摘  要：介绍了探地雷达的工作原理，在公路建设中的应用情况，分析了雷达检测路面厚度的技术因素和经济效益。
1 概述
探地雷达是一种电磁测深仪器，它可以分辩有一定电性差异的浅层地下目标物界面。自1937年第一台实用探地雷达问世，经过60多年不断研究发展，至今已经达到了无破损、测量速度快、采集数据量大、连续、数据分辩率高的能力，因此，探地雷达在国外应用范围很广。在公路建设方面主要应用在路面厚度、路面裂缝、路面基层和路基缺损程度、轻弱地基、桥头搭板隐患、地下空洞、基岩界面位置、桥梁钢筋等；在农业方面主要应用于土地使用、管理和土壤性质分类等；在工业方面主要应用在污染、环境保护等；在城市地下管线、给排水分布，历史文物查找等方面均有应用。
2 SIR—10B型探地雷达及工作原理
2.1SIR—10B型雷达
SIR—10型探地雷达是90年代初美国公路部门，为适应公路检测，投资巨款，由美国地球物理测量系统公司（GSSI）专门开发的。为适应不同用户需要，生产了10A和10B两种型号，在测量精度上，两种雷达无差别，只是10A型允许同时开通四个采集通道，10B型 只允许同时开通两个采集通道。根据我国实际，多通道同时开通，无谓增加天线投资是不现实的，为此，我公司选择了SIR—10B型。
SIR—10型雷达可以像其它雷达一样，实现其应有的功能，配备CSSI公司专门开发的高频2.5GHz和1.0GHz空气耦合聚焦天线，该型天线使天线从紧贴地面的传统方式解脱出来，实现了车载，可以进行高速检测。正是这一技术，提高了检测精度，实现了雷达对路面厚度的快速检测。
SIR—10B型雷达系统由雷达主机、SIR—10B型专用显示器、采集天线、距离测量轮、15V大容量电瓶及各部件联接电缆和数据采集分析软件组成，其结构框图如图1

SIR—10B型雷达主机主板采用了奔腾ⅡCPU处理器和大容量硬盘，元器件全部采用军工产品，保证了雷达的工作速度和工作稳定性。
雷达天线由发射天线、接收天线和信号发生器三部分组成，一般低频天线将三部分制造成一体，路面检测专用高频天线将这三部分制造成三个部件。
2.2探地雷达的工作原理
探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHZ—1GHZ）电磁技术。探地雷达依据超高频短脉冲（106—109HZ）电磁波在地下介质中传播规律，根据波的合成原理，任何电磁波都可以分解成不同频率的正弦电磁波。因此，正弦电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础。
探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收（如图2）。
根据电磁波理论，当电磁波穿过层状介质时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射（见图3）。
                                        入射波      反射波
   发射天线    接收天线
 

                        反射介面                    折射波
图2 探地雷达检测原理示意图            图3 电磁波在介质分介面上的反射和折射
探地雷达是一种非接触式的物理探测方法，对所采集的数据需做一定的数据处理和解释，才能解决多种特定的实际问题。
探地雷达利用电磁波脉冲—反射原理测量路面厚度和反映路表下面的多种稳患，车载天线向路面发射定向雷达波，遇到第一界面，雷达波一部分反射，由接收天线接收，另一部分雷达波折射，当遇到有电性差异的界时，又有一部分雷达波被反射，由接收天线接收，另一部分雷达波折射，如此不断传播，直至波能耗尽为止。
穿过空气到达第一界面，发射回来由接收天线接收的雷达波称为直达波，从发射到接收直达波有一时间差，从发射到接收各界面发射雷达波又有一时间差，两时差之差，即为第一界面到第二界面的雷达波行程时间，如雷达波波速已知，则可求得两界面距离，从而实现路面厚度、地下空洞、岩层界面等测定。
天线频率越高穿透能力越低，但检测精度也越高。反之，频率低穿透能力强，检测精度相对较低。雷达检测深度一般不超过70m。
3 SIR—10B型雷达使用情况
为适应公路检测工作的需要，公司成立了试验检测中心，负责公路各项检测任务。1997年底，利用透地雷达对石家庄至安阳高速公路全长216Km双向四车道的路面厚度进行了检测。本次检测采用SIR—10B型雷达，2.5GHz空气耦合聚焦天线，车载高速测量。本次检测采样位置选在各行车道中心，采样点间距定为25cm，即每车道每公里检测4000个点，全线共检测346万个点。
