Ground Penetration Radar (GPR) is a reliable and high performance nondestructive testing tool for pavement management in a network level, which requires pavement condition assessment and deterioration modeling. GPR can determine the layer thickness, detect voids, and estimate moisture content of the in-situ soil underlying the pavement. Therefore, it is considered to be a promising tool for the assessment of pavement conditions. Pavement condition information obtained by GPR is very useful to predict the pavement structural capacity and performance. This will further help improve pavement maintenance and rehabilitation strategies and also provide rationalities in allocating available funds. However, the application of GPR in pavement is limited due to incomplete understanding of dielectric properties of pavement materials. This paper presents the state-of-the-art GPR applications in pavement condition assessment and its future development.

1. Ground Penetration RRaaddaarr aass aa TTooooll
ffoorr PPaavveemmeenntt CCoonnddiittiioonn DDiiaaggnnoossttiiccss
DDeesshh RR.. SSoonnyyookk11,, SS..MM.. AASSCCEE
JJiiee ZZhhaanngg22,, MM.. AASSCCEE,, PPhh..DD..,, PP..EE..
22000088
11 GGrraadduuaattee SSttuuddeenntt,, CCiivviill EEnnggiinneeeerriinngg DDeeppaarrttmmeenntt,, NNeeww MMeexxiiccoo SSttaattee UUnniivveerrssiittyy,,
EEmmaaiill:: ddrrssoonnyyookk@@nnmmssuu..eedduu
22 AAssssiisstt.. PPrrooffeessssoorr,, CCiivviill EEnnggiinneeeerriinngg DDeeppaarrttmmeenntt,, NNeeww MMeexxiiccoo SSttaattee UUnniivveerrssiittyy,,
EEmmaaiill:: jjzzhhaanngg@@nnmmssuu..eedduu

2. CCWWCCWWohhoohhoaaaannnttntt i ittististsesee e G GGnGnnnPPPPtttRRtsRRsss????
 BBaacckkggrroouunndd aanndd OObbjjeeccttiivveess
 GGPPRR TTeecchhnnoollooggyy
 GGPPRR WWaavvee aanndd MMaatteerriiaall PPrrooppeerrttiieess
 AApppplliiccaattiioonnss
 CCoonncclluussiioonnss
 FFuuttuurree RReesseeaarrcchh

3. BBBBaaaacccckkkkggggrrrroooouWWuuWWunhnhnhnhaaadaddtdttt i i si saassaa G GnnGGnnPPPdPdddRRRR ? P?PPuuuurrrrppppoooosssseeee
BBaacckkggrroouunndd
 GGPPRR ccaann ddeetteerrmmiinnee tthhee llaayyeerr tthhiicckknneessss,, ddeetteecctt
vvooiiddss,, aanndd eessttiimmaattee mmooiissttuurree ccoonntteenntt
 IItt ccaann ooppeerraattee iinn hhiigghhwwaayy ssppeeeedd
 IItt pprroovviiddeess ccoonnttiinnuuoouuss ssuurrvveeyy ooff ppaavveemmeennttss
OObbjjeeccttiivveess
 TToo pprreesseenntt tthhee ssttaattee--ooff--tthhee--aarrtt GGPPRR aapppplliiccaattiioonnss
iinn ppaavveemmeenntt ccoonnddiittiioonn aasssseessssmmeenntt aanndd iittss ffuuttuurree
ddeevveellooppmmeenntt

4. GGGGPPPPRRRR TTTTeeeecccchhhhnnnnoooollllooooggggyyyy
Electromagnetic frequency range: 10 MHz to a
few GHz.

5. GGGGPPPPRRRR TTTTeeeecccchhhhnnnnoooollllooooggggyyyy…………ccccoooonnnnttititnniinnuuuueeeedddd
Types of GPR:
 AAiirr--CCoouupplleedd ((HHoorrnn
oorr LLaauunncchheedd))
AAnntteennnnaa ((AAll--QQuuaaddii
eett aall..,, 22000066))
 GGrroouunndd--CCoouupplleedd
AAnntteennnnaa ((AAll--QQuuaaddii
eett aall..,, 22000066))

