 、水文地质调查 ( 1 9 9 6 ，a c h a n z y ；1 9 9 7 ，c h i e h - h o uy a n g ) 、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设 物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等。随着仪器信噪比的大大提高探地 雷达的实际应用范同迅速扩大，如军事方面，用于探测地雷、地下未爆炸物等： 在民用方面，探地雷达被用于探测地下电缆、地下管道、考古以及公路铁路、隧 道建设等方面。 高等级公路路丽路基量化榆测技术研究 上世纪7 0 年代以来，许多公司纷纷推出自己的商用探地雷达产品。如美国 地球物理探测设备公司( g e o p h y s i c a ls u r v e ys y s t e m s ，简称g s s i ) 的s i r 系列 雷达、加拿大探头及软件公司( s e n s o r s & s o f t w a r e ) 的p u l s ee k k o 系列雷达、 意人利的i d s 公司的r i s i i k 系列雷达、英国的e r a 的s p r s c a n 系列雷达、瑞 典玛拉公司( m a l a g e o s c i e n c e ) 的r a m a c 系列雷达、俄罗斯g e o t e c h 公司的 o k o 系列雷达、口本应用地质株式会社( 0 y o ) 的g e o r a d a r 系列雷达等。 这些雷达已经在世界各地，特别是欧美地区得到了广泛的应用。 在国内，对探地雷达的研究始于上世纪7 0 年代初，西安交通大学、电子部 二十二所、成都电子科技火学、北京邮电人学等单位先后开展了探地雷达的研制 ： 作，这些雷达由于种种原因没有得到广泛应用。近年来，国内单位及时引进和 借鉴了国外的先进技术，取得了很大进步，许多单位推出了自己的探地雷达产品， 如f l l 国科学院长春地理所的s i r 型探地雷达、东南入学的g p r 型探地雷达、大 连理工大学的d t l 型探地雷达、中国矿业入学的g r 型探地雷达等。目前国内 已经能够生产探地雷达并商品化，其中中国电波传播研究所足国内唯一一家从事 电波传播研究的部属专业研究所，也是国际上规模较大的闫家级电波传播研究机 构之一，其代表产品l t d 系列探地雷达，已进入市场，在军事、地质、水利、 交通、城建等部门得到广泛应用。 地质雷达丰机可分为以下两种形式：一体化结构和分体式结构。一体化结构 把计算机系统和控制单元安装在同一个主机箱中，分体式结构把计算机系统和控 制单元分为两个独立箱体。一体化结构的仪器有s i r 系列等，分体式结构的有 r a m a c 系列等，图2 1 和2 - 2 是不同类型的一体化主机和分体式结构的控制单 了i 。 网2 i 不同类型的体化 i 机 高等级公路路路丛照化榆测技术圳f 究 一蛊j 。l l 薅j ! | l ”i 幽2 2 小同类型的分体式结构控制单兀 地质雷达天线也可以分为一体化和分体式两种结构。一体化结构即发射天线 和接收天线安装在同一箱体内，天线距固定；分体式结构则反射天线和接收天线 相瓦独立。+ 1 体化结构主要应用。j 二屏蔽天线，而分体式结构主要应j f j 于非屏蔽天 线。屏蔽人线卡要应川丁1 0 0 m h z 以上天线，非屏蔽天线丰要应用y - 5 0 0 m h z 一_ 卜天线。图2 3 和2 4 分别足不同类型的屏蔽天线与非屏蔽天线。 、 罔2 4 不同类型的非屏蔽天线 屏蔽天线又可以分为地面耦合天线和空气耦合天线，其 | 地面耦合天线使州 时需贴近地硇i ，否则会影响信号质量，而空气耦合天线则可以离开地面一定距离 ( 3 0 5 0 c m ) ，能够适应高速检测的需要，适用于高速公路探测。