層厚檢測雷達在湖南干線公路上的應用

施興華，鄧志斌，于景蘭

(1.中國電波傳播研究所，山東青島 266107;2.湖南省公路管理局，湖南長沙 410011)

“十一五”期間我國公路建設取得了突飛猛進的發展，以湖南省為例到2010年底累計完成通車3 000 km，其中大部分為水泥混凝土路面。這使得新建道路的質量檢測任務日益加重。但原有的以鉆芯取樣為主的傳統公路質量檢測方法不僅效率低、偶然性大、代表性差，而且對公路具有很大的破壞。為此急需發展快速、有效、無損的公路檢測技術。

層厚雷達是一種利用地下介質的介電特性來探測地下目標的有效工具，具有高效、高分辨率、操作靈活方便、無損等優點。層厚檢測雷達在公路工程質量無損檢測中的應用，克服了原有檢測方法效率低、代表性差、成本高等不足，為新建公路、改擴建公路的質量評定提供了一種準確、快捷的檢測方法。

本文以LTD公路層厚檢測雷達在湖南水泥混凝土路面檢測工程為實例，對雷達厚度檢測中的常見技術問題做了說明，詳細分析了誤差的來源并提供了解決的辦法。

1 層厚檢測雷達原理［1］

層厚檢測雷達是探地雷達專業化的一個分支。探地雷達是通過向地下發送脈沖形式的高頻寬帶電磁波來確定介質內部分部規律。電磁波在地下介質傳播過程中，當遇到存在電性差異的地下目標體，如空洞、分界面時，電磁波便發生反射和折射，返回到地面時被接收天線所接收。在對接收到的雷達波信號處理和分析的基礎上，根據信號波形、強度、雙程走時等參數便可以推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而達到對地下隱藏目標物的探測。［2］

對面層厚度檢測而言，就是通過得到電磁波在各結構層的交界面的反射時間和各結構層內的傳播速度計算得到，因此厚度檢測的關鍵，首先是確定各結構層界面的回波時間，其次要確定電磁波在各結構層內的傳播速度。圖1為層厚檢測雷達檢測路面結構層厚度的原理圖。圖中R0為電磁波與空氣—面層界面產生的反射波;R1為面層—基層界面產生的反射波;R2為基層—土基界面產生的反射波;Δt1為電磁波在面層中的往返時間;Δt2為電磁波在基層中的往返時間。

圖1 層厚檢測雷達在公路層厚檢測的原理圖

速度與電磁波在結構層中往返時間一半的乘積，即該結構層的厚度。面層厚度為:

基層厚度為:

其中C為電磁波在真空中的速度，ε1和ε2分別為面層和基層的介電常數。

2 厚度檢測實例

2.1 設備選擇

在公路路面層厚檢測中，使用層厚檢測雷達一體化設計比常用的車載空氣耦合天線配合雷達主機的方式更加方便，更加經濟。而且省去了裝卸車載的架子麻煩，同時能比空氣耦合天線穿透更深，獲取更多的信息。

公路層厚檢測雷達是以雙通道超寬帶雷達為基礎，以公路層厚檢測軟件為核心，以距離傳感器為輔助，以便攜式手推車為工具，實現公路層厚的檢測、分析。見圖2所示，其中的數據處理單元包含對雙通道雷達的實時控制，并且可以在檢測現場使用數據處理單元的層厚檢測軟件直接給出層厚數據。

圖2 公路層厚檢測雷達示意圖

其中雙通道雷達由1 500 MHz地面耦合天線和900 MHz地面耦合天線組成。1 500 MHz地面耦合天線在檢測中分辨率較高，而900 MHz天線具有較深的穿透能力，把兩者的數據結合分析就可以同時滿足分辨率和探測深度的要求。

2.2 波速標定

要減少測量誤差必須對波速進行精確標定，目前最常用的就是采用鉆芯的方法標定混凝土路面的波速。沿公路厚度檢測的測線上采集一個靜態數據，在本次檢測中通過鉆芯機得到水泥混凝土路面的厚度h=30 cm，并根據靜態數據(見圖3)從雷達圖譜上得到電磁波在混凝土中的雙層走時t=6 ns就可以得到波速v=2h/t=10 cm/ns。

圖3 靜態數據剖面及波形

2.3 數據采集實例

2010年12月使用LTD公路層厚檢測雷達在湖南常德207國道樟木橋到界牌段進行現場檢測。測線總長度為500 m;采樣間隔為10 cm;選用20 ns的時窗;每次掃描采樣點為512個;采用輪測的方式采集數據。在檢測現場將實測數據使用數據處理單元的層厚檢測處理軟件經過標記歸一化和道標準化、濾波等處理后，再使用公路工程評價模塊的層位自動追蹤功能會得到如下圖像(見圖4)。

