三维探地雷达的典型病害识别检测与应用

马一飞

（邢台市公路工程质量监督站，河北 邢台 054000）

目前，我国高速公路在响应绿色基建的理念背景下，由原先注重投资额度、以牺牲环境为代价的粗放模式，逐步转为高质量、绿色发展的新型可持续模式。三维探地雷达路面病害无损检测属于高质量养护的一种创新形式，本文通过分析三维雷达的检测原理、统计检测结果，总结了这种检测方法的优缺点，为今后高速公路养护、改扩建检测提供了一种新思路。

本文在某高速公路区间的检测路段应用三维雷达，检测路段总长度约为3km，大部分采用双向六车道设计，两侧分布有应急车道。经初步分析和实地勘察，认为该路段下方有极大概率存在空洞、不密实、脱层等质量病害，具体位置可能位于结构层或路基下面层。为精确病害位置，试验拟采取全球定位系统初步确定，再使用便携式探地雷达和手持RTK定位装置复测，最后根据病害严重程度给出相应的处治建议。

一、工作原理及设备

三维探地雷达是近年来新兴的一项技术，其工作原理是通过高频电磁波的传播与反射信息，经过技术手段转换与处理，最终实现结构内部雷达图像的呈现。其中，高频电磁波由天线发出，于路面构造介质中传播，并在介电常数各异的物质接触面处发生反射，再由天线接收获取后，经过去噪、滤波及模型构建等技术处理，从而获得路面结构内部的雷达显示图像。该系统能实现地毯式高速公路检测，借由雷达数据形成的图像切片，分析地下异常部位，包括位置、形状及病害类型等，并提出施工建议。此次检测任务应用的设备为GPRMIMO4003D10RS型阵列探地雷达系统。

二、数据采集及处理

由于检测路段车流量较大，白天出行车辆较多，不具备探测条件，因此选择夜间23时之后对该路段的所有车道开展三维探地雷达扫描探测，数据采集过程中，采用差分GPS定位及距离触发相结合的方式工作。

（一）数据处理

三维探地雷达采集的数据为原始雷达数据，在分析雷达数据前，需要提前消除数据中的干扰信号，提高信噪比，增强数据的可读性，提高病害识别的准确性。采用主要的雷达数据处理方法有去除零偏、增益调节、FIR滤波、背景消除等。得到可读性强的三维雷达数据后，逐一分析每一车道每条测线的数据，标注并导出每个病害的GPS坐标位置。

（二）现场定位

根据三维探地雷达的检测结果，确定异常区域并导出病害GPS坐标后，再通过手持RTK定位装置确定病害的位置，使用便携式通用探地雷达定位点复测，进一步精确病害位置。

（三）典型病害识别

高速公路病害的种类较多，常见的早期病害包括裂缝、车辙、表面破损、地下裂隙、脱空、空洞等，后期如果伴随地下管线漏水、雨水沿裂缝的渗透冲刷侵蚀，道路下土壤会流入年久失修坍塌的防空洞等地下工程或暗河中，导致路面塌陷。由于很多病害无法通过肉眼观测到，因此需要借助无损检测手段，定期开展养护检测，建立包括地表、地下、分布范围、不同时期的道路状况四维数据库，针对不同的病害种类及等级，采取相对应的处治方法。

1.正常路面基层的标准雷达异常图像

正常施工后的路面为层状，不同层面上的填筑材料的介电性存在某些差别，所以相应的基层标准雷达图像的色谱图应当显示为水平层次方向的延展，且同一层内的信号强度类似，表现为没有显著的突变。

2.富水体

结构层中的富水体介电常数较大，且富水程度越高，与普通土体的介电常数差值越大，表现为雷达图谱上的顶部反射信号增大，而下面则衰减迅速，如图1所示，同向轴较连续，频率通过水的滤波作用降低。

图1 道路下富水体雷达剖面

3.公路局部不密实

在路面基层内有破碎、疏松等病害现象时，此区域的介电常数将有突变，导致反射信号显著，探测器中接收的雷达剖面图像出现异常情况。一般非密实土体与密实土体的交界处会存在较大幅度的反射差值，具体不密实范围的边界确定方式为：正常的连续反射波遇到非密实土体时，其同向轴将出现断开或发生凹凸升降，波长变大，波幅晃动，并存在显著的波组特征，如图2所示。

图2 道路结构层不密实雷达剖面

4.局部脱空或空洞

对于一般的土体而言，其相对介电常数的数值处于6～40范围内，而在空洞与脱空位置，相对介电常数为1。因此，不同土层之间的介电性差异非常显著，此时雷达波的反射界面将尤其显著，同时波的传递速度变小。在雷达图谱上，此种病害的表现形式为反射的信号能量增大，频率、振幅及相位等均发生突变，同时空洞区域下方存在多次反射波，且有绕射现象发生于边界处，如图3所示。

图3 道路空洞探地雷达剖面

5.钢筋、管线及规则形状异常干扰

由于公路具有复杂的特性，因此探测环境中异常目标较多，如图4所示。这些异常目标通常形状规则，能够通过阵列探地雷达的成像剔除，避免发生误判。

图4 管线探地雷达剖面

三、数据解释及病害统计

案例中某高速公路区间的检测路段平路测量长度约为3km，检测区域包括双向六车道，以及两侧分布的应急车道。初次筛选得到23处可疑病害点位置，经过进一步复测除去14处，保留9处病害位置，病害位置信息如表1所示。

表1 某高速公路病害信息及处理建议

四、结语

本文以某高速公路为试验路段，充分证明三维雷达能够准确检测高速公路路面结构中的裂缝、空洞、破碎等病害。但这种检测方法也存在一些弊端，包括无法准确判断半刚性基层的细小裂缝、三维雷达检测通车路段时速率较慢。因此，建议相关人员在运用时提高数据采集、处理效率，为后续处治高速公路路面结构病害打下基础。