探地雷達(dá)技術(shù)用于
地下空洞塌陷災(zāi)害普查探測(cè)的創(chuàng)新與實(shí)踐
王春和，崔海濤，趙翠榮，陳光
（中國(guó)電波傳播研究所，通訊方式010-57210257）
摘要：近年，我國(guó)城市道路塌陷事故愈演愈烈，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。該文呼吁城市道路塌陷預(yù)防檢測(cè)要制度化常規(guī)化。分析了創(chuàng)新使用探地雷達(dá)技術(shù)的必要性。在分析道路結(jié)構(gòu)層下方的空洞分布規(guī)律基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多波段天線陣確保實(shí)現(xiàn)空洞的預(yù)防性探測(cè)，并完成了實(shí)用性車載預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的研制，為普及道路病害探測(cè)提供了高效的專業(yè)工具。
關(guān)鍵詞：城市道路；道路塌陷；多波段天線陣列；道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)
1 概述
1.1 地陷事故高發(fā)趨勢(shì)亟需修訂普查檢測(cè)制度予以扼制
5月20日晚，在廣東省深圳市龍崗區(qū)橫崗街道一起突如其來(lái)的路面塌陷事故中，伴隨著一聲悶響，5條鮮活的生命剎那間消失在黑暗的地獄中。僅在一個(gè)月前，在深圳市福田區(qū)發(fā)生路面塌陷事故造成1人死亡。3月深圳市景洲大廈小區(qū)發(fā)生地陷致一名保安墜坑身亡。截至目前，深圳今年連發(fā)9起地陷致6死2傷，“城市陷阱”令人防不勝防，開始讓深圳市民有種“走路都不安全”的恐慌。由此聯(lián)想到去年8月份“夜幕下的哈爾濱”上演“步步驚心”的一幕，9天時(shí)間發(fā)生7起地陷事故，造成2死2傷2車墜坑的人間悲劇。就在昨天（2013年7月11日），太原永祚西街發(fā)生大面積塌陷，再次繃緊了當(dāng)?shù)厥忻竦纳窠?jīng)；沈陽(yáng)朝陽(yáng)街東側(cè)路面突然塌陷形成20多平方米的大坑，也在刷新今年該市道路塌陷事故的次數(shù)。
從全國(guó)范圍內(nèi)來(lái)看，這一系列的地陷事故僅僅是各地近年來(lái)所發(fā)生的眾多地陷案例的“冰山一角”。統(tǒng)計(jì)結(jié)果證明，道路塌陷事故尤其在大城市呈高發(fā)趨勢(shì)。國(guó)土資源部、水利部于2012年3月印發(fā)的《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃（2011-2020年）》指出，目前全國(guó)遭受地面沉降災(zāi)害的城市超過50個(gè)，分布于北京、天津、上海等20個(gè)省區(qū)市。北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院宋谷長(zhǎng)在一篇論文中披露，2007年北京市發(fā)生路面坍塌事故54起，2008年94起，2009年129起。
地陷的具體原因并非完全相同，卻有其共性。中國(guó)工程院院士、北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心主任王夢(mèng)恕甚至認(rèn)為，地下十米以內(nèi)的施工，是頻頻出現(xiàn)的點(diǎn)狀地面塌陷的主要原因，是地陷禍?zhǔn)住?guó)家注冊(cè)巖土工程師呂文龍將城市道路塌陷的人為原因梳理成幾類：路面荷載變化、施工擾動(dòng)、地下管線滲漏。例如地鐵隧道施工也容易造成地層擾動(dòng)，大量地下水滲出，使得上部或周圍疏松土層中的泥沙大量帶走，逐漸形成空洞；一些地下管線經(jīng)長(zhǎng)久腐蝕容易形成穿孔、斷裂等滲漏現(xiàn)象，容易造成對(duì)土基沖刷，帶走周邊泥沙。北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院研究員宋谷長(zhǎng)分析，地下管道的滲水、泄漏會(huì)造成對(duì)土基沖刷，帶走管道周邊泥沙，加上地下施工擾動(dòng)、路面車輛震動(dòng)等因素，很容易發(fā)生流沙或淘蝕現(xiàn)象，形成空洞和路面塌陷。
