1. 引言
近年来随着对道路病害和隐患排查技术研究的不断深入，三维探地雷达因其无损高效检测的优势而备受关注，其在实际项目中的应用范围也不断扩大。目前地质雷达技术多广泛应用于二维层面，三维地质雷达虽然在本世纪初就得到了关注和重视，但由于数字和计算机技术的限制发展较为缓慢，三维地质雷达的病害检测还在探索阶段，主要根据更加直观的水平切片来进行半定量识别研究，且仍旧以人工判别为主，识别病害的准确率主要依赖于技术人员的经验，现行规范中，三维地质雷达图像特征的规定存在不足，导致图像判别的准确率低，使得验证时间增加、效率降低。
本文通过对深圳市某市政道路使用三维地质雷达探测，并现场验证，针对土质疏松区和脱空区，发现实际病害类型和对比规范中病害图像特征得到的结果存在差异，分析三维地质雷达图像特征，对提升图像特征分析准确率提出建议，对于规范中的隐患图像特征描述以及珠江三角洲地质雷达道路病害检测图像分析具有指导和借鉴意义。
2. 地质雷达工作原理
(a) (b)
Figure 1. Diagram of the radar record
图1. 雷达原理图
地质雷达向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置及分布，如图1(a)所示 [1] 。电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，在不同电性的地质体的分界面上，会产生回波，反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图。
雷达图形用脉冲反射波的形式记录的示意图如图1(b)所示，图上对一个简单的地质模型画出了波形的记录 [2] 。
地质雷达主要技术参数有天线中心频率、采样时窗长度和分辨率等。
天线中心频率与电磁波在道路介质中传播的波长有关，波长λm的公式为：
(1)
式中：fc为脉冲信号的中心频率；c为光速；εr为介电常数；μr为磁导率 [3] 。
探测深度与天线频率有着密不可分的关系，其他条件一定时，天线中心频率越高，探测深度越浅，反之则探测深度越深。
采样时窗长度是指从地质雷达开始采取数据到完成数据采集中间的这一时间段，时窗对数据完整度和垂向分辨率有很大的影响，一般探测深度H选取为目标深度的1.5倍，可以尽可能地保证数据完整并提高垂向分辨率 [4] 。
分辨率是指探地雷达能够区分两个在空间上相距很近的目标的能力，分为垂直分辨率和水平分辨率，在路面检测中更重要的是垂直分辨率。假设在同一竖直线上有两个目标存在，二者间距为 ，若地质雷达能够分辨上述二者目标的回波信号，则必须满足 [5] ：
(2)
在实际应用中，所选定的天线中心频率越高分辨率越高，但中心频率高也会导致其探测深度小，所以要多方面综合考虑，合理选定兼顾探测深度和分辨率的天线中心频率。
本文采用真三维地质雷达，有横向极化频率600 MHz和纵向极化200 MHz两种，通道个数分别为10道和19道。真三维雷达应用阵列式天线，由多个发射天线和多个接收天线同时工作，实现实时三维数据采集 [6] ，如图2。
地质雷达技术目前的应用已非常普遍，但仍然存在尚待解决的问题，比如其中三个规范的缺失，首先是野外勘探采集参数选取缺少成熟的规范约束，第二是资料处理难度大，缺少相应的规范和方法去除干扰，最后是图像分析方法不成熟，缺少三维地质雷达图像病害特征的规范对照 [7] 。
3. 规范中的图像特征
根据《道路塌陷隐患雷达检测技术导则》(RISN-TG024-2016) [8] 7.4，列出不同类型异常的雷达图像一般特征如表1。
Table 1. Standard images and characteristics of road hidden danger
表1. 道路隐患点规范图像及特征
4. 工程案例分析
4.1. 工程概况
