1、道路探測雷達的必備品質要素美國勞雷工業公司物探技術總監 袁明德摘要隨著我國道路建設飛速發展，道路面層的質量檢測和道路內部隱患探測顯得愈來愈重要。道路雷達于是應運而生。由于我國道路檢測有其獨特的要求，本文簡要論述使用道路探測雷達具有非破壞性，高速高頻采樣測量等特點以外，重點細述了作為道路探測雷達，必須具備的空氣耦合天線，高速掃描率、高分辨率和自動追蹤分層軟件功能等四個必備品質要素。關鍵詞空氣耦合天線，掃描率，分辨率，道路探測雷達。 THE ESSENTIAL INGREDIENTS OF A ROAD DETECTING RADARYuan Mingde General Tecnical Sup

2、ervisor of Laurel Industrial Company (ABSTRACT) As constructions of the road system have been rapidly developing in our country, it becomes crucial to detect the quality of pavement layers and to prospect the defects within road structure for road maintaining. So brought out the emerg

3、ing technology-ROAD DETECTING RADAR.The ROAD DETECTING RADAR has by far gotten into China for a decade. But its application on road system requires some particularities such as horn-antenna and high rate of sampling to fit the high speed movement, very high resolution power and auto-layer tracing fo

4、r accurate survey. All of these specifications and principles are described and presented in the paper. （KEYWORDS）Horn antenna, Scan rate, Resolution, Highway Penetrating Radar 改革開放以來，我國公路建設的熱情有增無減。關于修建公路對促進經濟發展的重要性，人所共知，不再贅述。然而，修一條路，少則幾十億，多則上百億，都是納稅人的錢，必須管理維護好。道路檢測和維護，嚴格管理是一個方面。工欲善其事，必先利其器。合適的檢測儀器，

5、通過測量，用數據說話，是另一重要方面，否則，管理無依據。94年以來，道路探測雷達的推廣應用，證明這是檢測公路質量和提前發現道路內部隱患的最佳工具。于是引進或生產雷達成了一道風景線，成了熱門。一件事情一旦成為熱門，常常會出現偏差，或者夸大其詞，或者魚龍混雜在所難免。為此有必要談談作為道路探測雷達，必需具備哪些品質要素，才能真正滿足當前大規模路橋檢測的要求。一、空氣耦合天線空氣耦合天線是為維持高速度測量專門設計的。傳統地質雷達的天線，無論是點測或連續拖動測量，都用貼地天線，主要是出于耦合條件的考慮，因為通常設計天線的耦合阻抗為接近大地的阻抗，只有貼近地面，才能使發射電磁波無阻穿入地下6。但是大規模

6、的公路檢測，要求車載天線隨車快速移動，必需架空，否則容易損壞（圖1）。天線架空，發射和接收的耦合條件徹底改變，在地面和天線之間隔了一層空氣，為了盡量使發射脈沖能順利穿透空氣層，不會在空氣層面上就反射回來，必需使發射極和接收極的阻抗匹配到相當于空氣的阻抗：120377歐姆。這就需要在設計上將偶極子設計成錐形，以便有一個過渡空間，使阻抗從金屬的發射頭，過渡到接近空氣的阻抗值（圖2）。我們稱這樣的天線為喇叭形天線或聚能天線，因為除了改變耦合阻抗以外，它還有一個作用是使電磁波聚焦，就像手電筒的聚束光圈調節一樣，以便集中能量，更好地使發射訊號穿透到地下。圖1 最新1GHz喇叭型天線外形Fig. 1 Th

7、e new horn antenna for road detecting 圖2 喇叭型天線內部結構示意圖Fig.2 A schematic diagram of the inner structure of a horn antenna二、高速掃描率為適合快速移動測量的要求，道路探測雷達主機的掃描率必須非常高。1994年美國公路局聯合GSSI首次試制道路探測雷達時，在SHRP-H-672研究報告中6，對世界上第一臺道路探測雷達SIR-10H主機定義的掃描速度為220次/秒。時至今日，第三代道路探測雷達SIR-20主機的掃描速度已經達到800次/秒（圖3）。 圖3 SIR-20主機外形 圖4