筆者認(rèn)為，（1）城市地下空間資源短時(shí)間大規(guī)模開發(fā)利用是地陷事故發(fā)生的內(nèi)在原因。十六大以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，2002年至2011年，我國(guó)城鎮(zhèn)化率以平均每年1.35個(gè)百分點(diǎn)的速度發(fā)展，城鎮(zhèn)人口平均每年增長(zhǎng)2096萬(wàn)人。2011年，城鎮(zhèn)人口比重達(dá)到51.27%，比2002年上升了12.18個(gè)百分點(diǎn)。城市規(guī)模的無(wú)限制擴(kuò)大，城市人口的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)交通、通信、電力、給排水、燃?xì)獾刃枨蠹眲≡鲩L(zhǎng)，城市地下空間的開發(fā)利用無(wú)疑是滿足這些需要的有效途徑。這些地下工程改變了上億年形成的地質(zhì)平衡和水動(dòng)力循環(huán)條件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)對(duì)城市管網(wǎng)造成損壞，從而加快形成地下空洞的過程。（2）給排水管（函）不堪重負(fù)而滲漏爆裂是導(dǎo)致城市地陷的主要的直接原因。城區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，原來(lái)的河流湖泊變成了馬路、小區(qū)和廣場(chǎng)，雨水原來(lái)就近集中滲漏排泄的渠道被封閉，城市排水集中到原本建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高的管函中，隨著排水壓強(qiáng)和流速越來(lái)越大，造成管函破裂，泥沙流失，最終導(dǎo)致地面塌陷。老城區(qū)的給水管也隨著負(fù)擔(dān)日益加重，銹蝕日趨嚴(yán)重而導(dǎo)致破裂，水土流失，日積月累，逐漸形成大的空洞而釀成地面塌陷。
中國(guó)的城市化發(fā)展是大勢(shì)所趨，到2050年城市人口比重將達(dá)70%，和世界上許多發(fā)達(dá)地區(qū)的城市相比，中國(guó)的城市地下空間開發(fā)才剛起步，發(fā)展?jié)摿薮�。隨著城市地下空間資源開發(fā)規(guī)模力度的日益加大，引發(fā)地陷的因素不可逆轉(zhuǎn)的在增多，因此，城市地陷事故高企在所難免�？梢灶A(yù)計(jì)，地陷將伴隨中國(guó)城市發(fā)展成為一個(gè)長(zhǎng)期問題，那么探討如何解決問題，遏制塌陷事故的上升趨勢(shì)，最大限度減少、減輕災(zāi)難，就變得現(xiàn)實(shí)而必要。
首先筆者贊成多名專家的建議，制定一部完整、權(quán)威的法律，來(lái)規(guī)范并解決開發(fā)權(quán)限、體制、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程，建立協(xié)調(diào)管理結(jié)構(gòu)，解決我國(guó)城市地下空間存在多頭管理和立法空白問題，從而實(shí)現(xiàn)城市地下空間開發(fā)的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一管理，從根源上抑制地陷事故的發(fā)生。其次，筆者建議盡快修訂現(xiàn)有《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》、《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，把地下空洞的檢測(cè)作為道路普查的重要內(nèi)容，這是目前解決我國(guó)大中城市所面臨難題的有效途徑。我國(guó)現(xiàn)有的道路的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均是建立在表觀檢測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，這些方法根本無(wú)法發(fā)現(xiàn)地面以下潛伏的災(zāi)難性病害。對(duì)城市道路塌陷的防治目前基本上靠人工巡視，群眾舉報(bào)，其結(jié)果往往是防不勝防，難以湊效。采用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)城市道路進(jìn)行常規(guī)普查巡檢，實(shí)現(xiàn)防患于未然是大勢(shì)所趨。
