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探地雷达技术的发展及其在公路工程中的应用综述王春晖 , 杨强 , 陈长 , 孙立军(同济大学 , 上海市 200092)摘 要 :该文首先介绍了探地雷达 ( gpr) 的基本原理 ,回顾了探地雷达技术发展的历史及应用现状 ,根据现有的发展水平对其技术前景给出了预测。结合现代路面无损检测技术 ,提出了其在公路工程领域的广泛应用前景 。关键词 :路面 ; 探地雷达 ; 无损检测探地雷达 ( gp r) 技术是地球物理学领域的一项新技术。近 10 年来 ,该项技术在我国兴起并出现了前 所未有的发展。人们普遍认为 ,该项技术已经具备一定的成熟度。在 gp r 技术的发展过程中 ,各种相关技术也处在广泛发展和应用的时期 ,这必然有利于 gp r 技术与其他相关技术结合 ,迅速拓展其应用范围及领 域。本文的目的是总结该技术方法的发展过程 , 探讨其当前的发展状况尤其在道路工程领域的最新应用 , 并根据现有发展水平对未来 gp r 技术发展的趋势走 向进行预测和展望。探地雷达概念的提出在 1910 年 , 当时 , l et mbach 和l aw y 在一项德国专利中提出了探测埋藏物体的方 法 ,他们将偶极天线埋设在两孔洞中进行发射和接收 ,由于高电导率的媒质对电磁波的衰减作用 ,通过比较不同孔洞之间接收信号的幅度差别 ,可以对媒质中电 导率高的部分进行定位 ,这时才正式提出了探地雷达 的概念 。一般认为 ,第一个提出应用脉冲技术确定地下结构思路的人是德国的 h ul se nbec h , 他于 1926 年 指出 ,电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生 反射 ,这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基 本理论根据。其后 50 年用脉冲技术探测地下目标得到了一定 程度的发展 ,但由于地下介质具有较强的电磁衰减特性 ,加之地质情况的多样性 ,电磁波在地下传播要比在 空气中复杂得多。因此 ,探地雷达的初期应用仅限于 对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。如 1951 年 , st ee n so n 用雷达探测冰川的厚度 ;1970 年 hati so n 在南极冰层上 , 取得了 800 1 200 m 穿透深度的资料 ;1974 年 ,u nt er be r ger 探测盐矿夹层等。自 20 世纪 70 年代以来 ,随着电子信息技术的发 展以及现代数据处理技术的广泛应用 ,国外开始出现 各种形式的试验性探地雷达 ,美 、日 、加拿大等国有几 家公司还相继推出了自己的产品 , 如美国 gssi 公司的 sir 系列和日本 o yo 公司的 geo rada r 系列 等 ,出于科学研究和工程应用的需要 ,国内对以上产品 相继引进 ,目前在国内应用广泛的进口探地雷达主要方法原理简介1探地雷达是探测地表下结构和埋设物的新型无损探测仪器 ,它利用电磁波对地表的穿透能力 ,从地表向 地下发射某种形式的电磁波 ,电磁波在地下介质特性 变化的界面上发生反射 ,通过接收反射回波信号 ,根据 其延时、形状及频谱特性等参数 ,解译出目标深度 、介 质结构及性质。在数据处理的基础上 ,应用数字图像 的恢复与重建技术 ,对地下目标进行成像处理。2 技术发展过程回顾及前景展望2 . 1探地雷达技术整体发展路线及工程领域应用1904 年 ,德国人 h ut se meyer 首次尝试用电磁波 信号来探测远距离地面金属体 ,这是探地雷达的雏形。收稿日期 :2006 - 12 - 23作者简介 :王春晖 ,男 ,硕士研究生. e - mail : co ngro ng_007 yahoo . co m. cn 212 中外公路27 卷有以下几种 : 美国地球物理探测设备公司 ( gssi)的 sir 系列 ; 加拿大探头及软件公司 ( ssi) 的 pul se e k ko 系列 ; 日本应用地质株式会社 ( o yo ) 的 geo rada r 系列 ; 瑞典地质公司 ( s gab ) 的 ra2ma c/ gp r 钻孔雷达系统等 。