8、示波采樣技術 Fig.3 The main module of a SIR-20 radar Fig.4 A schematic diagram of digital sampling & digital reconstruction掃描率取決于采樣率和模數轉換器（A/D Converter）的速率。目前最高速率的A/D轉換器只能滿足20MHz，對于道路探測用1GHz或2.2GHz天線，采用一對一全脈沖發射瞬時A/D轉換顯然不可能。解決的辦法是采用示波采樣技術（圖4），即遞次采樣每個重復發射的脈沖。譬如，現在大多數生產地質雷達的公司采用一次發射采一個樣點，然后用軟件延遲一個時間間隔，譬

9、如10ps，待下一次發射采第二個樣點，依次遞推，直到采足一根掃描線所需的所有樣點，譬如1024個樣點。將這1024個樣點按時序排列起來，就得到一根掃描線。這就需要儀器系統具有很高的絕對采樣率和重復發射率，以及精確的DSP微處理器控制采樣疊加技術。三、非同尋常的分辨率道路探測雷達用在公路上可以歸結為兩大功能：1、作為施工質量控制，它包括測量各個結構層的厚度和連續性，檢查各結構層是否壓密？是否有脫空或充水現象？2、作為維護檢測，它包括分析層間空隙、裂縫、空洞、滲水、路基塌陷、橋面鋼筋銹蝕和面層磨損等等。不管哪一種應用，對道路探測雷達來說，分辨率，即區分最小異常的尺度都是至關重要的前提。拿測量面層作

10、為例子，我國的瀝青路面標準從上到下大致為磨耗層3-4cm，中面層4cm，底面層4cm。按照雷達子波分辨率的估計，最小分層（垂直分辨率）的極限為1/4波長4。能夠劃分出3cm磨耗層的最小波長不能超過12cm。我們知道，空氣中電磁波速度C=30cm/ns，瀝青或水泥等材料中的電磁波速度約為C/2.5或C/4。即12cm/ns至7.5cm/ns，所以理論上，能滿足測量最小面層分層的雷達天線主頻不能低于1000MHz，即1GHz，這時，天線信號脈沖寬度為1ns，波長10cm左右，更何況實際測量中有噪音干擾，有誤差因素，所以GSSI測量路面系統的空氣耦合天線有1GHz和2.2GHz兩種天線。2.2GHz

11、天線的信號脈沖寬度為0.43ns，波長小于5cm。下面就這兩種天線的實例比較來看其分辨率的差別（圖5、圖6和圖7）。圖5中的左圖告訴我們，1GHz天線可以清晰地分出整個瀝青層，定出其頂底面，測出瀝青層的總厚度，但對其中的磨耗層、中面層無法區分。只有2.2GHz天線才能進一步劃分其中的磨耗層，測出其厚度為4.5cm（圖5中的右圖和圖6），圖6是圖5中的右圖的特寫，其左邊為單根掃描線的波形，4.5cm處的負波表示其上的磨耗層因其特殊的耐磨瀝青介質，體現為高介電性，低波速，因此這一層底界表現為跟地面波反向的一條可追蹤連續黑線（假如地面波為正向白線）。但必須注意，這里速度是否反向，主要取決于各國鋪設公

12、路面層的材料。在我國大多數地區的公路上，這一層反映為白色的正波，表示上層為致密的高速層。圖7告訴我們出現在面層中的隱患，左圖是1GHz天線的反映，由于分辨率的關系，對于細小的空隙這一類隱患顯示不夠清晰。右圖是2.2GHz天線的反映，因為分辨率高，同樣的隱患，2.2GHz天線有能力表現得更清晰、更正確。1G horn antenna 2.2G horn antenna圖5 1GHz和2.2GHz天線劃分層次的分辨率比較Fig.5 Side-by side resolution comparison of 2.2 GHz with 1GHz horn data實取巖芯顯示4.3cm圖6 2.2 G