本项目应用车载三维地质雷达对深圳市南山区某条长约13 km的道次进行检测，检测轨迹共计11.12 km。
采用三维地质雷达检测并解译得到了3处疑似疏松体、20处疑似脱空，共23处疑似隐患点，并对所有疑似隐患点采用了下文所提及的方法进行图像识别和验证，同时，对23处疑似隐患点钻孔验证。
4.2. 疑似疏松体图像分析
图3和图4为疑似疏松体点NHDD-06的三维探地雷达天线中心频率为200 MHz与600 MHz的图像。
(a) (b)(c)
Figure 3. 3D GPR 200 MHz image of NHDD-06. (a) Horizontal slice; (b) Longitudinal sections; (c) Cross section
图3. 疑似疏松体点NHDD-06的三维探地雷达200 MHz图像。(a) 水平切片；(b) 纵向剖面；(c) 横断面
(a) (b)(c)
Figure 4. 3D GPR 600 MHz image of NHDD-06. (a) Horizontal slice; (b) Longitudinal sections; (c) Cross section
图4. 疑似疏松体点NHDD-06的三维探地雷达600 MHz图像。(a) 水平切片；(b) 纵向剖面；(c) 横断面
图3(a)和图4(a)中异常体水平切片形态破碎、分散，呈现不规则的形状；与其对应的图3(b)纵向剖面中异常形态不规则，图像在同相轴处发生错断。考虑到图像部分呈现出水平反射截面，可能为局部脱空，在图4(b)中图形态异常不规则，同相轴横向不连续，波形结构较为杂乱、不规则，与《导则》中疏松体图像特征大致相符；横断面图像与纵断面特征相似。可以初步判定该疑似隐患为疑似疏松体，并可以从图像中得到疏松体的尺寸约为：1.4 × 1.5 × 0.35 m，图3(b)中存在的水平反射截面为分辨率较低导致的。
4.3. 疑似脱空点图像分析
图5和图6为疑似脱空点NHDD-01的三维探地雷达天线中心频率为200 MHz与600 MHz的图像。
(a) (b)(c)
Figure 5. 3D GPR 200 MHz image of NHDD-01. (a) Horizontal slice; (b) Longitudinal sections; (c) Cross section
图5. 疑似隐患点NHDD-01的三维探地雷达200 MHz图像。(a) 水平切片；(b) 纵向剖面；(c) 横断面
(a) (b)(c)
Figure 6. 3D GPR 600 MHz image of NHDD-06. (a) Horizontal slice; (b) Longitudinal sections; (c) Cross section
图6. 疑似隐患点NHDD-01的三维探地雷达600 MHz图像。(a) 水平切片；(b) 纵向剖面；(c) 横断面
图5(a)和图6(a)中反应强烈处为异常区域，异常体近似椭圆形，有明显的边界；与其对应的图5(b)和图6(b)纵向剖面图中异常区域反射波振幅明显增强，异常形态存在上下两个分界面。与《导则》中脱空图像特征一致。天线中心频率为600 MHz的图像相较于200 MHz的图像，分辨率更高，脱空顶板的形态更加清晰，但是探测的深度较200 MHz浅，于图像中只能观察到上顶板。初步判定该案例为脱空异常，并可从图像中得到该脱空顶部埋深约为0.4 m，尺寸约为：1.8 × 0.8 × 0.8 m。
4.4. 钻孔验证结果及原因分析
对地质雷达检测得到的疑似隐患进行钻孔验证，得到的结果如表2所示。在排除设备使用问题后，从表中可以发现，对于隐患点的判读存在将无异常判断为疏松体和脱空、疏松体误判为脱空的情况，因此，仅依据《导则》的图像判读其准确率较低，下文将根据检测结果对市政道路中疏松体和脱空隐患图像特征进行辨析。