1.2 創(chuàng)新使用探地雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測(cè)
探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的分界面時(shí)發(fā)生反射或散射，通過接收天線接收反射或散射回地面的電磁波，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達(dá)以高分辨、高效率、無(wú)損、結(jié)果直觀等特點(diǎn)在工程物探領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用。道路結(jié)構(gòu)層及土基和下方潛伏的充氣空洞、半氣半水空洞以及沖水空洞的介電常數(shù)差異較大，因此，探地雷達(dá)技術(shù)十分適合道路空洞的探測(cè)。
以城市化進(jìn)程早于中國(guó)的日本為例，1987年至1988年間，東京、名古屋等城市也曾有過地陷多發(fā)期，原因與中國(guó)城市完全一樣。東京大規(guī)模地陷次數(shù)每年多達(dá)20-25次，造成了嚴(yán)重社會(huì)問題。1990年起，日本使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行地下空洞調(diào)查，對(duì)一些大的、危險(xiǎn)的空洞進(jìn)行工程填補(bǔ)。之后，日本在各城市重點(diǎn)區(qū)域定期探測(cè)、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時(shí)填補(bǔ)，并啟動(dòng)預(yù)案對(duì)周邊加強(qiáng)檢測(cè)。因此，最近20余年，東京每年僅有一至兩起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。
探地雷達(dá)技術(shù)在防治道路塌陷方面也普遍為國(guó)內(nèi)專家們認(rèn)可。北京養(yǎng)護(hù)集團(tuán)市政九處為了保障2008年奧運(yùn)，采用探地雷達(dá)對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行了安全檢測(cè)。此后，多次對(duì)重要的路線進(jìn)行了普查，對(duì)有塌陷跡象的路段進(jìn)行了重點(diǎn)探測(cè)，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并處置了多處險(xiǎn)情。哈爾濱、太原、深圳等城市也先后采用探地雷達(dá)對(duì)可疑路段或重點(diǎn)部位進(jìn)行了勘查，取得了一定效果。
目前，在上述城市的探測(cè)實(shí)踐中，主要采用單通道或雙通道探地雷達(dá)人工拖動(dòng)或車輛拖動(dòng)的方式進(jìn)行探測(cè)，這種方式顯然難以滿足城市道路空洞普查的需求。原因如下：（1）由于城市環(huán)境尤其是地下空間的復(fù)雜性，對(duì)雷達(dá)來(lái)講，既有來(lái)自空中的過街天橋、線纜、交通信號(hào)橫桿、廣告牌等干擾物，又有來(lái)自地下的人行橫道、管線、函溝，還有由于經(jīng)年翻修形成的多變的道路結(jié)構(gòu)等，它們都會(huì)產(chǎn)生雷達(dá)回波從而形成豐富的雷達(dá)圖像。由于空洞成因不同，演變機(jī)理多樣，在空洞形態(tài)上形成規(guī)模大小不一，形狀不規(guī)則，無(wú)明顯走向和延伸等特點(diǎn)。要從紛繁復(fù)雜的雷達(dá)圖像中找出空洞，排除人工設(shè)施干擾的話，最直接的方法就是從二者的走向和延伸形態(tài)上進(jìn)行區(qū)分判別。目前人工單通道探地雷達(dá)技術(shù)要判斷目標(biāo)的形態(tài)，必須對(duì)地面進(jìn)行多測(cè)線掃描探測(cè)，工作量大幅度增加，耗時(shí)費(fèi)力，在探測(cè)方法上還有許多技術(shù)要求。（2）由于分辨率和探測(cè)深度的矛盾，中心頻率高的天線能分辨小目標(biāo)，但探測(cè)深度較��；中心頻率低的天線探測(cè)深度大，但小目標(biāo)容易被“忽略”。