为了保证检测分析精度，检测前要对雷达分析结果进行校核，本次钻取了4个芯样，
校核结果见表1。
                        芯样校核结果表                     表1
层位 样点号
(cm) 取样厚度
(cm) 雷达测量厚度(cm) 测量误差
(cm) 均方差
(cm)
表
面
层 1 3.995 3.846 －0.149 0.243
 2 3.958 4.080 ＋0.122 
 3 4.910 4.530 －0.380 
 4 4.008 4.240 ＋0.232 
总
厚
度 1 16.950 17.000 ＋0.050 0.149
 2 14.488 14.530 ＋0.042 
 3 14.230 14.280 ＋0.050 
 4 20.003 20.290 ＋0.287 
从表1的对比结果看，其精度满足现行规范要求。
石家庄至安阳高速公路路面厚度检测结果与实际情况基本吻合，本次检测为公路管理部门提供了可靠的养护依据。
1998年6月份，宣化至大同高速公路沿线多为湿陷性黄土，又处于山岭重丘，在半填半挖路段施工时发现路基下有土洞，但土洞的直径、埋深和走向无法确定。拟邀请地质部门利用钻机进行探测，经现场勘察，因无法将钻机搬运到山上而拒绝。后经，宣大高速公路建管处邀请我公司利用探地雷达进行探测。我们采用200MHz天线进行检测，查明了土洞的出入口及土洞大小、埋深、走向的具体位置，经施工验证，检测结果准确。
SIR—10B型雷达在公路建设中的开发价值较高，比如可以对结构物台背回填质量、软基处理效果等作出定性评价。
在实际检测中，我们发现，由于数据量大，采用人工处理数据，时间长、易出差错、报告编写周期长。为解决这一问题，我们编制了数据自动处理程序，大大减少了工作人员劳动强度，缩短了数据分析处理周期，提高了工作效率。
4 雷达检测路面厚度的技术因素和经济效益分析
交通部JTJ059—95《公路路基路面现场测试规程》的条文说明中指出，尽量采用非破损方法检测路面厚度。雷达检测技术是无破损检测技术之一，SIR—10B型雷达检测速度快、采集数据量大、连续、测试分辨率高，这些特点决定了其时代性和先进性。与传统的钻芯取样相比，钻芯有难以克服的弊端。
4.1钻芯法主要弊端
4.1.1采用钻孔取样法，在钻孔回填处，因应力集中而导致路面开裂，以致最终破坏，使路面的早期强度快速下降，缩短道路使用年限。据有关统计资料表明，每年每公里投入的回填修补费用一项，就达3000元以上。
4.1.2钻孔取样法测量密度低、变异系数高，而路面厚度变异系数越大，产生损坏的可能性就越大，直接影响到整个路面的可靠度，即影响完成道路的预定功能的概率，影响道路的正常使用年限。
4.1.3取芯数量少，其代表性差，根据交通部标准JTJ071—94《公路工程质量检验评定标准》规定，取芯法的检查频率，沥青路面为每200米每车道一点，水泥混凝土路面为每200米每车道2处，也就是说，仅凭五个或是个别点的厚度值为依据，对一公里的路面厚度进行评价，显然缺乏代表性。而且有时试件全部断裂或破碎，根本无法量测，这反应出钻孔取样法无法应用在处于中后期的公路厚度数据采集。
4.1.4利用路面取芯机进行取芯检查，一台钻机一个台班最多钻30个孔，即一台钻机一个工作日只能检测3公里的水泥混凝土路面或6公里的沥青路面，且操作人员的劳动强度大、工效低。
4.1.5检测数据误差大，钻孔取芯法检测的数据误差在5mm以上，因为误差大，测量方法又不够便捷，各地在施工中常常减少现场检测数量。
4.1.6钻孔取样法取出的试件，有时各层联结在一起，无明显分隔界线，给量测读数带来困难。
4.1.7钻孔取样法取样少，缺乏代表性，难以及时掌握和控制铺筑厚度，因此采用保守的“宁厚勿薄”的原则，致使路面厚的厚，薄的薄，厚的超过设计10—20%，有的甚至高达50%，薄的低于极值，结果是要么质量不合格，要么造成每公里数万甚至十几万元的浪费。
4.2探地雷达检测的优越性
可见，传统的路面测厚方法已完全不适合在高等级公路，尤其是高速公路上使用。提高工程质量控制水平，保证路面使用寿命，同时减少浪费，是我们面临的主要任务。雷达是较为先进合理，快速经济的检测手段。雷达在公路检测的优越性是不言而喻的，主要有：
4.2.1雷达技术是一种无破损的检测技术，可以安全的用于路面检测，且数据可靠。
4.2.2数据采样密度高，采样点距可随意选定，最小测距可达5cm一个采样点，是钻孔取样法的4000倍，可对路面厚度指标做出全面实际的评价，为公路管理和养护提供科学手段和可靠依据，对延长道路使用寿命起重要作用，还可以对个别疑难路段做出精密评定，可显著提高厚度控制水平，如能在施工过程中利用此仪器，对路面厚度施工监控，挖掘材料节约潜力。
