案例｜辽宁交通科学研究院实时三维频率步进式探地雷达路面检测实例分析

2023-02-16 11:09:11 广州欧美大地仪器科技有限公司

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针对显性病害检测无法确切预知病害发生前的路面健康状况的问题，辽宁交通科学研究院将三维探地雷达应用于高速公路及市政道路的检测中，解决了目前的路面检测技术大多限于表面病害评价的问题，提供了一种高效的路面结构内部病害及损伤检测手段，更加有利于准确判断养护决策时机。

工程案例：高速公路检测

工程案例：市政道路检测

路段检测长度371.6m，检测路段西侧35m附近有一处建筑工地深基坑（如图2所示），基坑内部已做支挡防护。本次检测的目的是采用3D雷达技术对基坑外侧道路进行探测，排查道路内部是否有空洞、沉陷等情况。

选用设备

实时三维频率步进式探地雷达3D-Radar

辽宁交通科学研究院于2012年购置了挪威3D-Radar公司的实时三维频率步进式探地雷达。

挪威3D-Radar公司成立于2001年，为国防、航空和安全高技术产品全球制造商——美国Chemring Sensors and Electronic Systems （Chemring SES）集团的子公司。3D-Radar公司拥有高质量三维雷达技术，从传统的脉冲信号雷达转为新的频率步进雷达，且具有丰富的GPR数据处理经验。

与市场上广泛使用的单通道脉冲式探地雷达系统相比，挪威3D-Radar公司的GeoScopeTM三维探地雷达系统具有如下优势：

频率步进雷达技术、实时三维显示、多通道天线阵技术、软件超强的处理能力

实时三维频率步进式探地雷达具有如下特点：

最快的步进频率雷达：利用数字频率信号源, 可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期，一个同相接收机，使得整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用。

天线阵技术，可容纳21个天线阵子：覆盖范围从100MHz 到3GHz。实际工作时，用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。

CMP（共中点）采集模式：这套系统可以设置为CMP（共中点）采集模式，可实时显示各层的厚度和对应的介电常数，并基于路基材料的介电常数与其密实度，含水量的相关曲线，评定路基质量。

空前的区域勘察速度(工作效率)：极其高的勘察效率和有效的采样方法使得 GeoScopeTM采用2.4m天线阵可以以80km/h车速提供7.5×7.5cm网格完全三维图像。生产效率高达20亩/小时。

数据采集过程中的三维实时显示技术：浏览器即可调用采集数据，实现实时三维显示（包括横向剖面、纵向剖面，水平切面）。

软件处理能力超强：完整而快速的进行数据后处理，可加入注解及地理图像，且可以进行二次开发。

应用领域

公路检测：面层厚度和质量、垫层和基层、桥梁检测 (脱空/剥离)

桥梁面板检测

铁路路基检测：垫层厚度和质量、基层、电缆和管道

机场跑道检测：沥青层厚度和质量、基层、脱空、电缆和管道

地下公用设施 (管线/电缆)：地下公用设施

考古

地雷和未爆炸物探测

频率步进的雷达技术

频率步进探地雷达是一种工作频率以阶梯方式步进的连续波雷达，在一个扫描周期内雷达发射的信号频率从起始频率fstart以频率间隔f逐步上升到终止频率fstop，其工作带宽B和f分别为：B=fstop-fstart，f= B/（N-1）其中N为步进的频率点数。

GeoScopeTM探地雷达是目前市场上最快的步进频率雷达。

利用数字频率信号源替代传统的锁相循环技术, GeoScopeTM 可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期,其中包含了多达1500个从100MHz 到3GHz 不同频率的频率信号。步进频率雷达有一个同相接收机，这意味着整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用，而通过频闪观测采样对比，脉冲式探地雷达明显有能量损失。

步进频率技术优势如下：

100%有效的扫描时间。

可编程频率范围控制整个频谱。

针对不同测试应用，采用不同的频率范围。如果某类土质对雷达波衰减很大，而低分辨率又能满足测试要求时，无需在高频段浪费能量。

原始数据以频率数据存储。用户可以使用不同频率加权对数据重新处理，以便突出感兴趣的特征。同时，还能对数据进行频域吸收分析处理。

频域数据非常适合FK偏移处理，以便获得更好的图像。

步进频率信号是低峰值功率信号，其他无线电波对它的干扰小。

由于系统的自检定，系统内时间没有漂移，建少热机时间。

数据采集过程中的三维实时显示技术

GeoScopeTM 采用先进的采集控制技术，电脑无需预装采集软件，电脑只要打开浏览网页即可调用固化在主机里的采集设置。实现实时三维显示（包括横向剖面、纵向剖面，水平切面），具有国际领先水平。

天线阵技术，可容纳21个天线阵子

GeoScopeTM探地雷达被设计为可操作含有多对电子扫描天线振子. 其中每对天线振子被顺序扫描. 这种独特的天线系统是由一对一对的蝶型单极天线组成。这种类似单基天线结构在实际中可以当作无偏距的。与传统的倍频探地雷达 (GPR) 天线不同, 这种超宽带的蝶型单极天线有一系列连续的频率, 其覆盖范围从100MHz 到3GHz. 实际工作时,用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。作为比较, 若用脉冲式探地雷达作相同的探测, 就需要200MHz, 400 MHz,800 MHz 和1600 MHz等不同的天线，并不停地更换。

天线振子以线形布置如图3发射与接收互相对应。测量时，雷达按一对（发射/接收）天线阵子顺序扫描，可以一次采集获得多条扫描断面（通道）如图4。根据不同的应用，系统可以通过编程使用天线阵的所有天线振子，以7.5 × 7.5 cm网格采集数据，从而获得真正的三维图像。系统也可以通过编程,只利用其中一部分天线振子, 形成一个较稀疏的空间网格来进行高速勘查。

图3：天线内部阵子排列图

图4 为不同的勘探模式激活的不同个数的天线振子, 从三条断面的高速测量到高分辨率数据采集。要得到全三维成像, 全部天线组均要激活。