图2 5 为不同类 型的。i i 7i 槲 犬线。 刘2 - 5 1 ；同类型的空气耦合犬线 高等级公路路i 斫路基量化俭测技术研究 随着各国高速公路的兴起，探地雷达技术的逐步成熟，探地雷达逐渐被应用 到道路检测i i l ，探地雷达道路检测车也应运而生。尤其是在美国和西欧发达国家， 车载探地雷达的研制和开发已经趋于成熟。日前，美国、西欧等一些发达国家已 经把道路检测车广泛的应用到实际公路的检测中。许多国家的探地雷达生产j 商 也纷纷推出来自己的探地雷达道路检测车，其中包括美国地球物理探测公司 ( g s s i ) 、加拿大s e n s o r s & s o f t w a r e 公司、+ 意人利i d s 公司等( 如图2 - 6 ) 。国 内生产的公路雷达检测车主要有中国电波传播研究所研制的路面检测t i 、北京爱 迪尔公司研制的c b s - - - 9 0 0 0 型车载道路专用雷达等，它们，乓同承担着国内一些 干线的路基路面检测工作。 雩12 - 6 不川国外公司研制的的道路雷达棵测1 图2 7 闫内研制的的道路肃达椿测军 公路雷达检测系统的处理软件人致可分为4 种：( 1 ) g p r 数据采集软什， ( 2 ) g p r 数据处理软件，( 3 ) 数据解泽及可视化软件，( 4 ) 道路整体评价及设计软件。 对于数据采集软件，一个重要特征就是j 定化系统( 如g p s ) 的连结，h 前大部 分的采集系统定位都足以距离( 女i i 桩号) 为基础，以后更加精确的定位方法以及 g p r 数据与其它公路调查数据的准确对应是一个重要的发展力向。对j j 数据处 理软件，目前还仅仅局限于通过处理捩得町视化图像，然后根据图像定性分析各 利- 病害，以后的解译软件虑向定量化发展，即从雷达数掘i i fn j 以直接读取而层、 皋层等的电性参数，这依赖于反演技术的发展。现在人部分的数据解泽和可视化 软件已经具备层位追踪及病害识别的部分自动化功能，及能够以别反射轴清晰的 界面及异常特征典型日明显的病害。但由r 公路结构及病害复杂性，要实现病害 高等级公路路嘶路基壁化检测技术研究 识别的准确性仍需要更好的方法。 近年来，地质雷达在硬件方面的发展已经趋于平稳，各种仪器的性能指标也 越来越接近，今后的硬件发展方向就是制造更小更轻便的空气耦合天线，以及多 通道多频率的采集系统，同时提高数据采集速率和信噪比，以及数据处理和解释 软件的智能化。 2 2 探地雷达系统组成与探测原理 2 2 1 路用探地雷达的组成 ( i ) 发射机 发射机的作用是产生正弦型脉冲( 高频电磁波) ，经分离器( 收发丌关) 后 传输给天线，再由天线将此电磁波定向辐射入路而层。 ( 2 ) 接收机 用于捕捉微弱的反射信号并将其放大，然后将这些信号传递给信号处理机对 信号进行处理。 ( 3 ) 天线 天线的作用是发射电磁信号和接收信号。 ( 4 ) 分离器 在射频发射过程中，发射机和天线之问由分离器联接，短期发射后，分离器 切断发射机和天线的联接，把接收机和天线联接起来。分离器的作用在于保护接 收机的输入组件，使其不被发射机的高能输出破坏。 ( 5 ) 信号处理机与计算机 信号处理机用于处理接收到的反射信号；计算机则用于资料的采集、处理、 存储、显示与分析。 典型的路用探地雷达系统如图2 8 所示： 图中，发射机产生已知波形的射频，该射频是一种典型的正弦型脉冲，经 分离器( 及收发开关，仅对单基天线而言) 后传输给天线，再由天线将此电磁波 定向辐射入路面系统。