上述城市在探測(cè)中，多采用100MHz屏蔽天線進(jìn)行探測(cè)，這極有可能把深度1m以內(nèi)的小空洞漏掉，從而失去采取預(yù)防措施的有利時(shí)機(jī)。（3）單通道天線有效的覆蓋寬度有限，而在同一車道上采用多條測(cè)線進(jìn)行測(cè)試，形成多個(gè)雷達(dá)剖面，在技術(shù)上又難以實(shí)現(xiàn)，工作量也成倍增加。（4）表觀檢測(cè)和雷達(dá)檢測(cè)難以有機(jī)結(jié)合。利用空洞沉降引起的凹陷、裂縫等表觀反應(yīng)是通過雷達(dá)圖像確認(rèn)地下存在空洞的一個(gè)有利佐證。而現(xiàn)有手段，雷達(dá)圖像和表觀現(xiàn)象并不同步記錄。
綜上所述，探地雷達(dá)技術(shù)是解決城市道路塌陷災(zāi)害的必然選擇，但針對(duì)城市道路環(huán)境的復(fù)雜性，在雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)用方法上還需要?jiǎng)?chuàng)新，既要處理好空洞大小和埋藏深淺矛盾，保證有效性；也要解決道路空洞隱患的綜合處理判斷方法，排除虛警，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性；還要提供操作容易，使用簡(jiǎn)單的設(shè)備以及方便與施工部門銜接的結(jié)論，滿足實(shí)用性要求。
2 探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)
針對(duì)近年來(lái)我國(guó)城市道路坍塌事故高發(fā)的趨勢(shì)，在“十一五”期間，我所開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了RDFD-V01車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的探地雷達(dá)陣列檢測(cè)技術(shù)為核心，融合高清晰線掃描圖像檢測(cè)技術(shù)和視頻景象記錄，輔以DGPS和里程計(jì)定位技術(shù)，以機(jī)動(dòng)車輛為平臺(tái)，在巡航車速下對(duì)道路進(jìn)行深度“CT”掃描，實(shí)現(xiàn)“由表及里、由淺入深”的高速精確探測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)道路下方隱伏的空洞，并精確確定它們的位置、深度和范圍等信息，提前預(yù)警道路塌陷災(zāi)害，為市政道路管理部門及時(shí)排除隱患提供有力的技術(shù)手段。
2.1多波段天線陣列設(shè)計(jì)滿足道路空洞探測(cè)需求
2.1.1道路空洞的分布特點(diǎn)
交通部公路工程檢測(cè)中心的專項(xiàng)研究報(bào)告[3]指出，道路表面下方3m以內(nèi)是路基載荷分布區(qū)，當(dāng)空洞等病害進(jìn)入這個(gè)深度范圍內(nèi)時(shí)，才會(huì)影響道路結(jié)構(gòu)和受力。因此，除極少數(shù)特別巨大的空洞外，絕大多數(shù)的具有現(xiàn)實(shí)塌陷危險(xiǎn)的空洞，洞頂至道路表面距離均小于3m。這與城市道路塌陷災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況普遍一致。
北京市近三年塌陷深度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]如表1所示，從中可歸納道路空洞的如下分布特點(diǎn)：
（1）引發(fā)道路塌陷的病源深度集中12 m之內(nèi)，其中0~5 m范圍內(nèi)占80%（表1）�？梢姡菖c人工設(shè)施擾動(dòng)是密切相關(guān)的，管網(wǎng)密集分布的深度范圍恰是塌陷病源的集中區(qū)域，絕大多數(shù)引起城市道路塌陷的空洞均與地下管線相伴生，是最嚴(yán)重的管線次生災(zāi)害。
（2）塌陷發(fā)生時(shí)，空洞頂板的厚度已經(jīng)很小。比如，如果塌陷深度是5m，肯定下面至少有5m深的泥土流失，而這些泥土肯定主要是病源所在深度以上的，可推知，塌陷前洞頂厚度很有可能僅剩余道路自身的結(jié)構(gòu)層。
表1 路面塌陷深度分布表（北京市近三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）