13、Hz 天線測量磨耗層厚度4.5cm，實取巖芯顯示4.3cm，瀝青層巖芯全長 8.9 cmFig.6 Data from 2.2GHz horn antenna, the total core thickness 8.9cm real wearing coursethickness 4.3cm, radar calculated wearing course thickness equals 4.5cm1G horn antenna 2.2G horn antenna1 GHz 天線2.2 GHz 天線圖7 1GHz和2.2GHz天線指示道路隱患能力在結構中的隱患Fig.7 Data compa

14、rison of detects within pavement structure四、自動追蹤分層軟件為適應隨車高速度高頻度測量，必須具備校正和追蹤區分層次的軟件，以便自動分析、記錄和成像。否則試想，一臺道路探測雷達如果以至少60公里/小時的速度測量，以0.5米測一個數據的密度測量4個結構層，則每小時要處理分析48萬個數據，如果不是自動處理分析，而是人工計數，勢必跟不上測量速度，更何況一天天的工作量累積。這只是問題的一方面，另一方面，也是更嚴峻的方面。汽車裝載著雷達天線在路上行駛，期間道路顛簸，行進速度變化，造成各種行進姿態的突變都可能帶來測量干擾，引起信號模糊和最終結果誤差，所以自動追蹤軟

15、件的另一任務是自動消除這些干擾，對此，各家雷達公司都傾其所能，想了許多高招，以期達到排除干擾，提高雷達訊噪比的目的。美國戰略公路局聯合GSSI公司于1994年底研制成功道路探測雷達，命名為SIR-10H（見6SHRP-H-672），其時的自動檢層軟件只是基于用一般的數字訊號處理來提高訊噪比，進而通過模式識別，利用同層反射訊號在振幅波形上的相似關系，實現層對比。在后來的實際應用中證明，這種軟件容易出錯漏層，根本的原因出在車架行進中，姿態變化造成的初至變化及其續至干擾千姿百態，無法去除。而這類干擾的因果關系很難用數學方程式表示出來，因為引起干擾的因素多且隨機性強。于是只有放棄數學模式處理方式，而改

16、用一種實時采樣相關對比消除不規則干擾的方法，重新設計姿態校正軟件。其具體的做法，第一步，對于每個測量工地，雷達上路測量之前，先在一塊鐵板上搖動裝載天線的車架，同時打開雷達啟動操作軟件，將車架晃動姿態造成各種地面干擾記錄下來，因為這時發射的雷達訊號打在金屬板上會全部反射到接收天線，其中包含了全部從周邊環境姿態變化、車架跳動，到天線顫動所造成的各種畸變干擾成份，將這一切干擾成份都記錄存檔。我們稱這一步驟為測量前對測量系統的標定。第二步，撤去鐵板，進行實測。軟件使雷達每作一次掃描，就到檔案中搜索對比，在檔案中找出初至地面反射和初至前面波形跟實測曲線最相似的的那根掃描線，然后歸一化后跟實測曲線相減。用

17、這樣的方法來保證消除一切由地面以上部分引起的干擾，即姿態校正，使得到的雷達數據基本上只反映地下信息而不摻雜地面干擾，即得到比較干凈的雷達記錄。第三步，對每一結構層，運用模型識別，包括振幅、相位和頻率等的相干性，以及預測原理，連續追蹤每一層同相軸。第四步，人機聯作，主要針對畸變點和亂跳地段，通過人工干預來識別。圖7以GSSI公司SIR-20地質雷達，RANDAN5.0軟件為例，得到的一張公路分層剖面，以及各點樁號的分層電子表格。圖8 一段公路的結構層雷達分層和各層參數電子表格Fig.8 Automatically dividing construction layers with a Micro