6. GGGGPPPPRRRR TTTTeeeecccchhhhnnnnoooollllooooggggyyyy…………ccccoooonnnnttititnniinnuuuueeeedddd
Types of GPR:
Penetration
Capabilities
and
Resolutions
Impulse GPR Step Frequency GPR
Depth of Investigation
High f Medium f Low f
High
resolution
Medium
resolution
Low
resolution

7. GGGGPPPPRRRR WWWWaaaavvvveeee aaaannnndddd MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll PPPPrrrrooooppppeeeerrrrttttiiiieeeessss
Velocity
Amplitude
Frequency
Dielectric constant
Dispersion
Depth
Thickness
Moisture
content
Density
EM Wave
Properties
Estimated
Parameters
Material
Properties

8. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss
 PPaavveemmeenntt llaayyeerrss tthhiicckknneessss mmeeaassuurreemmeennttss
 MMooiissttuurree ddeetteeccttiioonn aanndd ddeetteerriioorraattiioonn
 SSuubbssuurrffaaccee ddeeffeeccttss ((ee..gg..,, ssttrriippppiinngg zzoonneess aanndd
ttrraappppeedd mmooiissttuurree))
 IInnppuutt ddaattaa ttoo FFWWDD mmeeaassuurreemmeenntt
 AAsspphhaalltt aaiirr vvooiidd ccoonntteenntt
 SSuubbssuurrffaaccee aannoommaalliieess
 MMaappppiinngg uunnddeerrggrroouunndd uuttiilliittiieess

9. GGGGPPPPRRRR LLLLaaaayyyyeeeerrrr AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss LLLLaaaayyyyeeeerrrr CCCCaaaallllccccuuuullllaaaattttiiiioooonnnn
TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss
AAll--QQaaddii eett aall.. 22000066 [[11]]::
r i
i
d ct
i
, 2 e
=
( ) ( ) , 1 , , 1 , / i r i r i r i r i A e e e e + + = - +
a 1.69
s
e
r
=
Ao
A0
Surface
Base
Subgrade
t1
t2
A2
A3
Time
r,1 e
r,2 e
r,3 e
t3
d = depth; c = speed of light in free space (m/s)
t = two-way travel time; ε= dielectric constant
A = amplitude; i = number of layers; a = attenuation (db/m);
σ = electrical conductivity in mS/m

10. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: LLLLaaaayyyyeeeerrrr TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss
(Source: http://www.cait.rutgers.edu)

11. GGGGPPPPRRRRLLLL AaAaAaAayypypyppeeeepppprrrrll l li i TiTicTcTcchhaahhaaiittiittcciicciioookokkknnnnnnnnsseessee::ss::ss LLssLLssa a CCCCyyyyaaeeaaeellrrllrcrcc c TTuuTTuuhhllhhllaaaaiiiictctctctiiikikookkoonnnnnnnneeeessssssss
LLaayyeerr ttyyppee AAccccuurraaccyy
New Asphalt ±3.0%
Old Asphalt ± 5.8%
Concrete (if dry) JPCP
CRCP
± 2.3%
± 3.0%
Granular base ± 12.0%

12. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll PPPPrrrrooooppppeeeerrrrttttiiiieeeessss
MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll PPPPrrrrooooppppeeeerrrrttttiiiieeeessss
 DDiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt::
AAiirr == 11..00;; AAggggrreeggaattee ≈≈ 66..00;; AAsspphhaalltt 55 –– 88 ((ddrryy)) aanndd 112
((wweett));; WWaatteerr ≈≈ 8800
 SSiiggnniiffiiccaanntt ddeeppaarrttuurree ooff ε ffrroomm tthhee mmeeaann vvaalluuee
iinnddiiccaatteess eeiitthheerr hhiigghh oorr llooww mmooiissttuurree ccoonntteenntt
 IInn--ssiittuu mmaatteerriiaall pprrooppeerrttiieess (( mmooiissttuurree ccoonntteenntt
aanndd rreellaattiivvee ccoommppaaccttnneessss))
 CChhaannggeess iinn ddiieelleeccttrriicc pprrooppeerrttiieess rreefflleeccttss
mmaatteerriiaall ddeetteerriioorraattiioonn

