超宽带探地雷达在城市道路中的研究进展及展望

谢光莹，王毅，王璇，代柳娟

（1.昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南 昭通 657000；2.云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明 650217）

0 引言

城市道路作为城市交通基础设施的重要组成部分，承担着连接城市各个区域、促进人员和货物流动的重要功能。然而，由于长期使用、自然环境和人为因素的影响，道路会出现各种病害，如裂缝、龟裂和沉降等问题，这些问题会影响道路的可靠性、安全性和使用寿命[1]。

对于城市道路的维护和管理，传统的方法存在一些局限。例如，目前的检测方法主要依靠人工巡视和传统地质探测技术，存在信息延迟和不准确、耗时、耗力、成本较高、片面性等局限。因此，需要一种高效、安全、及时、准确且非侵入式的方法来检测和评估城市道路的状况，以指导维护和管理工作[2]。

在这样的背景下，超宽带探地雷达（Ultra-Wideband Ground Penetrating Radar，简 称UWB GPR）技术作为一种先进的地下探测技术，在城市道路管理中展示出巨大的应用潜力。UWB GPR 技术是一种不用载波，而采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的技术，具有高分辨率、大探测深度和较好的穿透能力，能够检测到微小的道路病害和地下结构，并提供准确的地下图像，主要应用在无线通信系统、三维定位、探测传感器和雷达技术等方面[3]。

1 UWB GPR 技术原理和特点

1.1 UWB GPR 工作原理

超宽带探地雷达（简称“UWB GPR”）利用超宽带脉冲信号向地下发送电磁波，电磁波在介质中沿特定的方向传播，当遇到介电常数不同的介质，在目标体及分界面会发生反射、折射、透射和绕射，由接收天线接收并记录反射信号，通过处理和分析回波信号的波形、振幅强度和时间变化，推测介质的空间位置、形态信息。

超宽带探地雷达系统主要由主机（主控单元）、发射机、发射天线、接收机、接收天线五部分组成。发射天线和接收天线成对出现，用于向地下发射信号和接收地下反射的雷达波；主机是一个采集系统，用于向发射机发送发射和接收控制命令（包括起止时间、发射频率、重复次数等参数）；发射机根据主机命令向地下发射雷达波；接收机根据控制命令开始数据采集，经过采样和A/D 转换，将接收的反射信号转换成数字信号进行显示并保存（见图1）。

图1 探地雷达系统原理框图

1.2 脉冲信号特性

UWB GPR 系统的脉冲信号具有几个关键特性。首先，典型的UWB GPR 脉冲信号频带宽度通常在几百MHz 到几GHz 之间，甚至更宽。这样的宽带信号能够提供高分辨率的地下成像能力。其次，脉冲信号具有短脉冲宽度，通常在几ns 到几百ps 之间，这使其能够提供较高的时间分辨率，用于区分地下结构的不同反射界面。最后，脉冲信号还具有较低的能量损耗，使其能够在地下介质中传播较长的距离。

由于电磁波的传播速度在特定介质中不变，可根据地面反射波与时间差，计算异常埋深。

式（1）～式（3）中：C为电磁波在空气中的传播速度，为3×108m/s；εr为传播介质的相对介电常数，为1～81；X为反射与接收天线的距离（m）；H为埋深（m）；V为电磁波在介质中的传播速度（m/s）；ΔT为已知目标物相对于地表的高差（m）。

介电常数是一个无量纲物理量，表征一种物质在外加电场情况下，储存极化电荷的能力。自然物质中，介电常数最大的是水，介电常数为81，最小的是空气，数值为1。介电常数不同的两种介质的界面，会引起电磁波的反射，反射波的强度与两种介质的介电常数及电导率的差异有关。常用介电常数，如表1所示。

表1 常见介质相对介电常数

1.3 数据处理和分析

1.3.1 数据预处理

由于收发天线及天线与地层的互耦影响，随机噪声也会对接收信号中目标的回波形成干扰。所以探地雷达接收到的是一种弱信噪比、波形畸变的信号，数据预处理主要是去除或尽可能降低干扰信号成分，提高数据的信噪比。常用的回波信号预处理方法包括直流偏移去除、背景去噪和时变增益等。

1.3.2 反演算法

UWB GPR 的数据处理算法是将接收到的原始数据转换为地下图像。常见的数据处理算法包括时域反演、频域反演和全波形反演等。时域反演算法根据脉冲信号的到达时间和振幅来推断地下结构的位置和性质。UWB GPR 使用时域反演算法将接收到的回波信号转化为地下结构的图像。常见的时域反演算法包括逆时偏移（Reverse Time Migration，RTM）、波动方程算法等。这些算法基于回波信号的传播和反射特性，通过计算和优化来恢复地下结构的位置和形状信息。

频域反演算法基于脉冲信号的频谱信息来恢复地下结构的反射特性。全波形反演算法利用原始数据的完整波形信息来重建地下介质的模型。这些算法经常与成像技术结合使用，如叠加成像、叠前偏移和反射率成像等，以生成具有空间分辨率的地下图像。

1.3.3 三维成像算法

为了实现三维地下成像，UWB GPR 需要采集多个扫描数据集合，可以通过在不同位置或角度进行扫描来实现。每个扫描数据集合包含有关地下结构的二维信息，同时，通过应用相应的三维成像算法，将二维扫描数据或多个扫描数据集合转化为三维地下图像，以显示地下结构的空间布局和特征。常用三维成像技术包括切片叠加技术、体素化方法、逆时偏移算法（RTM）和增强成像算法等。

