淺談短脈沖雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代公路路面檢測(cè)中的應(yīng)用

王佳賓

道路橋梁 Roads and Bridges

淺談短脈沖雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代公路路面檢測(cè)中的應(yīng)用

王佳賓

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 230054）

本文在簡(jiǎn)述地質(zhì)雷達(dá)基本原理和工作方法的基礎(chǔ)上，將探地雷達(dá)的道路厚度檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)的鉆孔取芯方法進(jìn)行對(duì)比,并根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,說(shuō)明探地雷達(dá)在公路厚度結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面有廣闊應(yīng)用前景。

短脈沖雷達(dá)；鉆孔取芯；厚度檢測(cè)

在現(xiàn)代路面工程施工中，每個(gè)路面層次的厚度和道路的整體強(qiáng)度有著密不可分的關(guān)系。在路基路面設(shè)計(jì)中，不管面層選用剛性路面，還是柔性路面，最終要決定路面整體強(qiáng)度的都是各個(gè)層次的厚度，因此只有在保證道路每層厚度的情況下，才能讓路面的各個(gè)層次及整體的強(qiáng)度得到保證。在之前道路路面層厚度一直沿用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法——鉆孔取芯法，它是通過(guò)公路試驗(yàn)規(guī)程隨機(jī)選點(diǎn)的方法，鉆孔、取樣，測(cè)得路面層厚度，然后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到最終試驗(yàn)結(jié)果。這種方法雖然相對(duì)直觀，但是在一定程度上破壞了路面結(jié)構(gòu)層，造成路面的局部強(qiáng)度、防水出現(xiàn)破壞。另外，由于測(cè)點(diǎn)選擇是隨機(jī)的、稀疏的，使得檢測(cè)結(jié)果缺乏代表性，不能夠說(shuō)明道路厚度的實(shí)際情況。路面雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)則是一種非接觸式、非破損的路面厚度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它不僅適用于水泥混凝土路面、瀝青路面隔層厚度、路面總厚度測(cè)試、探測(cè)路面下的空洞、路面下的相對(duì)高濕度區(qū)域檢測(cè)，以及路面下破損狀況檢測(cè)等等。

隨著科技水平的發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在公路工程的檢測(cè)中，他可以在不破壞待測(cè)物質(zhì)的原有狀態(tài)的前提下，來(lái)獲取與待測(cè)物品質(zhì)有關(guān)的內(nèi)容、性質(zhì)等信息，而雷達(dá)監(jiān)測(cè)路面厚度的方法就是其中較為成熟的技術(shù)，也將更多的應(yīng)用于現(xiàn)代道路工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。

1 雷達(dá)檢測(cè)車(chē)的基本原理與工作方法

SIR-20型地質(zhì)探測(cè)雷達(dá)儀是車(chē)輛以一定速度在待測(cè)路面上行駛，路面探測(cè)雷達(dá)儀向路面發(fā)射出電磁脈沖，電磁脈沖在短時(shí)間內(nèi)穿過(guò)被檢測(cè)的路面，產(chǎn)生的脈沖反射波被無(wú)線接收機(jī)接收，儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則記錄電磁脈沖的返回時(shí)長(zhǎng)和待測(cè)路面結(jié)構(gòu)中的出現(xiàn)的不連續(xù)電介質(zhì)常數(shù)等突變情況。由于路面各結(jié)構(gòu)層材料的電介質(zhì)常數(shù)因?yàn)榻M成材質(zhì)明顯不同，因而材料的電介質(zhì)常數(shù)出現(xiàn)突變的地方，就是兩不同結(jié)構(gòu)層的界面。根據(jù)測(cè)定所知的各種路面材料的電介質(zhì)常數(shù)、波速，通過(guò)計(jì)算，可以得到路面各結(jié)構(gòu)層的厚度、給出待測(cè)路段結(jié)構(gòu)層的含水量、出現(xiàn)損壞的位置等資料。人們將雷達(dá)波脈沖持續(xù)時(shí)間在毫秒級(jí)以下的脈沖波成為——短脈沖，這類(lèi)波型在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，具有抗干擾能力強(qiáng)、距離分辨力高、強(qiáng)雜波背景下目標(biāo)檢測(cè)能力強(qiáng)、信號(hào)處理(DSP)方式相對(duì)簡(jiǎn)化等優(yōu)勢(shì)，因此可以較好地適應(yīng)各種公路檢測(cè)中的復(fù)雜環(huán)境。

2 雷達(dá)檢測(cè)車(chē)在S105公路路面厚度檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 檢測(cè)路段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

要求檢測(cè)的S105合肥至巢湖段為安徽省省道的改建項(xiàng)目，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為瀝青砼路面，路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為后軸載BZZ-100KN，該路段的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)是由水穩(wěn)層（水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層）和瀝青面層組成，總厚度為72cm，其中水穩(wěn)層厚度為56cm；瀝青層總厚度為16cm，由上到下分別為AC-13改性瀝青面層（厚4cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）、AC-20改性瀝青面層（厚6cm ）。

2.2 雷達(dá)天線及參數(shù)選擇

在本次檢測(cè)中，由于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精度要求比較高，因此選擇使用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的4105NR型高頻空氣耦合天線。4105NR型號(hào)地質(zhì)雷達(dá)天線用于高速和高分辨率測(cè)量路面厚度測(cè)量和橋梁板分析。天線設(shè)計(jì)能滿足車(chē)載式高分辨率測(cè)量的需求；高速測(cè)量的同時(shí)而不會(huì)損害或者磨損天線。而且，GSSI公司的RADAN后處理軟件能夠把地面反射波和直達(dá)波分開(kāi)，因此能夠準(zhǔn)確測(cè)量路面厚度。