Table 2. Comparison of the results before and after validation
表2. 验证前后结果对比
脱空是指路面结构层的不连续接触现象，通常指面层与路基之间存在空隙 [9] 。如图7所示，雷达图像中的脱空应出现在道路面层以下，通常为0.25~0.45 m。并且，脱空实际上就是面层与路基间的空腔，因此，在水平切片中能观察到完整的边界，且反应最强烈的区域应集中。圆球状的脱空呈倒悬的双曲线，较大的脱空的雷达图像纵向切片中有明显的顶板，呈现出“黑白黑”或“白黑白”变化，伴随有多次波和绕射波。
(a)(b)
Figure 7. Typical void image. (a) NSDD-06 image; (b) NHDD-10 image
图7. 典型脱空图像。(a) 疑似隐患点NSDD-06图像；(b) 疑似隐患点NHDD-10图像
疏松体是指路基土体颗粒松散，土体孔隙率高，充满空隙。对于疏松体可以分为：多孔型、平行层状疏松、倾斜层状疏松、V型疏松 [10] 。水平切面图像破碎，反应最强烈的区域分散，或总体面积较大、反应中等强烈。较为常见的多孔型疏松如图8(a)所示，图像纵向截面反射波较多且杂乱无章，同相轴不连续、错位、畸形等特征。
(a)(b) (c)
Figure 8. Loose body radar image. (a) NHDD-02 image; (b) NSDD-08 image; (c) NHDD-12 image
图8. 疏松体雷达图像。(a) 疑似隐患点NHDD-02图像；(b) 疑似隐患点NSDD-08图像；(c) 疑似隐患点NHDD-12图像
如图8(b)和图8(c)为误判为脱空的疏松体图像，分别为V型疏松、平行层状疏松，由于其含水较多，呈现出与脱空相类似的形态特征，但是与脱空不同的是，疏松体的雷达图像反应较弱，在图像中体现出来为颜色较浅，且在水平切片中疏松体反应区域较为分散、破碎。
地下的管道、空间附属物、地下工程加固体等会在雷达图像形成与空洞、脱空、疏松体等道路病害的类似的特征，会对图像的判别造成影响，从而降低准确率。如图9所示，为一处误判为脱空的疑似隐患点，其图像特征与脱空的图像特征相吻合，经进一步现场调查和验证，判断为一处地下井室。来自地下的干扰而出现的错误在进行雷达图像判读时不容易被察觉，因此需结合现场勘探资料、地下管线资料等排除干扰。
Figure 9. Interference radar image of the underground well chamber
图9. 地下井室干扰雷达图像
5. 结论与建议
更准确的雷达图像判读能够减少验证的时间，提高工作效率。但雷达图像存在多解性，同一个图像，不同的技术人员进行解读可能会得到不同的结果。所以，技术人员应当明确不同隐患类型的雷达图像特征，积累图像判读的经验。三维雷达可以得到隐患水平剖面、纵向剖面和横断面的图像，可以获得更多的信息，使得结果更加可靠。因此需要对于三维地质雷达图像特征的有关规范和更为详细的说明辅助判断。
1) 疏松体：图像水平切片形态破碎，雷达反应异常区域分散，反应程度较弱。纵向切片与横向切片中形态较为杂乱，同相轴横向不连续。
2) 脱空：一般发生在面层与路基分界0.25~0.45 m处。图像水平切片有着明显的边界线，反应异常区域集中。对于圆球状的脱空，纵向切片呈现倒悬双曲线的形态。对于体积较大的脱空，可以观察到明显的顶板，呈现出“黑白黑”或“白黑白”变化，伴随有多次波和绕射波。
3) 部分疏松体的雷达图像与脱空相似，其与脱空的主要区别在于雷达反应较弱，水平切片的形态也更分散。
4) 对于与脱空、疏松等隐患图像特征相类似的地下结构物的干扰，无法简单地通过图像进行排除，因此需借助野外勘察资料、地下管线资料等进行辅助判断。
基金项目
广东省大学生创新创业训练计划项目资助(编号：S202110561263)。
NOTES
*通讯作者。