為了驗(yàn)證上述結(jié)論，我們委托哈爾濱工業(yè)大學(xué)依據(jù)城市交通和道路巖土力學(xué)工程研究成果，采用有限元法對(duì)道路空洞的極限承載力進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的和材料特點(diǎn)建立了道路的數(shù)值模型，如表2所示。
判斷道路下方既有孔洞發(fā)生塌陷的評(píng)價(jià)指標(biāo)：
（1）自重應(yīng)力+交通荷載作用下，按莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的洞頂上方的破壞區(qū)或屈服區(qū)貫通至基層底部；
（2）標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，基層底部水平應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)拉破壞。
表3列舉了若干尺寸的空洞臨界塌陷時(shí)空洞頂板的厚度及其脫空范圍�？梢钥闯觯海�1）不同規(guī)模的地下空洞向上發(fā)展到相應(yīng)深度才具有塌陷的可能，即只有規(guī)模足夠大且距離道路地表足夠近的空洞才具塌陷風(fēng)險(xiǎn)；（2）空洞規(guī)模越小，其塌陷臨界頂板厚度越�。唬�3）在塌陷臨界狀態(tài)，洞頂部的脫空范圍會(huì)明顯增大。
表3 空洞尺寸及塌陷臨界時(shí)頂板厚度和脫空范圍
綜上所述，道路空洞發(fā)生、演化的結(jié)果十分有利于發(fā)揮探地雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭斩大w積越大，頂板厚度越小，越有利于采用分辨率高的天線清晰地探測(cè)到空洞。
2.1.2天線陣構(gòu)成單元的深度和分辨能力的設(shè)計(jì)
城市道路塌陷防治要預(yù)防為主，這就要求預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)由空洞演變成塌陷災(zāi)害的前期就能發(fā)現(xiàn)它，因此,選擇天線的深度探測(cè)能力與分辨能力時(shí)要留有余量。在我所研制的10余種天線中，我們選擇中心頻率400MHz、270MHz和100MHz單體屏蔽天線構(gòu)成預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的多波段天線陣（主要性能見表4）。原因在于：（1）首先他們都是屏蔽天線，能有效地抑制來(lái)自道路上空人工設(shè)施的干擾，適用于復(fù)雜的城市環(huán)境；（2）400MHz和270MHz天線既有適中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者結(jié)合基本上保證100%預(yù)先探測(cè)到接近塌陷臨界點(diǎn)的空洞，同時(shí)又能探測(cè)到3m以內(nèi)不具塌陷風(fēng)險(xiǎn)的小空洞，以便在道路日常養(yǎng)護(hù)中及時(shí)消除隱患；（3）100MHz天線主要用于發(fā)現(xiàn)潛伏在道路深層、不具現(xiàn)實(shí)威脅的規(guī)模較大的空洞�？梢�，從天線陣構(gòu)成單元性能上，既保證了具備塌陷風(fēng)險(xiǎn)空洞的探測(cè)能力，又在分辨率和探測(cè)深度上留足了余量，爭(zhēng)取早期發(fā)現(xiàn)空洞隱患，真正起到預(yù)警作用。
表4 不同頻率天線的分辨率和參考探測(cè)深度
說明：上表中探測(cè)深度與探測(cè)區(qū)域土壤的衰減系數(shù)有關(guān)。
2.1.3天線陣排列方式設(shè)計(jì)
天線陣列具有探測(cè)效率高，數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點(diǎn)，但采用天線陣的方式進(jìn)行探測(cè)，不可避免的要遇到天線振子單元之間的互耦與通道串?dāng)_問題，因此需要結(jié)合探測(cè)方式對(duì)天線單元的分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。為保證探測(cè)的準(zhǔn)確性，不存在探測(cè)盲區(qū)，天線單元之間的間距應(yīng)盡量小，即在有效的寬度內(nèi)排列更多的單元，但過小的間距又會(huì)帶來(lái)天線單元之間的耦合和干擾增加，降低系統(tǒng)信噪比，因此需要對(duì)天線單元之間的間距進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行充分的試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)無(wú)遺漏，全面覆蓋的要求。