13. GGGGPPPPRRRR EEEEssssttttiiiimmmmaaaattttiiiinnnngggg AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: MMMMaaaatttteeeerrrriiiiaaaallll WWWWaaaatttteeeerrrr PPPPrrrrooooppppeeeerrrrttttiiiieeeessss
CCCCoooonnnntttteeeennnntttt
Volumetric Water Content (θv)
Roth et al. (1990):
1/2 1/2 1/2
q = e - - n e -
ne
(1 ) solid air
1/2 1/2
v
e -
e
water air
ε = bulk dielectric
constant of material
εair, εwater, εsolid are
dielectric constant of
the air, water, and
solid
ε’ and ε” are real and
imaginary parts
n = porosity
Topp et al. (1980):
( 5.3 10 2 ) (2.92 10 2 ) (5.5 10 4 2 ) (4.3 10 6 3) v q = - ´ - + ´ - e - ´ - e + ´ - e
Assumption:
e =e ' +e '' where e '' = e '

14. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: DDDDeeeeffffeeeeccccttttssss
Asphalt with
stripping defects
Asphalt layer
Subgrade
(Source: http://www.tpa-konferencia.hu)
(Source: http://training.ce.washington.edu
Voids are identified by large
positive (high density or water)
or negative reflection amplitude
(low density or air)

15. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: DDDDeeeeffffeeeeccccttttssss
Deflection (mm)
Weak places bellow surface sing FWD analysis in places
with strong reflection amplitude
(Source: http://www.tpa-konferencia.hu)

16. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: CCCCoooonnnnddddiiiittttiiiioooonnnn AAAAsssssssseeeessssssssmmmmeeeennnntttt
CCCCoooonnnnddddiiiittttiiiioooonnnn AAAAsssssssseeeessssssssmmmmeeeennnntttt
EM Velocity/
Frequency/
Amplitude
Dielectric
constant
/Dispersion
Water
content/Density
/Thickness
DDeetteerriioorraattiioonn

17. GGGGPPPPRRRR AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnn AAAApppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss:::: iiiinnnn MMMM----MMMM----EEEE EEEE DDDDeeeessssiiiiggggnnnn
DDDDeeeessssiiiiggggnnnn
 PPaavveemmeenntt tthhiicckknneessss,, wwaatteerr ccoonntteenntt,, aanndd rreellaattiivvee
ccoommppaaccttnneessss
 IImmpprroovvee aaccccuurraaccyy ooff FFWWDD// RRWWDD mmeeaassuurreemmeennttss
 RReedduuccee rreeqquuiirreedd nnuummbbeerr ooff ccoorriinngg
 CCoonnttiinnuuoouuss pprrooffiillee ooff ppaavveemmeenntt llaayyeerrss
 IIddeennttiiffyy aarreeaass ooff ppoooorr ppaavveemmeenntt ccoonnddiittiioonnss

18. LLLLiiiimmmmiiiittttaaaattttiiiioooonnnnssss
 GGPPRR ssiiggnnaall aatttteennuuaattiioonn aanndd lliimmiittaattiioonn iinn ddeepptthh
ooff ppeenneettrraattiioonn
 RReeqquuiirreess ffaaiirrllyy uunniiffoorrmm ssooiill ffoorr mmooiissttuurree
eessttiimmaattiioonn
 CCoommpprroommiissee bbeettwweeeenn ppeenneettrraattiioonn ddeepptthhss aanndd
ttaarrggeett rreessoolluuttiioonnss..