18、soft-Excel by a SIR-20 radar system依1999年上海外環線道路建設指揮部為對比雷達測量精度所做的117個鉆孔資料對比表7，對當時在使用雷達測量中引起的誤差有一個準確的估計和認識。總的來看，瀝青砼上面層絕對誤差平均值為1.44mm，相對誤差為3.47%，瀝青層總厚度的絕對誤差平均值為4mm，相對誤差為2.84%。應該說這117個鉆芯同雷達測量數據的對照具有典型的代表性。一般來說，使用道路探測雷達檢測結構層厚度誤差主要由下面三個原因造成：1、 儀器采集誤差和資料電算處理中波組提取誤差；2、 由于電磁波速度在各檢測層中的變異以及估計不準確引起的系統誤差；3、 雷達檢

19、測資料和鉆孔資料對比中，由于鉆孔位置和雷達測點的位置不完全重合造成的誤差。今天的道路探測雷達在各個方面已經有所改進，譬如增加了GPS測距系統，掃描速度和采樣率也提高了許多，經過多年的推廣和使用，我們的應用經驗也在不斷的增長，可以期望，今天使用雷達，則無論測量精度還是對資料的判斷分析水平都將比當時有所提高。結語盡管道路探測雷達的研究和使用在我國已有十年歷史，但畢竟還是一種新方法，讓廣大的現場工程技術人員熟悉它，讓多級監測機構承認和認可它尚需時日。但不可否認，這是一種很有前景的無損、省時且有效的檢測方法，隨著技術發展和不斷的應用試驗，有理由相信，道路探測雷達必將改觀傳統檢測方法中的各種不便，提高道

20、路監理和維護的水準，對號稱國民經濟命脈的道路建設和發展將會起到未可估量的作用。參考文獻：1） Application of impulse radar to civil engineering, By C.Peter.F Ulriksen; Doctoral thesis of Department of Engineering Geology, Lund University of Technology, Sweden, 1982.2） Multicomponent Georadar data: Some important implications for data acquisition

21、 and processing; Frank Lehmann etc.; Geophysics Vol. 65. NO.; P.1542-1552；3） 彈性波檢測和透視雷達21世紀最新進展；袁明德，巖土工程界第5卷第2期；第11頁第14頁；4） 淺析探地雷達的分辨率；袁明德；物探與化探第27卷第1期，2003年2月；第28頁第32頁；5） 地質雷達在國內的應用和發展；袁明德，基礎建設應用新技術（周立功編著）第59頁，石油出版社，2000年6月；6） Development of Ground Penetrating Radar Equipment for Detecting Pavement

22、 Condition for Preventive Maintained (SHRP-H-672); Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC 19937） 1999年上海外環線道路建設指揮部為對比雷達測量精度所做的117個鉆孔資料對比表表1 探地雷達路面厚度檢測精度統計表Table 1 Pavement Thickness of a Ring Road Measured by Radar in Shanghai樁號X(m)車道號lane瀝青砼上面層Top Asphalt Laye

23、r瀝青砼總厚度Total Thickness of the Asphalt Layer鉆孔資料Bore Hole雷達資料Radar Data絕對誤差Error相對誤差(%)R%鉆孔資料Bore Hole雷達資料Radar Data絕對誤差Error相對誤差(%)R%K1+50044.00 3.80 -0.20 5.0013.50 13.66 0.16 1.19K1+74034.00 3.71 -0.29 7.2514.00 14.48 0.48 3.43K1+86024.20 4.05 -0.15 3.5712.80 13.22 0.42 3.28K1+98014.00 3.99 -0.01

24、0.2513.00 13.48 0.48 3.69K2+10034.00 3.70 -0.30 7.5013.00 13.48 0.48 3.69K2+22034.20 4.17 -0.03 0.7113.50 13.90 0.40 2.96K2+34014.00 4.26 0.26 6.5015.00 14.54 -0.46 3.07K4+94014.50 4.23 -0.27 6.0013.50 14.14 0.64 4.74K5+18024.00 4.02 0.02 0.5013.00 13.65 0.65 5.00K5+30024.00 3.88 -0.12 3.0013.00 12.