这利，高频电磁脉冲离开天线后便成为发射信号，发射信号 经由空气到达公路表面时，一部分信号会透射路表继续向下传播，另一部分信号 沿不同的方向反射。这样电磁波信号在路面系统内传播的过程中，每遇到不同的 高等级公路路【i j i 路基最化榆测技术研究 结构层，就会在层间接口发生透射和反射。经过多次的透射后，雷达信号会越来 越弱。 路面系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻两层的结 构层材料的电磁特性不同时，会在其交界面影响电磁信号的传播，即会发生透射 和反射。 在射频发射过程中，在发射机和天线之间由分离器联接，短期发射后，分离 器切断发射机和天线的联接，把接收机和天线联接起来。分离器的作用在于保护 接收机的输入组件，使其不被发射机的高能输出损坏。 接收机的功能在于捕捉到微弱的反射信号并对其进行放大，然后将这些信号 传递给信号处理机。信号的专门处理过程取决丁g p r 系统的应用程序，但会对 接收信号数字化并存储在数字内存上。反射信号经过放大并处理后即可获得所需 信息，终端设备的作用就是将这些信息显示出来。 鼢 i f i i 系 统 分离器 时衍i j j 冷芦7 1 1厂y 1。今今 1， 蹄l i 筇。l ： 讯j ，： 讯i j ，： 图2 - 8 路用雷达组成结构图 2 2 2 路用g p r 探测的基本原理 探地雷达应用于路面探测时，在路面结构层内的传播如图2 - 9 所示，探地雷 达系统根据电磁脉冲回波原理而设计。 一岛等级公路踏嘶路丛最化辛：；：测技术研究 v 二 v 介质3 图2 - 9 路而结构p i 乜磁波的传播过程 当发射信号波前到达路面时，邑在均匀介质中沿z 轴方向( 垂直于路而) 的 传播遵循m a x w e l l 波动方程，为了简化计算，对路面结构层和路而雷达波进行了 近似假设： ( 1 ) 路面结构层材料均匀且各向同性，但是埘电磁波有损耗； ( 2 ) 雷达发射波为平面波，且发射波的波前与路表垂直。 这样，雷达天线发射的i 乜磁波在路面结构层中的传播，可以看成足平面电磁 波存多层均匀介质巾的传播。凶此，当雷达脉冲垂赢入射到路面沿路表以下深度 方向( i 殳为z 轴) 传播时，电磁场满足的m a x w e l l 方程为： 磐：一( 0 ) 2 2 -e ( 2 - 2 e - j 0 ) 2 a ) ( 2 - 1 ) 可一 层 式中，e 为电场强度，荦位v m ；为确频率，单位r a d s ；为磁导率，单 位h m ；。为介电常数，单侮f m ：盯为介质电导率，单位s m 。 根据假设求得方程的解为： e = e o e 一。一7 2( 2 2 ) 其巾，e o 为电场矢量的振幅，倪为依赖于频率的衰减因子，为依赖- 丁频率 与材料特性和相关的位移因了。 式( 2 2 ) 说明： ( 1 ) 电磁脉冲波在路面系统内传播时，其能量幅度逐渐衰减； ( 2 ) 脉冲形状由于肛的非线性相位而引起畸变。 g p r 脉冲存多层路面系统内传播时，每遇到4 i 同的结构层，就会在层间接 触而上发生反射和透射。反射和透射的能量由反射系数r 和透射系数t 确定。 反射和透射电场向量幅值分别为e 和e ，。第1 1 层- ，有： e ，( 门) = r ( n ) 。e ，( n )( 2 - 3 ) 高等级公路路i 酊路基昼化榆测技术研究 e ( 疗+ 1 ) = t i n ) - e ，i n )( 2 - 4 ) 式中，e 0 ) 是第1 1 个界面反射电磁波的电场向量幅值。e ( 盯) 是第n 个界面 入射电磁波的电场向量幅值，e r ( n + 1 ) 是透射过路面系统第1 1 层的电磁波的电场 向量幅值。 从图2 1 0 中可以看到发射信号的反射和透射效应。当反射脉冲在路而系统 传播过程t