这些雷达所使用的中 心工作 频率在 10 1 000 m hz 范 围 , 时 窗 在 0 20 000 n s ,探测深度超过 4 080 m ,分辨率达厘米级 , 深度符合率小于 5 c m 。就应用范围而言 ,这些探地 雷达系统包括地面用 ,钻孔用和航空用 ;就雷达系统天 线利用方式而言 ,有单基 、双基和多基系统 ,三维 gp r 系统仍处于研制阶段 。作为实用的探测工具 ,探地雷达能够在以下几方 面发挥有效的作用 :(1) 探测海冰、湖冰厚度、湖底深度和结构 ,探测 永久性冻土冰块。(2) 探测煤层厚度 ,块状石灰岩深度。(3) 岩体中断层、湿地破碎带 、溶洞、金属矿体以 及报废井孔等的探测 。(4) 测量土壤近似湿度及分布。(5) 探测地下埋设的各种金属和非金属管道 、电 缆及光缆的科学资料 。(6) 寻找地下古迹。(7) 探测公路结构层厚度及识别脱空 , 进行压实 度及含水量的评价。2 . 2探地雷达技术现有发展状况特点分析及其技术 前景展望2 . 2 . 1 探地雷达技术目前的发展状况特点(1) gp r 目前具有一定的发展基础 。一些对基 础物理学有所研究的研究者正在借此建立各种模型来 完善 gp r 的研究。(2) 尽管人们对混合材料的介电性质已经有了一定的认识 ,但是由于其复杂性及其相互影响 ,仍将继续 成为人们研究的课题 。(3) 目前 ,由于软件及相应算法的不断更新 ,数据 处理能力快速提高。gp r 技术的相关仪器已经集稳 定性、可靠性于一身。在研究初期 ,如果探测者有一些特别的探测需要 , 不一定能够通过 gp r 仪器有效完 成。如今由于配备了多个频率的天线 ,满足特殊的探 测需求已不再困难。(4) 尽管 gp r 输出波形的振幅难以控制 ,但随着 仪器的升级和设计的优化 , 所获取的波形逐步稳定。在 gp r 所得到的数据中 ,波的传播时间是最有用的数 据 ,相对振幅对于研究是不可缺少的 ,不过绝对振幅还是无法获取的。(5) 当前 ,人们正致力于新一代数据分析处理软 件的开发 ,旨在揭示所获波形的本质属性 ,而且这项研 究已经取得了一定进展。2 . 2 . 2 探地雷达技术发展的前景预测及展望通过 gp r 技术在 20 世纪的发展及现有应用水 平 ,可以预计到 21 世纪 gp r 技术的研究应用仍将继续在深度及广度上拓展。(1) gp r 作为一种探测工具及手段将会日趋成 熟 ,应用范围将会继续拓展 。(2) gp r 相关仪器已经达到了较高的精度和可靠性 ,但由于某些因素影响 , 仍然存在一定程度的偏 差。比如 ,由于部分探测对象的复杂性 ,使得电磁波多 次反射后叠加而干扰了界面本来应该产生的一次反 射 ,由于反射波衰减严重而使得所接收的数据不精确 等。这些问题随着研究的深入及技术的改进将会不断得到克服和解决。(3) 数据处理及先进的图像信息传送已经不再困 难 ,而且处理分析数据的方式日益更新 。未来 ,针对探 地雷达检测数据的分析处理软件开发工作将成为此项 技术研究的重点 ,数据与图像处理的自动化水平将会 继续提高 。国内外路用探地雷达技术应用状况及应用探索3国内外路用探地雷达技术应用状况概述当前探地雷达的研究趋势不在于多用途、多目标 类型的系统 ,而是在于高性能的专用设备。因为地层 介质特性的复杂性和不同目标体具有的不同反射特 性 ,探地雷达很难做到单机多用 ,要想发挥其高性能 ,探地雷达只能是专机专用。路用探地雷达就是这样一 种专门用于路面结构探测的探地雷达系统 。在国外 ,探地雷达技术应用在公路勘测和检测上 始于 20 世纪 80 年代后期 ,在欧美最早应用 ,已有 20 年的历史 。1994 年美国开发出世界上第一个公路型探地雷达 ( sir - 10 h 地质雷达) 。目前 , 这种技术用 于路基路面的质量检测也仅是刚刚开始 ,只是局限于 高等级公路路面厚度 、路基空洞与缺损等的检测与评 价。芬兰和美国的得克萨斯州曾做了大量的研究工 作。在芬兰 , gp r 主要用于探测路面结构层的厚度 ;在北美 , gp r 主要与 f wd 结合进行路面结构层材料 特性的反演。近几年 ,人们开始致力于研究用 gp r 探3 . 1 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 4 期探地雷达技术的发展及其在公路工程中的应用综述213 测路表下的病害和缺陷 ,如面层中沥青的剥落、混凝土板下的脱空和高速公路路面结构中排水沟的定位等。 