25、52 -0.48 3.69K5+54024.00 4.21 0.21 5.2513.00 13.03 0.03 0.23K5+66034.00 3.79 -0.21 5.259.00 8.97 -0.03 0.33K5+90014.00 4.16 0.16 4.0015.00 14.69 -0.31 2.07K6+14044.00 4.14 0.14 3.5014.30 14.48 0.18 1.26K6+30024.10 3.85 -0.25 6.108.10 7.74 -0.36 4.44K6+78014.10 4.34 0.24 5.858.20 8.32 0.12 1.46K6+905

26、34.20 4.03 -0.17 4.0514.30 14.51 0.21 1.47K7+07534.20 4.12 -0.08 1.9014.00 14.29 0.29 2.07K7+20014.50 4.22 -0.28 6.2214.10 14.52 0.42 2.98K7+45034.10 3.92 -0.18 4.3914.10 14.38 0.28 1.99K7+57524.20 4.29 0.09 2.1415.40 15.29 -0.11 0.71K7+70034.00 4.06 0.06 1.5014.80 15.08 0.28 1.89K7+82524.30 4.29 -0

27、.01 0.2314.80 14.50 -0.30 2.03K8+60034.50 4.67 0.17 3.7814.10 14.89 0.79 5.60K8+72534.10 4.25 0.15 3.6614.20 14.06 -0.14 0.99K8+85014.30 4.34 0.04 0.9314.20 14.77 0.57 4.01K8+97544.00 3.90 -0.10 2.5014.50 14.86 0.36 2.48K9+22534.10 3.99 -0.11 2.6815.10 14.53 -0.57 3.77K9+35024.00 4.15 0.15 3.7514.60

28、 14.68 0.08 0.55K9+69044.10 4.22 0.12 2.9314.00 14.84 0.84 6.00K10+06514.30 4.38 0.08 1.8614.80 14.51 -0.29 1.96K10+19044.10 4.29 0.19 4.6314.10 14.07 -0.03 0.21K10+31544.10 4.14 0.04 0.9814.40 14.40 0.00 0.00K10+44034.00 4.16 0.16 4.0014.10 14.54 0.44 3.12MK0+05044.30 4.34 0.04 0.9314.10 13.94 -0.1

29、6 1.13MK0+30044.60 4.67 0.07 1.5214.10 13.32 -0.78 5.53MK0+42534.10 4.11 0.01 0.2414.30 14.43 0.13 0.91MK0+92514.50 4.38 -0.12 2.6714.20 14.09 -0.11 0.77MK1+05044.30 4.18 -0.12 2.7914.20 13.94 -0.26 1.83MK1+27524.10 4.00 -0.10 2.4414.40 14.53 0.13 0.90MK1+40024.30 4.10 -0.20 4.6515.30 15.48 0.18 1.1

30、8表1 探地雷達路面厚度檢測精度統計表 續上表樁號車道號瀝青砼上面層瀝青砼總厚度鉆孔資料雷達資料絕對誤差相對誤差(%)鉆孔資料雷達資料絕對誤差相對誤差(%)MK1+52534.00 3.81 -0.19 4.7514.50 15.27 0.77 5.31MK2+40014.00 4.12 0.12 3.0014.50 13.76 -0.74 5.10MK2+77524.10 4.24 0.14 3.4114.30 14.65 0.35 2.45MK2+90044.20 4.05 -0.15 3.5714.30 13.62 -0.68 4.76MK3+14023.90 3.94 0.04 1.0

31、314.30 13.75 -0.55 3.85MK3+26024.30 4.30 0.00 0.0014.50 14.97 0.47 3.24MK3+50044.10 4.42 0.32 7.8015.50 16.01 0.51 3.29MK4+10013.70 3.68 -0.02 0.5414.30 14.28 -0.02 0.14MK4+22024.00 3.88 -0.12 3.0016.30 16.38 0.08 0.49MK5+30034.00 4.31 0.31 7.7517.20 17.00 -0.20 1.16MK5+78023.80 3.98 0.18 4.7418.80