1.3.4 数据解释和分析

UWB GPR 的数据处理算法还包括数据解释和分析。研究人员或工程师需要对成像结果进行解读和分析，以识别地下目标、判断地下结构性质，以及评估潜在风险。

三维成像结果可以通过切片显示等方式进行可视化，以展示地下结构的立体形状和分布情况。成像结果通常需要由专业人员进行解释和分析，以识别地下目标、判断地下结构的性质和状态。

2 超宽带探地雷达在城市道路中的应用场景

2.1 道路病害探测

UWB GPR 被广泛应用于城市道路路基的病害探测，如裂缝、龟裂和沉降等。如Batrakov DO 等2021 年通过使用UWB GPR 系统对道路进行扫描，并开发了相应的数据处理算法来识别和定位道路病害。

2.2 地下管线和电缆定位

UWB GPR 被用于定位埋藏在城市道路下的地下管线和电缆。如Lu Q 等2018 年利用UWB GPR 系统对地下管线和电缆进行扫描，并采用数据处理算法来识别和定位这些地下设施。

2.3 道路探测中的优势

UWB GPR 在城市道路探测和维护中具有一些潜在的优势，包括提高探测效率、降低成本、减少交通干扰和提供全面的地下信息等。

2.3.1 相对于传统的地下探测方法，如钻孔和试坑等，UWB GPR 能够快速获取大面积的地下信息，可以通过实时数据采集和高速扫描，快速完成对道路下方结构的探测，节省大量的探测时间，提高探测效率。

2.3.2 UWB GPR 的使用可以减少人力和设备成本。由于其是一种非破坏性技术，不需要进行大规模的挖掘或拆除工作，从而减少施工和修复成本。此外，UWB GPR 的快速扫描和高效数据处理还可以减少数据采集和分析的成本。

2.3.3 传统的道路探测方法通常需要封闭或限制交通流量，给城市交通带来不便。用UWB GPR 进行道路探测时，只需要在特定区域设置临时限制区域，不需要完全封闭道路，减少对交通的干扰，提高了道路的可用性。

2.3.4 UWB GPR 能够提供高分辨率的地下成像，可以绘制出道路下方的地下结构和管线分布图，提供全面的地下信息，帮助规划和设计人员更好地了解道路周围的地下环境，并制定相应的规划和决策。

UWB GPR 为城市道路探测和维护提供了一种高效、经济和非破坏性的解决方案，因此能够在城市道路管理中发挥重要的作用。

3 超宽带探地雷达在城市道路应用的未来展望

3.1 UWB GPR 技术

针对UWB GPR 硬件部分，可以进一步改进天线设计和信号发射与接收系统，以提高信号的传输效率和接收灵敏度。此外，改进射频电路和数据采集系统，以提高设备的可靠性、稳定性和易用性。

在UWB GPR 成像技术方面，可以研究新的成像算法和数据处理技术，以提高分辨率、深度探测范围和目标识别能力。使用先进的信号处理技术，如波束成像、反演算法和机器学习方法，以提高成像质量和准确性。

3.2 数据处理算法

数据处理是UWB GPR 应用中的关键环节，可以优化数据处理算法，以提高数据分析和解释的效率和准确性，包括噪声抑制算法的改进、信号去除和滤波技术的优化，以及更高级的数据处理工具和软件的开发。

同时，可以开展针对不同应用场景的数据处理算法研究，如道路病害探测、地下管线定位和地下结构评估等方面的特定算法开发，以满足具体应用需求。

3.3 自动化和智能化

针对UWB GPR 在城市道路中的应用，可以研究自动化和智能化方法，减少人工操作需求。例如，开发自动化扫描和数据采集系统，以减少人工操作的时间和成本。

进一步研究机器学习和人工智能技术的应用，以实现UWB GPR 对数据的自动处理、目标识别和解释。这将提高数据分析的效率，并为相关决策提供更准确和全面的信息。

3.4 多模态综合应用

UWB GPR 可以与其他地下探测技术，如激光扫描仪、地磁传感器等进行综合应用，以便获得更全面的地下信息。多模态综合应用可以提高数据的准确性和可靠性，并提供更多层面的地下结构信息。

未来的相关发展将进一步推动UWB GPR 在城市道路中的应用，提高道路探测和维护的效率、准确性和可靠性。同时，技术改进和算法优化将降低UWB GPR 应用的成本和技术门槛，使UWB GPR 在城市道路管理中得到更广泛的应用。

4 结论

文章对超宽带探地雷达（UWB GPR）在城市道路中的应用情况进行了综述和分析，得出以下结论：

第一，UWB GPR 在城市道路中具有广泛的应用潜力，可以快速、准确地探测和定位道路路基病害、地下管线的定位和地下结构评估等，为道路规划和维护提供重要的参考信息。

第二，虽然UWB GPR 在城市道路中的应用具有许多优势，但也面临一些挑战，如噪声干扰的问题会影响UWB GPR 信号的质量和数据解释，数据处理较为复杂，UWB GPR 设备成本较高等，这限制了其在一些预算有限的城市道路管理中的应用。

第三，针对这些挑战，未来UWB GPR 的研究方向可以集中在改进UWB GPR 技术、优化数据处理算法以及实现自动化和智能化应用方面。例如，改进UWB GPR 硬件技术，提高信号的传输效率和接收灵敏度；研究新的成像算法和数据处理技术，提高成像质量和准确性；构建自动化扫描和数据采集系统，减少人工操作的需求；应用机器学习和人工智能技术，实现数据的自动处理和目标识别。