瀝青路面的最小厚度多為40mm，因此這里規(guī)定最小分辨層厚為不超過(guò)40mm。雷達(dá)垂直分辨率理論值為雷達(dá)波波長(zhǎng)的一半，即A/2，這同時(shí)也對(duì)天線主頻提出了要求。例如，雷達(dá)波在道路面層材料中的傳播速率為10cm/ns，那么為了能夠更好的分清層厚40mm，設(shè)置天線主頻就要大于1. 25GHz。但要說(shuō)明的是，天線主頻不是越大越好，天線頻率與可探測(cè)深度是成反比的，為了探測(cè)較大的面層厚度，在誤差允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低天線頻率：電子產(chǎn)品一般都需要進(jìn)行通電穩(wěn)定，雷達(dá)設(shè)備也不例外。在正式開(kāi)始檢測(cè)之前，應(yīng)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行充分預(yù)熱和必要的參數(shù)設(shè)置（如設(shè)置采樣間隔、時(shí)間窗、增益等），防止因預(yù)熱不充分產(chǎn)生零漂移現(xiàn)象。

2.3 雷達(dá)檢測(cè)工作過(guò)程、數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)結(jié)果

在路面厚度檢測(cè)過(guò)程中，SIR-20型地質(zhì)探測(cè)雷達(dá)儀向路面下發(fā)出的超高頻電磁波，遇到瀝青層底界面和水穩(wěn)層底界面就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反射，反射波被天線接收送入接收器，并傳入主機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理【1】，主機(jī)對(duì)反射波進(jìn)行放大、濾波、數(shù)字疊加等處理后的，就會(huì)在顯示器上顯示出類(lèi)似于地震反射時(shí)間剖面的雷達(dá)連續(xù)探測(cè)彩色剖面，圖1即是本次檢查路段的厚度探測(cè)結(jié)果的一段原始彩色雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面。

由于路面層以下各層的材料介質(zhì)均具有不同的介電常數(shù)，因而造成各種材料介質(zhì)具有不同的電導(dǎo)性，而這種電導(dǎo)性的差異，則會(huì)影響電磁波在材料層之間的傳播速度。在檢測(cè)過(guò)程中，一般采用下式來(lái)計(jì)算電磁波在不同材料介質(zhì)中的傳播速度：

根據(jù)測(cè)定電磁波在不同材料介質(zhì)中的雙程走時(shí)長(zhǎng)以及材料介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，可以采用下式計(jì)算，來(lái)確定各面層的厚度。

式中： T 代表材料介質(zhì)厚度，mm；

圖1 雷達(dá)檢測(cè)路段數(shù)據(jù)剖面

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)點(diǎn)開(kāi)挖后驗(yàn)證，通過(guò)厚度數(shù)據(jù)分析技術(shù)測(cè)得的路面厚度值，與實(shí)際路面測(cè)定厚度結(jié)果情況非常吻合，證明，通過(guò)短脈沖雷達(dá)檢測(cè)可以準(zhǔn)確的測(cè)得道路格結(jié)構(gòu)層的實(shí)際厚度值。

3 結(jié)語(yǔ)

短脈沖雷達(dá)是目前公路行業(yè)路面厚度無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用最廣泛一種檢測(cè)方法，它具有測(cè)值精度高、工作穩(wěn)定、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。用于檢測(cè)路面厚度的雷達(dá)天線頻率一般設(shè)置在1.0GHz以上。這樣就可以滿足測(cè)試過(guò)程中準(zhǔn)確度和垂直分辨率的要求。

短脈沖雷達(dá)檢測(cè)可以適用于新、改建路面工程質(zhì)量驗(yàn)收和舊路加鋪路面設(shè)計(jì)的厚度調(diào)查。改建路面工程中的檢測(cè)需要注意一些問(wèn)題。如果遇到重新鋪筑的瀝青路面，由于新鋪筑的面層與原有基層材料的差異較大，層面分界信號(hào)會(huì)非常清晰，這樣的路面類(lèi)型比較適合使用雷達(dá)測(cè)試路面厚度；如果是在原有的瀝青面層上加鋪新的面層材料，那就需要在施工路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)新舊瀝青面層材料的介電常數(shù)的差異性，如果新舊面層之間的差異性過(guò)小，將難以區(qū)分清新舊面層之間的位置，這種情況下就不適合用此雷達(dá)法測(cè)試加鋪路面厚度。

雷達(dá)發(fā)射的電磁波在道路面層傳播過(guò)程中會(huì)逐漸衰減。雷達(dá)最大探測(cè)深度是由雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)以及路面材料的電磁屬性決定的。對(duì)于材料過(guò)度潮濕或飽水以及有高含鐵量的礦渣集料的路面不適合用本方法測(cè)試。雷達(dá)波受環(huán)境條件的影響

表1 設(shè)置測(cè)量參數(shù)

以下表格增加在 2.2雷達(dá)天線及參數(shù)選擇 這部分中

[1]鄧春為.金開(kāi)大道地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)[R].煤炭科學(xué)研究總院重慶分院檢測(cè)報(bào)告，2003雷達(dá)字第005號(hào)3-21

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