32、18.36 -0.44 2.34MK6+14014.30 4.16 -0.14 3.2614.60 13.93 -0.67 4.59SK0+00034.20 4.49 0.29 6.9013.90 14.54 0.64 4.60SK0+12044.00 4.20 0.20 5.0013.20 12.64 -0.56 4.24SK0+48024.10 4.42 0.32 7.8014.10 14.57 0.47 3.33SK1+56034.20 4.14 -0.06 1.4314.40 14.23 -0.17 1.18SK2+16024.50 4.60 0.10 2.2218.10 17.30

33、-0.80 4.42K1+40054.10 4.03 -0.07 1.7113.90 13.50 -0.40 2.88K1+58074.00 4.20 0.20 5.0013.30 13.21 -0.09 0.68K1+70074.00 3.80 -0.20 5.0013.20 13.64 0.44 3.33K1+97064.10 4.05 -0.05 1.2212.50 12.48 -0.02 0.16K2+25073.50 3.48 -0.02 0.5713.00 12.39 -0.61 4.69K3+80084.00 3.83 -0.17 4.2513.20 13.29 0.09 0.6

34、8K4+04074.60 4.46 -0.14 3.0414.50 13.60 -0.90 6.21K4+84083.80 4.04 0.24 6.3212.90 13.13 0.23 1.78K5+06064.00 3.76 -0.24 6.0014.10 14.03 -0.07 0.50K5+18074.10 4.13 0.03 0.7311.20 11.54 0.34 3.04K5+40074.20 4.24 0.04 0.9513.20 13.80 0.60 4.55K5+76083.80 3.73 -0.07 1.8419.00 19.13 0.13 0.68K5+88053.30

35、3.53 0.23 6.9714.20 14.13 -0.07 0.49K7+07574.50 4.42 -0.08 1.7814.00 13.92 -0.08 0.57K7+32554.60 4.50 -0.10 2.1715.30 14.42 -0.88 5.75K7+57574.10 4.33 0.23 5.6114.10 13.79 -0.31 2.20K7+82564.30 4.49 0.19 4.4214.20 13.56 -0.64 4.51K7+90064.30 4.17 -0.13 3.0214.20 13.88 -0.32 2.25K8+60074.30 4.36 0.06

36、 1.4014.00 14.24 0.24 1.71K8+72584.20 4.15 -0.05 1.1914.10 14.44 0.34 2.41K8+85074.10 4.27 0.17 4.1514.10 14.84 0.74 5.25K8+97564.20 4.55 0.35 8.3314.00 14.80 0.80 5.71K9+35084.00 3.93 -0.07 1.7514.10 14.59 0.49 3.48K9+81554.20 4.14 -0.06 1.4314.10 13.63 -0.47 3.33K9+94074.10 4.18 0.08 1.9514.20 14.

37、42 0.22 1.55表1 探地雷達路面厚度檢測精度統計表 續上表樁號車道號瀝青砼上面層瀝青砼總厚度鉆孔資料雷達資料絕對誤差相對誤差(%)鉆孔資料雷達資料絕對誤差相對誤差(%)K10+06574.00 4.16 0.16 4.0014.30 14.91 0.61 4.27K10+19074.30 4.20 -0.10 2.3314.90 14.50 -0.40 2.68K10+31554.20 4.23 0.03 0.7114.00 14.56 0.56 4.00K10+44054.10 4.39 0.29 7.0714.10 14.11 0.01 0.07K10+56554.30 4.27 -0.03 0.7014.50 13.86 -0.64 4.41K10+69084.00 4.16 0.16 4.0014.10 13.66 -0.44 3.12MK0+05054.10 4.10 0.00 0.0014.00 14.27 0.27 1.93MK0+17564.00 4.13 0.13 3.2514.20 14.27 0.07 0.49MK0+55074.20 4.11 -0.09 2.1414.70 15.33 0.63 4.29MK0+88084.10 4.28 0.18 4.3914.30 14