圖4 雷達圖譜中的層厚曲線

從圖中可以清晰地看到水泥混凝土面層與基層的分界。

由層厚檢測處理軟件中的公路工程評價模塊得到的“公路面層厚度檢測明細表”(如圖5)。

這里軟件直接給出了《公路工程質量檢驗評定標準》規定的路段設計值、平均值、代表值以及起始里程和終止里程。

在207國道的檢測期間還進行了現場鉆芯驗證，如圖6所示，并對由軟件中給出的雷達估計值和鉆芯的實際值進行了比較，結果如表1。

圖5 公路面層厚度檢測明細

圖6 鉆芯現場圖片

表1 鉆芯厚度與GPR估計厚度對比表

所有的數據都是由公路層厚檢測雷達在現場得到的，而不需要像通用的探地雷達計算那樣需進行事后分析。這種方法大大提高了公路檢測管理部門的工作效率。

3 誤差分析

3.1 波速誤差

采用鉆芯標定的方法可以得到該點的波速，但是由于水泥混凝土的配比并非完全一樣，即使是相同的路段也會存在不同的波速。如檢測30 cm的混凝土面層，假設A點的波速為:V1=10.1 cm/ns，而離A點3 km處的B點的波速V2=10.2 cm/ns。如果B點的波速用A點來代替的話，對于3個ns單程傳播時間來說就會有3 mm的誤差。因此解決的辦法是在這3 km的檢測路段分前后各鉆一個芯，并以這兩個芯的平均值來求得波速以代表整個路段的波速:V=(V1+V2)/2=10.15 cm/ns。

一般采用鉆芯標定時都采用v=2h/t來計算波速，其中h為垂直鉆芯厚度;t為電磁波雙程傳播時間。但由于天線的偏移距存在天線的發射接收路徑是由圖7所示，得到的傳播距離為:

計算得到的波速為:

圖7 波速計算圖

例如，對于900 MHz天線的收發距離為15 cm。混凝土的深度為30 cm，假設單程傳播時間為3 ns。采用v=2h/t得到的波速為:

V1=30 cm/3 ns=10 cm/ns

而采用式(4)得到的波速為:

如果用這個波速去檢測單程走時為2.9 ns的公路路面厚度時，采用V1波速得到厚度為29 cm，而采用V2得到的厚度為:

誤差為0.5 mm，這點誤差在公路層厚檢測中可以忽略，而且由于采用v=2h/t計算波速比較簡單，故在公路層厚檢測雷達中同樣使用該公式來計算波速。

3.2 采樣率誤差

由于水泥混凝土本身是以水泥、砂、碎石和水攪拌而成的，它與下面的基層的界面沒有瀝青與基層的界面那么清楚，如果選錯了反射界面會造成嚴重的誤差，而且對于900 MHz天線來說選用20 ns的時窗，每次掃描采樣點為 512個，采樣率 Δt=0.039 ns，對于波速為10 cm/ns可以得到兩個采樣點的距離為d=Δt×v=0.39 cm，即有一個采樣點的偏差就會有3.9 mm誤差。

由采樣率引起的誤差公路層厚檢測雷達中的處理軟件自動修正，該軟件可以自動追蹤層位中的峰值點，避免了采樣率的誤差。但是由介質變化引起的相位反向還是要靠經驗人工判斷層位的位置。

3.3 其他誤差

由于電子器件的固有誤差以及高頻噪聲的干擾使發射天線和接收天線之間存在不可避免的誤差，造成了在混凝土檢測中的誤差。

另外在鉆芯取樣中由于芯樣底界的不規則，也會出現誤差(如圖8)。對于這種情況只能采用多次測量取平均值來代替。

圖8 不規則的芯樣

4 結論

在湖南干線公路的水泥混凝土路面檢測過程中，使用LTD系列層厚檢測雷達對路面厚度進行了檢測。研究結果表明:雷達估計誤差與實際鉆芯檢測結果完全能滿足1 cm的誤差要求，平均誤差在1.7%左右，小于國家標準的3%;在檢測現場結合配套的處理軟件對雷達數據進行分析，能幫助檢測人員更有效、更準確的分析數據。

使用層厚檢測雷達對路面厚度進行快速無損準確檢測，配合的專用層厚處理軟件能現場定位，大大降低了人力成本，提高準確度。而且同一般的通用探地雷達儀器比較具有方便性、經濟性、專業性等優點。同時也為公路質量管理部門提供了第一手的檢測數據，便于對道路的監督和管理。

［1］曾昭發，劉四新，王者江，等.探地雷達方法原理及應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［2］楊 峰，張全升，等.公路路基地質雷達探測技術研究［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］李大心.公路工程質量的探地雷達檢測技術［J］.地球科學——中國地質大學學報，1996，21(6):661-664.

［4］中國電波傳播研究所.LTD探地雷達操作手冊［Z］，2010.

［5］趙永貴.地質雷達講義［Z］.2009.