4.2.3检测精度高，测量精度可达2mm之内。仪器可自动区别不同材料的界面，因此，可测量出路面不同面层的厚度和总厚，并可提供表面层和路面总厚的代表值和极值及其相关数据。
4.2.4快速检测，检测速度可达每小时10～40Km。
4.2.5经济上，可大大节省费用：
a雷达检测，按每测线公里2000元计算，四车道每公里8000元，一次投资。
b钻孔取样法，每年每公里投入将在3000元以上，包括钻孔取样及回填的费用1500元，未计入因钻孔取样导致的路面结构功能下降的费用，按15年计算为每公里45000元；
额外加铺罩面的费用，据分析1个芯样将导致其周围至少8m2的路面，每三年加铺2厘米厚的罩面，即增加投入3200元，平均每年1060元。
影响路面使用寿命，后者是前者的5.6倍，可见使用雷达检测路面厚度是相当经济的。如施工中进行监测，其经济价值更加可观。
5检测实例
我们曾对石安、京秦、保津、宣大、八达岭等多条高速公路路面厚度进行检测，从大量的检测数据可以充分说明探地雷达在公路路面厚度检测中具有无与伦比的优越性。
5.1野外数据的采集
我们在检测路面厚度时均在行车道进行数据采集，采样位置为沿每车道中线位置每25cm采集一个路面厚度数据，即4000点/km。采集车速为30—40km/h，量程为12ns，每条扫描采样点数取1024点，雷达波速近似18cm/ns，分辨率为不大于2mm。
图4为探地雷达采集的数据通过自动分析软件对路面结构层的解释，绘制出的公路路面各结构层的剖面图。

原始数据                  结构层追踪                     最终结果
图4 探地雷达追综解释图像
5.2检测误差校核
为提高采样数据的精度，减少设测误差，在检测前对雷达进行采样前校核。校核点以三点以上为佳。在条件不具备时，最少也要取一个校核点。
校核点必须采用检测路面相同的路面结构，采取在路面边缘或紧急停车带上取芯样与雷达相邻或相同位置的检测数据进行对比。为减少对路面的破坏，有时也采用委托方提供的样点路面厚度与雷达进行解释性对比。
雷达波界面反射波时差与行程应满足：
h≡
式中:ν—波速；
t—双程旅行时间；
h—某一界面的埋深。
用计算机固有计算程序计算出反射与接收时差，认定一波速，计算出该点的埋深（厚度），或根据t、h，反算v。
用计算的雷达波速，分析钻芯点的路面厚度，即用已知路面厚度计算雷达波速。经过校核，最终确定一个适中的波速，再用这一波速对路面进行大面积的检测，并对相应测点进行数据分析。
5.3检测数据统计分析方法
在野外采集数据时，按测线公里和施工合同段进行统计分析，统计方法采用交通部JTJ059—95《公路路基路面现场测试规程》和JTJ071—98《公路工程质量评定标准》规定
的分析方法进行分析。路面厚度允许偏差采用：表面层：代表值－4mm，极值：－8mm；总厚度代表值：－8mm，极值－15mm。
路面厚度数据采集后，需求得路面表面层和路面总厚度的平均值X、标准差S、变异系数Cv、绝对误差mx、精确度Px，采用下列公式计算：
      ＝
S＝
Cv＝
mx＝
Px＝ ×100
式中：xi—测点的实际测定值；
n—一个评定路段内的测点数；
 --一个评定路段内的测定值的平均值；
Cv--一个评定路段内的测定值的变异系数；
mx--一个评定路段内的测定值的绝对误差；
Px--一个评定路段内的测定值的检测精确度。
厚度代表值公式采用：
Xl＝ 
式中：Xl—路面厚度代表值（算术平均值下置信界限）；
 --路面厚度平均值；
S—标准差；
n—测点数；
ta—t分布表中随测点数和保证率（或置信度a）而变的系数，高速公路保证率采用95%。
5.4检测结果与结论
在归纳整理路面厚度检测数据时，因桥梁结标物处路面厚度不等，雷达检测时桥面铺装层及其他一些干扰源对路面厚度的影响，为正确反映路面厚度数据，在桥梁结标物处采集的数据要删除。现将部分路面检测数据列于表2。
从表2可以看出，被检测的路面表面层和总厚度的平均值和代表值均满足设计要求，说明路面厚度合格率均达95%以上，工程质量已达优良标准。检测数据的差别在变异系数的大小不同和小于极值的数量多少之差。从检测数据可知，路面的表面层施工质量控测的比较好，路面总厚度超极值点较多，分析认为，可能与路面基层、底基层平整度控制不严有关。
为了验证检测结果的正确性，我们曾对检测出的路面厚度极值点（也是路面薄弱点）现场取芯，将芯样厚度与仪器检测厚度进行对比。对比结果说明，探地雷达检测的路面厚度定量准确，精度符合规范要求。
从检测结果还可分析路面层间粘接状态，如果路面施工时不注意交通管制，造成已完路面层污染，在上层路面施工前又不进行很好清扫，建成的路面层间必然粘接不好，必然造成路面早期破损。