摘 要： 隨國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家基礎(chǔ)建設(shè)投資規(guī)模不斷增大，公路工程質(zhì)量控制得到空前重視。基于探地雷達(dá)高精度、連續(xù)的無損檢測方式，其在公路面基層厚度和路面下存在缺陷檢測中的應(yīng)用日益得到重視。本文首先對國產(chǎn)LTD探地雷達(dá)的基本原理給予簡單介紹，接著重點對其在公路建設(shè)前期的地質(zhì)勘察、施工質(zhì)量檢測和后期維護(hù)中的應(yīng)用實例加以分析，最后就探地雷達(dá)技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用前景作一展望。 關(guān)鍵詞： 探地雷達(dá) 無損檢測 地質(zhì)勘察 面基層厚度計算 缺陷探測 前景展望 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。交通作為國民經(jīng)濟(jì)的命脈，其發(fā)展?fàn)顩r直接影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，在整個交通運(yùn)輸體系中，公路又是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。近幾年來，國家每年投資成百上千億資金來修建公路，全國的高速公路迅猛發(fā)展，形勢十分喜人。但同時也產(chǎn)生了一些新的問題，如現(xiàn)有落后的公路檢測手段和高速發(fā)展的公路建設(shè)之間的矛盾，怎樣保證又快又好地檢測施工質(zhì)量，如何提高公路養(yǎng)護(hù)管理的水平等，都是一些亟待解決和探討的問題。 1 常規(guī)檢測和維護(hù)方法的局限性 我們知道，在公路施工中，為確保工程質(zhì)量，從夯實地基、碾壓每層路基，到灌注水泥砼層路面或瀝青路面，每道工序都需要嚴(yán)格檢測。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)規(guī)程隨機(jī)選點，鉆孔取樣、進(jìn)行室內(nèi)分析處理，從中獲取厚度、深度、壓實度和強(qiáng)度等工程參數(shù)。然而，這種常規(guī)方法存在一定的局限性：首先被測點是隨機(jī)選擇的，因而檢測結(jié)果往往缺乏代表性。同時，由于檢測點的密度稀，有些局部壓實度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)、厚度偏小、水泥混凝土或瀝青內(nèi)部存在的缺陷等不良區(qū)段極易漏檢，給后續(xù)工程工作留下隱患。另外，在道路投入使用后的日常維護(hù)管理中，通常對路表面出現(xiàn)的破損、凹陷、裂縫、平整等問題可以及時發(fā)現(xiàn)，但對道路內(nèi)部存在的隱性災(zāi)害，如路面下的空洞、積水、脫空、基礎(chǔ)疏松等卻無有效的檢測手段，難以做到防患于未然，隨著冬冰夏融，熱脹冷縮以及日積月累的沖壓，往往容易導(dǎo)致重大交通事故的發(fā)生，使人民生命財產(chǎn)造成巨大的損失。因此，如果能夠研究開發(fā)出一種無損、快速、直觀、能顯示道路內(nèi)部狀態(tài)的檢測設(shè)備和技術(shù)手段，必將使道路建設(shè)質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)管理提高到前所未有的水平。 2 LTD-2000車載公路檢測儀簡介 LTD-2000車載公路檢測儀是中國電波傳播研究所針對當(dāng)前國內(nèi)道路建設(shè)中質(zhì)量檢測和養(yǎng)護(hù)管理的現(xiàn)狀，應(yīng)用先進(jìn)的沖擊雷達(dá)技術(shù),歷經(jīng)十余年，先后投資上千萬元研制生產(chǎn)出的一種道路專用探地雷達(dá)。利用這種探測設(shè)備可以象現(xiàn)代化醫(yī)院中用的“B超”、“CT”一樣，給公路做一次透視診斷，方便地檢測公路的綜合質(zhì)量狀況（包括施工質(zhì)量、使用受損和自然變遷等情況），及時發(fā)現(xiàn)病灶，確保公路的建設(shè)質(zhì)量，提高公路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)水平。 2.1 技術(shù)來源 眾所周知，采用雷達(dá)對空間目標(biāo)的探測已發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用在各種軍事及民用領(lǐng)域中。然而隨著人類對自然界認(rèn)識的逐步深化，人們對地下世界的探知要求變得越來越迫切與深入。早在1904年德國人就采用了電磁波探測地下的金屬物體，到1956年，J.c.Cook 又提出了應(yīng)用無載頻脈沖雷達(dá)探測地下目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)理論與應(yīng)用實踐，瞬態(tài)無載頻脈沖雷達(dá)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，并在70年代中進(jìn)入了實際應(yīng)用階段。 