基于市政道路三維探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)研究

郭克慧

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)脈的道路建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展。但配套的管理與維護(hù)沒(méi)有相應(yīng)地跟上，多地發(fā)生多起路面塌陷事件，嚴(yán)重影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序，為道路安全問(wèn)題敲響了警鐘。道路塌陷往往由脫空逐漸擴(kuò)大而引發(fā)，具有隱蔽性、突發(fā)性、危害性，成為城市治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而傳統(tǒng)路基監(jiān)測(cè)手段已很難滿(mǎn)足大規(guī)模、高效率、高精度以及無(wú)損的道路養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)需求。三維探地雷達(dá)作為近幾年發(fā)展起來(lái)的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，具有分辨率高、探測(cè)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、異常定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于道路地下病害探測(cè)。三維探地雷達(dá)具有三維陣列天線(xiàn)排列、操作輕便高效、真三維數(shù)據(jù)體采集和更高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)空洞、脫空等道路病害體具有更高的測(cè)量精度和探測(cè)效果。因此，開(kāi)展道路三維探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)探地雷達(dá)三維探測(cè)與解釋技術(shù)具有的重要的指導(dǎo)意義，

關(guān)鍵詞：市政道路;三維探地雷達(dá);檢測(cè)技術(shù)

引言

在近幾十年的發(fā)展歷程中，我國(guó)國(guó)內(nèi)的道路建設(shè)及其相關(guān)的事業(yè)，獲得了極為快速的發(fā)展，新型結(jié)構(gòu)，新型應(yīng)用材料，新型技術(shù)工藝層出不窮，但是在側(cè)重于集中力量投入發(fā)展建設(shè)的同一時(shí)間，當(dāng)前已經(jīng)檢測(cè)到的道路結(jié)構(gòu)的使用載荷也在日趨增長(zhǎng)。一大批固有的橋梁和道路相繼的步入老化期，無(wú)用期。因而，為了可以確切的保障道路橋梁構(gòu)造的路線(xiàn)安穩(wěn)牢固的運(yùn)營(yíng)開(kāi)展，有需求也有必要對(duì)道路檢測(cè)工程提出更高階段的規(guī)范和要求，道路檢測(cè)也會(huì)日趨重要。本文簡(jiǎn)要的介紹三維探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，為供相關(guān)人員參考。

1、三維探地雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

與其他類(lèi)型的技術(shù)相比三維探地雷達(dá)的獨(dú)特性在于在開(kāi)展工作的過(guò)程中能夠在很大程度上對(duì)路面形成保護(hù)，不會(huì)導(dǎo)致路面損傷現(xiàn)象的發(fā)生。探地雷達(dá)檢測(cè)法探地雷達(dá)檢測(cè)法是以某個(gè)不變的波速穿透被測(cè)量橋梁的表面，聲波以相對(duì)較短的脈沖持續(xù)不斷地傳播，被檢測(cè)物體表面結(jié)構(gòu)反射信號(hào)到檢測(cè)設(shè)備接收器，檢測(cè)設(shè)備根據(jù)所搜集信息的不同信號(hào)對(duì)應(yīng)不同介電常數(shù)，連續(xù)檢測(cè)信號(hào)振幅、頻率等反饋材料材質(zhì)的有效截面，物體形狀、層厚度、掩埋特征等是影響脈沖信號(hào)傳播的主要因素。探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)通常用于測(cè)量定位管道，完成加固區(qū)測(cè)量，該檢測(cè)方法較為安全可靠，高頻電磁脈沖通過(guò)天線(xiàn)傳播，傳播界面發(fā)生變化時(shí)部分電磁波會(huì)產(chǎn)生反射折射，此時(shí)接收器會(huì)記錄介電常數(shù)變化情況，相同外殼中的發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)采用單聲道操作，天線(xiàn)頻率范圍100-150MHz，通過(guò)集成系統(tǒng)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)的雷達(dá)追蹤，并快速測(cè)繪出空洞與剝離程度，探地雷達(dá)技術(shù)在路橋工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍更廣，特別是在測(cè)量大量處于惡劣環(huán)境的通道結(jié)構(gòu)或者混凝土橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，可以精準(zhǔn)定位金屬管道，測(cè)量速度更快，在很大程度上保證路橋工程質(zhì)量安全性。

2、道路橋梁進(jìn)行檢測(cè)的原因分析

道路橋梁需要進(jìn)行定期檢測(cè)的主要原因有以下三方面。第一，在道路橋梁建設(shè)的過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，只能代表當(dāng)時(shí)道路橋梁的質(zhì)量，并不能夠滿(mǎn)足道路橋梁長(zhǎng)期使用的要求，由于道路橋梁在投入運(yùn)行以后，需要長(zhǎng)期承受不同車(chē)輛造成的荷載，僅僅檢測(cè)路面平整度和車(chē)輛運(yùn)行情況是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此需要采取有效的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，這樣才能夠保障道路橋梁長(zhǎng)期安全的運(yùn)行;第二，道路橋梁是溝通不同地區(qū)之間聯(lián)系的基礎(chǔ)，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，保證道路橋梁的安全性具有重要的意義，進(jìn)行定期檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，便于采取措施將安全隱患扼殺在萌芽之中;第三，道路橋梁在建設(shè)的過(guò)程中，由于一些建設(shè)方缺乏誠(chéng)信，所使用的建筑材料質(zhì)量較差，完全不能滿(mǎn)足道路橋梁長(zhǎng)期運(yùn)行的要求，尤其是在投入運(yùn)行一段時(shí)間以后，往往會(huì)出現(xiàn)地面凹陷、裂紋等情況，甚至還會(huì)導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，嚴(yán)重危害到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)行定期檢測(cè)，能夠有效減少質(zhì)量問(wèn)題所造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。