圖1 天線方向圖
探地雷達(dá)天線一般采用VV極化的工作方式進(jìn)行探測(cè)，即收發(fā)天線振子皆垂直于行進(jìn)方向水平放置，易于對(duì)道面以下的管線、電纜等目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。圖1為單個(gè)天線振子的輻射方向圖，左圖為天線在其行進(jìn)方向上，即H面的方向圖；右圖為行進(jìn)垂直方向上，即E面的方向圖。由天線方向圖可以看出，天線在地面以下的輻射能量分布大致為橢圓形，并且在其正下方即垂線方向的輻射能量最大，即探測(cè)能量最強(qiáng)，越偏離垂線方向，輻射能量越小。根據(jù)計(jì)算與測(cè)試，天線對(duì)地輻射信號(hào)經(jīng)過地下介質(zhì)的衰減與傳播后，其有效探測(cè)區(qū)域基本局限在其1.5倍天線口徑內(nèi)的正下方，大致呈矩形分布。
由圖1中天線E面方向圖可以看出，天線向下輻射的能量主要集中在±30°的角度內(nèi)，設(shè)天線單元之間的間距為d，探測(cè)目標(biāo)深度為h，則：
（1）
實(shí)際天線單元間距應(yīng)小于上式計(jì)算值，而且d必須要大于天線振子長(zhǎng)度，同時(shí)天線間距d又不能過小，以免引起單元之間的互耦。為保證陣列整體的緊湊和天線陣列所允許的最大寬度，針對(duì)公路病害深度探測(cè)需求，通過式（1）進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得到天線單元之間的間距d。
本系統(tǒng)天線陣排列方式如圖2所示，共使用6副天線，中心頻率100MHz、270MHz和400MHz各2副。100MHz天線間距為d3=98.6cm，400MHz天線和270MHz天線間距為d2=47.5cm，400MHz天線間距為d1=40.5cm。
圖2 天線陣排列示意圖
天線陣實(shí)體總寬度185cm，不會(huì)對(duì)旁邊車道行駛的車輛造成阻礙，且具備遇阻力自提升功能，提高了雷達(dá)檢車的機(jī)動(dòng)性，并保證了行駛的安全性。100MHz天線形成的輻射場(chǎng)與270/400MHz天線形成的輻射場(chǎng)寬度相當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)在2.3m寬度內(nèi)無(wú)盲區(qū)檢測(cè)。圖3圓角矩形區(qū)域?yàn)樘炀�有效探測(cè)區(qū)域。
圖3 天線陣輻射場(chǎng)覆蓋區(qū)域示意圖
圖4 天線陣排列及懸掛方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2實(shí)用化設(shè)計(jì)成就道路災(zāi)害預(yù)警利器
2.2.1 情景再現(xiàn)功能
圖5 車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的信息流
當(dāng)RDFR道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，在距離測(cè)量器（DMI）的觸發(fā)下，控制處理中心對(duì)6路探地雷達(dá)、2路路況視頻、1路路面高清圖像和差分GPS信號(hào)同步完成了數(shù)據(jù)采集。在進(jìn)行內(nèi)業(yè)時(shí)，分析員可以選擇同步回放上述所有圖像信息，也可以在三種圖像之間實(shí)現(xiàn)相互檢索。這就是情景再現(xiàn)功能，通過這種功能可以對(duì)異常雷達(dá)圖像進(jìn)行綜合分析判斷，排除周圍設(shè)施、來(lái)往車輛的干擾，查看地表的表觀反應(yīng)等，進(jìn)而確認(rèn)病害的性質(zhì)。同時(shí)，也可以輔助現(xiàn)場(chǎng)定位。
2.2.2全天時(shí)工作能力