19. CCCCoooonnnncccclllluuuussssiiiioooonnnnssss
 TThhiicckknneessss aaccccuurraaccyy ffrroomm ±±22..99%% ttoo ±±1122%%
 RReedduucceess rreeqquuiirreedd nnuummbbeerr ooff ccoorriinngg
 VVoolluummeettrriicc wwaatteerr ccoonntteenntt aanndd rreellaattiivvee ddeennssiittyy ooff
tthhee iinn--ssiittuu mmaatteerriiaall
 IIddeennttiiffyy aarreeaass ooff ppoooorr ppaavveemmeenntt ccoonnddiittiioonnss
 TThhiicckknneessss iinnffoorrmmaattiioonn ccaann bbee uusseedd ttooggeetthheerr
wwiitthh FFWWDD mmeeaassuurreemmeenntt ttoo bbaacckk--ccaallccuullaattee tthhee
ddeefflleeccttiioonn aanndd eellaassttiicc mmoodduullii

20. FFFFuuuuttttuuuurrrreeee RRRReeeesssseeeeaaaarrrrcccchhhh
 SSttuuddyy oonn iinntteerraaccttiioonnss bbeettwweeeenn EEMM ssiiggnnaallss aanndd
ppaavveemmeenntt mmaatteerriiaallss mmeecchhaanniiccaall cchhaarraacctteerriissttiiccss::
- WWaavvee ffrreeqquueennccyy
- IImmaaggiinnaarryy ppaarrtt ooff ddiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt ((ddiissppeerrssiioonn))
- MMooiissttuurree ccoonntteenntt
- PPaavveemmeenntt ddeetteerriioorraattiioonn

21. RRRReeeeffffeeeerrrreeeennnncccceeeessss
Al-Quadi, I.L., Kun, J., and S. Lahouar. Analysis Tool for Determining
Flexible Pavement Layer Thickness at Highway Speed. In 85th Annual
Meeting. CD-ROM. Transportation Research Board of the National
Academics, Washington, D.C., 2006, pp. 1-13.
Al-Qadi, I.L., Lahouar, S., Jiang, K., MeGhee, K.K., and Mokarem, D.
Validation of Ground Penetration Radar Accuray for Estimating
Pavement Layer Thicknesses. In 84th Annual Meeting. CD-ROM.
Transportation Research Board of the National Academics,
Washington, D.C., 2005, pp. 1-25.
Liu, R., Li, J., Chen, X., Xing, H., Ekbote, A., and Y. Wang. Investigation
of New Generation of FCC Compliant NDT Devices for Pavement
Layer Information Collection. Publication FHWA/TX-05/0-4820. FHWA,
U.S. Department of Transportation, 2006
Topp, G.C., Davis J.L., and A.P. Ann. Electromagnetic Determination
of Soil Water Content: Measurements in Coaxial Transmission Lines.
Water Resources Research, Vol. 16, No. 3, 1980, p.p. 574-582.

22. AAAAcccckkkknnnnoooowwwwlllleeeeddddggggeeeemmmmeeeennnntttt
 FFuunnddiinngg SSoouurrcceess::
 EEiisseennhhoowweerr GGrraadduuaattee FFeelllloowwsshhiipp,, FFHHWWAA
 AAssssoocciiaatteedd SSttuuddeennttss ooff NNeeww MMeexxiiccoo SSttaattee UUnniivveerrssiittyy ((AASSNNMMSSUU))
 CCiivviill EEnnggiinneeeerriinngg DDeeppaarrttmmeenntt,, NNeeww MMeexxiiccoo SSttaattee UUnniivveerrssiittyy
 GGrraadduuaattee SScchhooooll,, NNeeww MMeexxiiccoo SSttaattee UUnniivveerrssiittyy
 RReesseeaarrcchh TTeeaamm::
 DDrr.. JJiiee ZZhhaanngg,, PPrrooff..,, CCiivviill EEnnggiinneeeerriinngg
 BBiinn ZZhhaanngg,, CCEE GGrraadduuaattee SSttuuddeenntt