我國從80年代中期開始進(jìn)行探地雷達(dá)技術(shù)的研究和試驗，最初用于軍事地雷的探測。中國電波傳播研究所經(jīng)過十幾年的研制攻關(guān)，在雷達(dá)硬件設(shè)備、信號處理、目標(biāo)成像等方面取得重大進(jìn)展和突破，特別是成功地實現(xiàn)了對地下目標(biāo)的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷達(dá)在信號處理和成像技術(shù)方面進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列（見圖1）。 多年來，我所擁有的探地雷達(dá)技術(shù)基本上與國際先進(jìn)水平保持同步發(fā)展，先后取得了與國外同類技術(shù)基本相當(dāng)?shù)难芯砍晒?。分別獲得電子部科技進(jìn)步三等獎，省科技進(jìn)步一等獎，省優(yōu)秀新產(chǎn)品一等獎等獎勵，并獲國防專利一項。另外，我所在超寬帶理論分析和建模方面也取得了豐富的研究成果，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上已發(fā)表研究論文四十余篇。目前已經(jīng)研制成功LT-1、LT-2、LTD-3、LTD-3R 、LTD-10和LTD-2000等多種型號的探地雷達(dá)產(chǎn)品,新研制成功的全數(shù)字化產(chǎn)品LTD-2000小型化探地雷達(dá)既可以用于對公路等淺層道面厚度進(jìn)行探測，又可以用于地下較深層目標(biāo)的探測，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。 2.2 基本原理 探地雷達(dá)工作時，在雷達(dá)主機(jī)控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號，并直接饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體（面）時，產(chǎn)生反射信號。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號在接收機(jī)經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對信號依照幅度大小進(jìn)行編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，經(jīng)事后處理，可用來判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)（圖2和圖3）。 2.3 系統(tǒng)組成 LTD-2000車載公路檢測儀主要由LTD-2000雷達(dá)主機(jī)、900M屏蔽天線（用于面基層厚度檢測）、500M屏蔽天線（用于基層下缺陷檢測）、天線小車、測距器、鋰電池及其它配件組成（如圖4）。 2.4 LTD探地雷達(dá)檢測法的特點 2.4.1 可實現(xiàn)無損和連續(xù)檢測，經(jīng)濟(jì)、高效。 2.4.2 操作簡便，探測結(jié)果顯示直觀 使用者經(jīng)過2～3天培訓(xùn)就能掌握，探測時，主機(jī)顯示器實時成像，操作人員可直接從屏幕上判讀探測結(jié)果，現(xiàn)場也可打印成圖； 2.4.3測量精度高，測試速度快 無載波電磁脈沖技術(shù)與高頻聚能天線的組合使檢測工作完全避開了人為因素，它能有效地探測出道路的分層結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變化，在車載工作方式下，測試速度大大提高； 2.4.4提供的天線小車上安裝了測距裝置，并可通過放置不同天線，完成不同的探測任務(wù)，如900M高頻天線可用于公路面基層厚度檢測，500M天線可用于基層下存在缺陷的探測檢測，方便靈活。 2.4.5 測點密度不受限制，便于點測和普查 工作方式的靈活使得用戶可以連續(xù)普查某一段路面的質(zhì)量,也可隨時對道路的異常區(qū)域進(jìn)行重點探測和分析。 3 探地雷達(dá)在道路建設(shè)與管理中的應(yīng)用 在公路質(zhì)量檢測與養(yǎng)護(hù)管理中，雷達(dá)探測技術(shù)對于公路施工質(zhì)量檢測的科學(xué)化，路況普查和公路養(yǎng)護(hù)的制度化都有重要作用。LTD型探地雷達(dá)以全中文菜單、便利的操作方式、清晰直觀的圖象顯示和探測精度高等特點引起眾多領(lǐng)域?qū)＜业臐夂衽d趣，在軍用和民用領(lǐng)域都顯示出廣闊的應(yīng)用前景。車載式道路專用探地雷達(dá)，尤其適用于機(jī)場和公路這類淺層高分辨率探測領(lǐng)域。 3.1 公路建設(shè)前期的應(yīng)用 公路興建前，探地雷達(dá)可用于對預(yù)定建設(shè)路段的地質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行勘察，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)，劃分不良地質(zhì)體（流砂體、暗河、暗塘、墓穴等），路基下是否埋設(shè)了電纜和管線等，為道路設(shè)計提供地質(zhì)基礎(chǔ)的依據(jù)。 