針對(duì)城市道路擁擠堵塞的現(xiàn)實(shí)情況，夜晚出來(lái)進(jìn)行探測(cè)作業(yè)既不影響交通，又能盡量保持平直的探測(cè)路線，還能避免來(lái)往車輛的干擾，道路災(zāi)害預(yù)警車均采用了紅外照明的圖像采集子系統(tǒng)，具備了全天時(shí)工作能力，極大地提高了系統(tǒng)的探測(cè)效率。
2.2.3病害定位城市坐標(biāo)化
道路災(zāi)害預(yù)警車采用RTK差分GPS系統(tǒng)對(duì)行車路線進(jìn)行了記錄，定位誤差不大于10cm。在提交的檢測(cè)成果報(bào)告中，病害的位置均采用GPS坐標(biāo)予以描述，極大地方便了施工人員的現(xiàn)場(chǎng)定位。
2.2.4 病害信息分析管理直觀化
在對(duì)道路病害種類進(jìn)行分析后，我們制定雷達(dá)圖像解釋的結(jié)論符號(hào)規(guī)則，即用特定的符號(hào)對(duì)雷達(dá)圖像的異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注后，處理軟件會(huì)自動(dòng)把病害的種類、位置、深度等信息進(jìn)行記錄，每條測(cè)線對(duì)應(yīng)一個(gè)病害記錄報(bào)表。這些報(bào)表可以導(dǎo)入GIS分析平臺(tái)中，分析軟件可以對(duì)對(duì)應(yīng)路段的多條檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行聚類分析，并以病害的種類和密集度以彩色曲線的形式表示出優(yōu)良中差的評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)也可以點(diǎn)擊病害標(biāo)示符查詢病害的具體屬性信息。
3 結(jié)論
本文在分析城市道路空洞分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論述了道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的核心技術(shù)-多波段探地雷達(dá)天線陣列設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的特色功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，由此得出如下結(jié)論：
（1）多波段天線陣的分辨能力和穿透能力既能保證探測(cè)發(fā)現(xiàn)具有塌陷風(fēng)險(xiǎn)的空洞，又充分預(yù)留了淺層小孔洞和深層大空洞的探測(cè)能力，能夠?yàn)榉乐沟缆匪菔鹿侍峁╊A(yù)警預(yù)報(bào)。
（2）多波段天線陣加大了測(cè)線的覆蓋寬度，提高了探測(cè)效率，同時(shí)保證了在城市道路上行駛的機(jī)動(dòng)性和安全性。
（3）針對(duì)城市道路空洞隱患探測(cè)的復(fù)雜性，提供了多方位的專業(yè)特色功能，貫穿了探測(cè)作業(yè)、綜合分析、結(jié)論管理全過程，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。
（4）系統(tǒng)適時(shí)地提供了一種高效的實(shí)用的防治城市道路塌陷的解決方案。
總之，RDFD-V01車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)速度快、探測(cè)深度大、探測(cè)幅面寬、探測(cè)定位精度高，是城市道路下方空洞等道路災(zāi)害全面快速普查的專用裝備。該系統(tǒng)將能夠輔助政府主管部門，為市民安全出行提供保障。
最后建議，采用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行空洞探測(cè)應(yīng)該選擇在秋冬季節(jié)開展探測(cè)作業(yè)。因?yàn)榍锒竟?jié)雨水少，地下水位低，土壤干燥，對(duì)雷達(dá)電磁波的衰減相對(duì)較小，對(duì)保證探測(cè)深度和效果十分有利，同時(shí)也可在雨季來(lái)臨之前發(fā)現(xiàn)并消除隱患，防止最終釀成災(zāi)害性事故。
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