3、三維探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1數(shù)據(jù)收集

運(yùn)用車(chē)載三維地基穿透雷達(dá)系統(tǒng)能夠快速完成市政道路掃描，在進(jìn)行市政道路掃描過(guò)程中掃描車(chē)輛速度可達(dá)60km/h～80km/h。在確保設(shè)備安全使用的前提下，研究道路狀況、獲取參數(shù)、檢測(cè)速度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，確定三維地面穿透雷達(dá)在數(shù)據(jù)獲取中的基本數(shù)據(jù)參數(shù)。根據(jù)不同的檢測(cè)任務(wù)（空洞檢測(cè)、管線(xiàn)檢測(cè)、非金屬管線(xiàn)檢測(cè)等），研究三維地面穿透雷達(dá)的最佳檢測(cè)參數(shù)，檢測(cè)最佳檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括檢測(cè)疊加時(shí)間、縱向采樣間隔等核心參數(shù)。每個(gè)采樣點(diǎn)多次收集疊加次數(shù)的數(shù)量，采用平均值排除噪聲信號(hào)影響，但疊加次數(shù)的增加會(huì)影響收集速度。采樣間隔是雷達(dá)行進(jìn)方向的采樣間隔，影響水平界面的雷達(dá)分辨率。通常，目標(biāo)上至少有三個(gè)采樣點(diǎn)，即目標(biāo)物長(zhǎng)度小于1/3采樣間隔。

3.2數(shù)據(jù)處理

為了提高信噪比和增強(qiáng)地下目標(biāo)信號(hào)的辨識(shí)度，通常需要對(duì)原始的雷達(dá)圖像進(jìn)行處理。本文主要對(duì)原始雷達(dá)圖像進(jìn)行了零時(shí)校正、去背景、增益、帶通濾波和偏移處理。每個(gè)步驟的詳細(xì)流程如下：（1）零時(shí)校正。零時(shí)校正的目的是修正雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)延，使得地面反射信號(hào)基本處在零時(shí)刻的位置。（2）去背景。采用減平均道的方式去除雷達(dá)剖面中水平背景信號(hào)，即對(duì)雷達(dá)剖面圖中所有道數(shù)據(jù)取平均，再?gòu)拿康罃?shù)據(jù)中減去。（3）增益。為了補(bǔ)償電磁波在擴(kuò)散和傳播過(guò)程中能量損失，更加清晰地顯示深處的目標(biāo)信號(hào)，研究使用線(xiàn)性增益和指數(shù)增益處理雷達(dá)數(shù)據(jù)。其中，線(xiàn)性增益是為了補(bǔ)償波前擴(kuò)散導(dǎo)致的雷達(dá)波幅值衰減，指數(shù)增益是為了補(bǔ)償雷達(dá)波在有耗介質(zhì)中的衰減。（4）帶通濾波。使用通帶為100～500MHz的帶通濾波器進(jìn)行濾波，以抑制雷達(dá)圖像中的低頻和高頻噪聲。（5）偏移處理。分別使用二維偏移和三維偏移進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二維偏移的處理對(duì)象是單個(gè)二維剖面圖，三維偏移的處理對(duì)象則是整個(gè)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)。偏移速度取0.08m·ns-1，即地下介質(zhì)中雷達(dá)波速的估計(jì)值。

3.3異常識(shí)別

分析市政道路病害及其影響范圍在其的主要道路區(qū)域普遍發(fā)生的地基坍塌規(guī)模遠(yuǎn)大于輔助道路面積。在汽車(chē)車(chē)道上，長(zhǎng)時(shí)間推壓路面、振動(dòng)的車(chē)輛較多，路面下的空隙等疾病的隱藏危險(xiǎn)逐漸增加，土壤層逐漸失去連接應(yīng)力，路面的瀝青層失去支撐力，引起了廣泛的道路病害。但是，人行道的病害主要是由路面和地面磚下不均勻、密集的回填土壤引起的。有些區(qū)域位于綠色皮帶的邊緣。長(zhǎng)期灑水會(huì)增加人行道下的土壤層含水量，造成人行道下的土壤層損失，形成空隙。城市地下疾病的種類(lèi)分為空洞病、空化病、松散病、水豐富的異常等。缺陷程度（包括疾病平面范圍、縱向擴(kuò)展、頂表面埋沒(méi)深度和疾病組合）的因素對(duì)道路塌陷和損傷程度有不同的影響。

結(jié)束語(yǔ)

市政道路工程是一項(xiàng)長(zhǎng)期且極其復(fù)雜的工程項(xiàng)目，受到諸多不確定因素的影響，需要在確保工程整體施工質(zhì)量的同時(shí)，利用三維探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)嚴(yán)格測(cè)量監(jiān)測(cè)建設(shè)施工是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，還要檢測(cè)工程材質(zhì)的質(zhì)量安全性，防止市政道路工程形變，以此保證市政道路工程整體建設(shè)質(zhì)量。

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