23. TTHHAANNKK YYOOUU
FFOORR
YYOOUURR AATTTTEENNTTIIOONN

25. LLLLaaaayyyyeeeerrrr TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss CCCCaaaallllccccuuuullllaaaattttiiiioooonnnn
d = v´t / 2
/ r v = c e
a 1.69
s
e
r
=
C=3×108 m/s,
V = velocity in m/s,
εr = dielectric constant (dimensionless),
a = attenuation in decibels/m (db/m),
σ = electrical conductivity in mS/m

26. LLLLaaaayyyyeeeerrrr TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss CCCCaaaallllccccuuuullllaaaattttiiiioooonnnn
2
1 ,
1
1
ö
÷ ÷ ÷ ÷ ÷
ø
æ
ç ç ç ç ç
è
+
-
=
A
o
p
A
A
o
p
r
A
e
2
1
å
2
1
2
1
2
1
2
, , 1
1
1
ö
÷ ÷ ÷ ÷ ÷ ÷
ø
æ
ç ç ç ç ç ç
è
ö
ö
A
i
A
g
- + ÷ ÷
ø
æ
-
æ
-
ç ç
è
+ + ÷ ÷ ø
ç ç
è
=
-
-
=
-
-
=
-
å
p
A
A
n
i
p
n
i
i
A
o
A
o
p
p
n
p
n
i
i
p
r n r n
A
A
A
A
A
A
g
e e
+
e -
e
r i r i
, , 1
+
i e +
e
, , 1
=
r i r i
g
εr,1 = dielectric
constant of the top
layer
Ao = amplitude of
the surface
reflection
Ap = amplitude of
the reflected signal
collected over flat
metal plate
γi represents the reflection
coefficients between the
ith, and (i+1)th
((22))
((33))
((44))
AAll--QQaaddii eett aall.. 22000066 [[11]]::

27. LLLLaaaayyyyeeeerrrr TTTThhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss CCCCaaaallllccccuuuullllaaaattttiiiioooonnnn
HMA dielectric constant could be estimated
using:
εa: HMA dielectric constant
Ainc: Maximum amplitude of the incident wave. It is
obtained by collecting data over a copper plate placed
on the surface of the pavement
Aa: Maximum amplitude reflected from the HMA surface

28. Gravimetric water content: mass of water per unit mass of dry soil
g w s w =q = M / M
Volumetric water content: volume of water per unit volume of soil.
v w s q = V /V
Relationship between gravimetric to volumetric water content:
ö
÷ ÷ø
æ
ç çè
ö
= ÷ ÷ø
æ
ç çè
r
/
w w
w
M
V
= = =
r
b
w
g
r
w b
s w
v M
s b
s
M
M
V
r
q
r
r
q
/
b r b r
where, is bulk density. Soil bulk density
M
t
s
r = Mass of dry soil (solid) =
b Total volume
V
nS v q =
is used for density soil (solid).
The volumetric water content is also expressed in terms of the porosity, and the degree of
saturation, S, (or saturation ratio), according to the following expression:
Measurement Methodology:
wet dry
t w
w
V
v V
t
W W
V
r
q
-
= =
SSSSooooiiiillll WWWWaaaatttteeeerrrr CCCCoooonnnntttteeeennnntttt

29. CCoonntt.. GGPPRR WWaavvee aanndd MMaatteerriiaall PPrrooppeerrttiieess……CCoonntt..
 Arrival ttiimmee //aammpplliittuuddee DDiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt
 DDiieelleeccttrriicc ccoonnssttaanntt mmooiissttuurree ccoonntteenntt
//RReellaattiivvee ccoommppaaccttnneessss
 EEMM ssiiggnnaall aammpplliittuuddee VVooiiddss//DDeellaammiinnaattiioonn