在我国 , 对于探地雷达技术的研究始于 20 世纪70 年代初期 ,我国相关单位先后开展了对探地雷达的 研制工作 ,但是这些雷达由于种种原因没有得到广泛 应用。近几年来 ,一些高校和研究单位相继引进国外的仪器 ,在理论上作了一些研究 。虽然我国的探地雷 达研究起步较晚 ,但是由于及时引进和借鉴了国外的 先进技术 ,近些年来在该领域也取得了较为突出的成 果 ,许多单位推出了自己的探地雷达样机。这些雷达 虽然存在缺点和不足 ,但是作为我国的第一代探地雷达 ,它们仍然打破了长期以来进口产品在国内的垄断 地位 ,逐渐开始在市场上占有一席之地 ,如深圳己经出 现了以经营国产探地雷达为主的公司。路用探地雷达在我国开始应用的时间大约在 20世纪 90 年代 ,相继引进日本 、美国和加拿大等国的设 备 ,并开展了一些研究。近年来 ,一直在从事探地雷达的研制与开发 ,并成功地研制出了道路专用探地雷达。但由于国内整体起步较晚 ,很多技术还很不成熟和完 善 ,亟待系统地研究。3 . 2 路用探地雷达作为道路无损检测 ( nd t) 手段的应用探索路用探地雷达具有无损、快速、连续、高精度 、高分 辨、实时成像探测等特点 ,它在精确检测面层厚度的基 础上 ,可以成功地探测道路结构层病害 ,有利于道路的 维护与保养 ,为道路交通部门提供了一种高效先进的无损检测 ( nd t , no n - de st r uctive te st ) 手段 , 路用 探地雷达由于其独特的优越性 ,其应用可以贯穿道路 施工和后期检测维修的全过程 。(1) 公路建设前期可利用探地雷达对地质地基进 行勘察探测 ,确定地质结构 ,划分出不良地质体 ,如流沙、暗河、软弱地基。(2) 公路施工期间 ,探地雷达对强化施工管理具 有重要作用。这种作用主要体现在 : 适时调整设 计。众所周知 ,高等级沥青路面一般分 3 5 层铺筑 , 由于底基层和基层允许误差稍大 ,中 、下面层特别是下 面层出现偏差的机会较多。若在施工期间能及时准确 地测出中 、下面层尤其是下面层的厚度 ,则可适时调整 中、上面层尤其是中面层的设计厚度 ,以确保面层厚度 达到设计要求。 准确计算面层用料 。钻芯取样法 探测路面厚度存在很大的随机性 ,用其探测的路面厚 度估算材料成本也会产生很大的偏差。因此 ,为了防 止个别施工单位偷工减料和准确估算材料成本 ,可采用探地雷达检测技术提供准确的厚度资料。 提高施工单位严把质量关的自觉性 。在随机钻孔取芯检测 的情况下 ,个别施工单位存在侥幸心理 ,对面层厚度把 关不严 ,其总体厚度常常偏低。采用探地雷达检测后 , 因其连续高密度的采样特点可以使施工单位彻底打消 这种侥幸心理 ,确保路面铺筑的质量和厚度。(3) 在道路投入使用后 ,应用路用探地雷达可进 行道路的日常探测监察 ,及时发现路面结构层中存在 的隐患 ,这对道路管理部门掌握道路的内在质量和使 用寿命 ,研究路面结构层受损程度及影响因素 ,分析质 量变化的趋势和规律 ,指导道路的养护和修补等都具有十分现实的意义 。目前 ,路用探地雷达多应用在道 路的后期检测维修上 ,如 : 路面结构层厚度检测 : 用 于路面管理系统 ( pm s) 及桥梁管理系统 (b m s) ,主要 通过联合 ro w ( ri ght of way , 路况摄像仪) 、f wd ( falli ng wei ght det ecto r ,落锤式弯沉仪) 和激光平整度仪对路况数据进行采集 ,然后进行综合评价与分析 ;缺陷识别 :一方面探测沥青层内部由于摊铺时温度 失控造成的缺陷 ,以及碾压“接茬”留下的影响 ; 另一 方面探测基层和土基局部含水量过高和压实度不够 ;基层材料评价 : 结合室内试验研究基层含水量 、集料级配及化学稳定剂 ; 针对裂缝开展探测和跟踪 , 研究裂缝成因 ,制定合理的维护方案 ; 探测沥青与 集料之间的剥落以及沥青面层与基层之间的脱开 ; 对混凝土板下的脱空进行识别 ,以及时掌握路况条件 , 做到预防性维护 ; 识别桥面内部缺陷 ,对桥面进行 相关评价 。近年来 ,国内的路用探地雷达技术虽然得到很大 发展 ,一些可能的用途也相继被提出 ,但是在具体实施 及应用中还需要进一步探索和开发。参考文献 :曾昭