3.2 公路建設(shè)過程中和竣工驗收時的應(yīng)用 目前，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)可以精確測量路面面層厚度，效果良好。多次工程探測結(jié)果表明，其平均誤差可以達(dá)到≤±5mm；還可成像顯示各層結(jié)構(gòu)的均勻性，圈定質(zhì)量不合格地段的范圍，因此，使用道路探測雷達(dá)可以實時監(jiān)控路面的施工質(zhì)量，在施工各個階段中，分階段跟蹤進(jìn)行質(zhì)量檢測，從打地基到鋪面層，鋪一層快速檢測一層，并將實時檢測結(jié)果打印，現(xiàn)場分析，有問題及時發(fā)現(xiàn)和糾正；這樣不但能保證施工質(zhì)量，還大大節(jié)約了一旦返工所造成的費用損失。 利用LTD探地雷達(dá)可記錄到如圖6的雷達(dá)圖像，計算公路面層厚度時，首先利用計算機(jī)自動追蹤地面和瀝青面層底界對應(yīng)位置，確定電磁波在瀝青層中的旅行時間，然后由經(jīng)驗或鉆芯（施工工藝和材料相同的路段，取一個芯即可）獲得電磁波傳播速度，就可以利用公式 計算面層厚度（式中X 代表厚度，單位是cm；V代表電磁波傳播速度，單位是cm/ns； 3.3 道路使用維護(hù)期的應(yīng)用 道路投入使用后，應(yīng)用道路探測雷達(dá)可進(jìn)行道路狀態(tài)的日常維護(hù)監(jiān)察、階段性路基質(zhì)量普查、路基內(nèi)隱性災(zāi)害或病害（如裂縫、下陷、脫空、變形）的探測，及時發(fā)現(xiàn)路面下的問題，防患于未然。 圖7是對運(yùn)行中的?？谑袃?nèi)丘海大道檢測得到的一幅雷達(dá)剖面。當(dāng)時，丘海大道有一段約2.7公里的路面損壞比較嚴(yán)重，為查明路面下所有脫空或空洞的位置，與路面已經(jīng)出現(xiàn)塌陷的路段一起整治，?？谑泄肪治泻？诳藨?yīng)用地球物理有限公司利用LTD探地雷達(dá)對重點地段進(jìn)行了無損檢測，經(jīng)分析處理，圈定地下淺層脫空和深層空洞近20處，為全面整治提供了第一手資料，避免了公路反復(fù)養(yǎng)護(hù)帶來的人力物力的浪費和對正常交通帶來的不利影響 4 結(jié)論及應(yīng)用前景展望 傳統(tǒng)的地下目標(biāo)探測（包括工程質(zhì)量檢測、地下隱患探測、確定目標(biāo)查找等）方法，比如鉆芯法、錐探法等，不僅具有破壞性，而且效率低、準(zhǔn)確性差，市場的要求和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得眾多無損探測方法得到快速發(fā)展，并逐漸成為行業(yè)檢測規(guī)范的主角。 探地雷達(dá)從20世紀(jì)初，隨電子技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其體積越來越小，從起初的肩扛手抬，到現(xiàn)在一個人就可以輕便的操作和檢測（如LTD-2000和SIR2000一體化雷達(dá)等）；其功能從探測冰層厚度（當(dāng)時的工作信號頻率較低）到現(xiàn)在的“全面開花”，如在軍事和眾多民用部門都可見到它的影子；其技術(shù)指標(biāo)也得到極大的提高，如利用高頻天線進(jìn)行公路面層厚度檢測時，垂向分辨率可達(dá)到毫米級，利用低頻天線探側(cè)深層目標(biāo)時，探測深度可達(dá)到幾十米。 隨著道路探測雷達(dá)在公路路面上的廣泛使用，使得人們對雷達(dá)系統(tǒng)會提出更高的要求。應(yīng)用無載波脈沖雷達(dá)原理發(fā)展起來的道路探測雷達(dá)，實質(zhì)上是對瞬態(tài)電磁場技術(shù)的工程應(yīng)用，它涉及到天線設(shè)計，數(shù)據(jù)信號處理等多項高新技術(shù)，特別是對于雷達(dá)在實際工程中的應(yīng)用，我們還需要利用本技術(shù)的特點，結(jié)合各應(yīng)用部門自身的實際應(yīng)用經(jīng)驗，加速應(yīng)用研究。為了促進(jìn)和發(fā)展無損探測技術(shù)在公路中的應(yīng)用，提高檢測質(zhì)量，加快公路建設(shè)步伐，必須與有關(guān)部門共同合作對公路路面的主要問題進(jìn)行大量的反演研究，并建立標(biāo)準(zhǔn)公路模型試驗場，通過雷達(dá)反復(fù)探測，積累數(shù)據(jù)，分析所得到的不同地質(zhì)體的探測圖像特征，匯集成探測成果數(shù)據(jù)庫，作為實際工程探測的參考標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)硬件,開發(fā)能解決更多實際探測問題的專有軟件。 致力于高科技產(chǎn)品開發(fā)，并積極將成果轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，誠望以高質(zhì)量的探測產(chǎn)品和高水平的探測服務(wù)為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。